1、數理與信息工程單片機原理及應用期末課程設計溫度控制設計 數理與信息工程學院單片機原理及應用期末課程設計 題 目： 溫度控制系統的設計 專 業： 電子信息工程 班 級： 電信041班 姓 名： 楊永鐸 學 號： 04610127 指導老師： 余 水 寶 成 績： 9 下載，格式差 ( 2007.1 )目錄第1節 引言 3第2節 硬件電路設計 4 2.1 溫度檢測和變送器 42.2 接口電路 42.3 溫度控制電路 9第3節 軟件的設計 113.1軟件總體流程圖 113.2 部分程序 12 3.2.1 LED數碼管的顯示程序 12 3.2.2 8031的主程序 12 3.2.3 復位設置 13 3

2、.2.4 8155的主程序 13第4節 溫度控制的算法 144.1溫度控制算法 144.2溫度控制程序框圖 14 4.2.1主程序框圖14 4.2.2中斷服務程序框圖14 4.2.3主要子服務程序框圖14 4.2.4 其它控制算法 16第5節 系統調試與測試結果分析 175.1系統調試 17 5.1.1軟件調試 1 7 5.1.2硬件調試 17 5.1.3軟硬件聯調 17第6節 結束語 19參考文獻 20溫度控制系統的設計數理與信息工程學院 04電子信息工程 楊永鐸指導教師：余水寶 第1節 引 言自動控制系統在各個領域尤其是工業領域中有著及其廣泛的應用，溫度控制是控制系統中最為常見的

3、控制類型之一。隨著單片機技術的飛速發展，通過單片機對被控對象進行控制日益成為今后自動控制領域的一個重要發展方向， 電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關量都是常用的主要被控參數。例如：在冶金工業、化工生產、電力工程、造紙行業、機械制造和食品加工等諸多領域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。采用MCS-51單片機來對溫度進行控制，不僅具有控制方便、組態簡單和靈活性大等優點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術指標，從而能夠大大提高產品的質量和數量。因此，單片機對溫度的控制問題是一個工業生產中經常會遇到的問題。本文以它為例進行介紹，希望能收到舉一反三和

4、觸類旁通的效果。所以來說溫度控制在我們的日常生活當中是非常有用的，我們利用溫度控制來更好的為我們的生活工作所服務，提高我們的生活質量。當然本次溫度控制的設計也有不足之處，相信在不久的以后，隨著單片機行業的迅速發展，將會有更好的溫度控制儀的出現。摘要：自動控制系統在各個領域尤其是工業領域中有著及其廣泛的應用，溫度控制是控制系統中最為常見的控制類型之一。隨著單片機技術的飛速發展，通過單片機對被控對象進行控制日益成為今后自動控制領域的一個重要發展方向，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關量都是常用的主要被控參數。例如：在冶金工業、化工生產、電力工程、造紙行業、機械制造和食品加工等諸多領域中，人們

5、都需要對工業及日常生活中的溫度進行檢測和控制。采用MCS-51單片機來對溫度進行控制，不僅具有控制方便、組態簡單和靈活性大等優點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術指標，從而能夠大大提高產品的質量和數量。因此，單片機對溫度的控制問題是一個工業生產中經常會遇到的問題。本文以它為例進行介紹，希望能收到舉一反三和觸類旁通的效果。關鍵字：MCS-51單片機；溫度；軟硬件；硬件原理圖；程序框圖；第2節 硬件電路設計以熱電偶為檢測元件的單片機溫度控制系統電路原理圖如圖1所示。2.1 溫度檢測和變送器    溫度檢測元件和變送器的類型選擇與被控溫度的范圍和精度

6、等級有關。鎳鉻/鎳鋁熱電偶適用于0-1000的溫度檢測范圍，相應輸出電壓為0mV-41.32mV。    變送器由毫伏變送器和電流/電壓變送器組成：毫伏變送器用于把熱電偶輸出的0mV-41.32mV變換成4mA-20mA的電流；電流/電壓變送器用于把毫伏變送器輸出的4mA-20mA電流變換成0-5V的電壓。    為了提高測量精度，變送器可以進行零點遷移。例如：若溫度測量范圍為500-1000，則熱電偶輸出為20.6mV-41.32mV，毫伏變送器零點遷移后輸出4mA-20mA范圍電流。這樣，采用8位A/D轉換器就

7、可使量化溫度達到1.96以內。2.2接口電路    接口電路采用MCS-51系列單片機8031，8031芯片是MCS-51系列單片機是美國Intel公司開發的8位單片機，又可以分為多個子系列。MCS-51系列單片機共有40條引腳，包括32條I/O接口引腳、4條控制引腳、2條電源引腳、2條時鐘引腳。引腳說明： P0.0P0.7：P0口8位口線，第一功能作為通用I/O接口，第二功能作為存儲器擴展時的地址/數據復用口P1.0P1.7：P1口8位口線，通用I/O接口無第二功能。P2.0P2.7：P2口8位口線，第一功能作為通用I/O接口，第二功能作為存儲器擴展時

8、傳送高8位地址。 P3.0P3.7：P3口8位口線，第一功能作為通用I/O接口，第二功能作為為單片機的控制信號。ALE/ PROG：地址鎖存允許/編程脈沖輸入信號線（輸出信號）PSEN：片外程序存儲器開發信號引腳（輸出信號）>。EA/Vpp：片外程序存儲器使用信號引腳/編程電源輸入引腳。RST/VPD：復位/備用電源引腳外圍擴展并行接口8155，程序存儲器EPROM2764，模數轉換器ADC0809等芯片。    由圖1可見，在P2.0=0和P2.1=0時，8155選中它內部的RAM工作；在P2.0=1和P2.1=0時，8155選中它內部的三個I/

9、O端口工作。相應的地址分配為：0000H - 00FFH     8155內部RAM0100H            命令/狀態口0101H     A 口0102H     B 口0103H     C 口0104H 

10、           定時器低8位口0105H    定時器高8位口    8155A芯片是Intel公司生產的可編程輸入輸出接口芯片,它具有3個8位的并行I/O口,具有三種工作方式,可通過程序改變其功能,因而使用靈活,通用性強,可作為單片機與多種外圍設備連接時的中間接口電路。8155有三種基本工作方式，三種工作方式由工作方式控制字決定,方式控制字由CPU通過輸入/輸出指令來提供.三個端口中PC口被分為兩個

11、部分,上半部分隨PA口稱為A組,下半部分隨PB口稱為B組.其中PA口可工作與方式0、1和2，而PB口只能工作在方式0和1。8155共有40個引腳,采用雙列直插式封裝,各引腳功能如下：D0-D7：三態雙向數據線,與單片機數據總線連接,用來傳送數據信息。CS：片選信號線，低電平有效，表示芯片被選中。RD：讀出信號線，低電平有效，控制數據的讀出。WR：寫入信號線，低電平有效，控制數據的寫入。Vcc：+5V電源。A0-PA7：A口輸入/輸出線。PB0-PB7：B口輸入/輸出線。PC0-PC7：C口輸入/輸出線。RESET：復位信號線。A1、A0：地址線，用來選擇8155內部端口。GND：地線。 815

12、5用作鍵盤/LED顯示器接口電路。圖2中鍵盤有30個按鍵，分成六行（L0-L5）五列（R0-R4），只要某鍵被按下，相應的行線和列線才會接通。圖中30個按鍵分三類：一是數字鍵0-9，共10個；二是功能鍵18個；三是剩余兩個鍵，可定義或設置成復位鍵等。為了減少硬件開銷，提高系統可靠性和降低成本，采用動態掃描顯示。A口和所有LED的八段引線相連，各LED的控制端G和8155C口相連，故A口為字形口，C口為字位口，8031可以通過C口控制LED是否點亮，通過A口顯示字 圖1 單片機溫度控制系統電路原理圖圖2  8155用作鍵盤/LED顯示器接口電路2764是8K 

13、60;EPROM型器件。8031的PSEN和2764的OE相連，P2.5和CE相連，所以2764的地址空間為：0000H-1FFFH，ADC0809的0通道（IN0  其他輸入端可作備用）和變送器的輸出端相連，所以從通道0（IN0）上輸入的0V-+5V范圍的模擬電壓經A/D轉換后可由8031通過程序從P0口輸入到它的內部RAM單元，在P2.2=0和WR=0時，8031可使ALE和START變為高電平而啟動ADC0809工作；在P2.2=0和RD=0時，8031可以從ADC0809接收A/D轉換后的數字量。也就是說ADC0809可以視為8031的一個外部RAM單元，地址為03

14、F8H（地址重復范圍很大），因此，8031執行如下程序可以啟動ADC0809工作。MOV DPTR，#03F8HMOVX DPTR,A若8031執行下列程序：MOV DPTR，#03F8HMOVX A，DPTR2.3溫度控制電路    8031對溫度的控制是通過雙向可控硅實現的。如圖一所示，雙向可控硅管和加熱絲串接在交流220V、50Hz市電回路。在給定周期T內，8031只要改變可控硅管的接通時間即可改變加熱絲的功率，以達到調節溫度的目的。    可控硅接通時間可以通過可控硅

15、控制極上觸發脈沖控制。該觸發脈沖由8031用軟件在P1.3引腳上產生，在過零同步脈沖同步后經光電耦合管和驅動器輸出送到可控硅的控制極上。溫控系統主要由溫度傳感器、溫度調節儀、執行裝置、被控對象四個部分組成，其系統結構圖如圖3所示： 圖3 溫度控制系統第3節 軟件的設計硬件平臺結構一旦確定，大的功能框架即形成。軟件在硬件平臺上構筑，完成各部分硬件的控制和協調。系統功能是由軟硬件共同實現的，由于軟件的可伸縮性，最終實現的系統功能可強可弱，差別可能很大。因此，軟件是本系統的靈魂。軟件采用模塊化設計方法，不僅易于編程和調試，也可減小軟件故障率和提高軟件的可靠性。同時，對軟件進行全面測試也是檢驗錯誤排除

16、故障的重要手段。由于編程多涉及到數值運算，比較復雜，還有LCD的菜單界面設計都是需要多重選擇判斷，用我們平時常用的匯編語言編程是很難實現的，這里我們選用了移值性好、結構清晰、我使用匯編語言來實現編程。3.1 軟件總體流程圖軟件總體設計主要完成各部分的軟件控制和協調。本系統主程序模塊主要完成的工作是對系統的初始化，包括掃描鍵盤和液晶的初始化，啟動無線接收模塊，發送顯示數據，同時對鍵盤進行掃描，等待外部中斷，程序的流程圖如4所示 圖4 流程圖3.2部分程序如下3.2.1 LED數碼管的顯示程序 六個數碼管的點亮的程序如下DISPLAY: MOV R1,#70H ；#70放R1中 MOV R5,#0

17、FEH PLAY: MOV A,R5 MOV P3,A MOV A,R1 R1中的數據放A中 MOV DPTR,#TAB MOVCA,A+DPTR MOV P1,A 點亮P1 LCALL DL1MS ；跳轉 INC R1 MOV A,R5 JNB ACC.5,ENDOUT RL A MOV R5,A AJMP PLAY ；跳轉 ENDOUT: SETB P3.5 MOV P1,#0FFH RET TAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH3.2.2 8031的主程序 START: MOV R0, #70H ；#70放R0中

18、 MOV R7, #0BH CLEARDISP: MOV R0, #00H INC R0 DJNZ R7, CLEARDISP MOV 20H, #00H MOV 7AH, #0AH MOV TMOD, #11H MOV TL0, #0B0H ；置數 MOV TH0, #3CH MOV TL1, #0B0H MOV TH1, #3CH SETB EA ；開通 SETB ET0 SETB TR0 MOV R4, #14H START1: LCALL DISPLAY JNB P3.7, SETMM1 SJMP START1 SETMM1: LJMP SETMM 3.2.3 復位設置CLR0: CL

19、R A MOV R0,A DEC R0 MOV R0,A RET 3.2.4 8155的主程序ORG    0030H    AJMP    MAIN MAIN:    CALL    DELAY6MS     MOV    A,#02H        00000010

20、表示：PC,PA口輸入，PB口輸出                                               &

21、#160;                         MOV    DPTR,#0A300H    ；8155的狀態端口地址     MOVX    DPTR,A  

22、0;          CALL    DELAY6MS     MOV    DPTR,#0303H     MOVX    A,DPTR     CJNE    #0FFH    BAO

23、JING     AJMP    MAIN BAOJING:     CLR    P1.6     RET       DELAY6MS:    /*延時6MS的子程序*/DEL:    MOV    R7,#24DE

24、L1:    MOV    R6,#125DEL2:    DJNZ    R6,DEL2        125*2=250US    DJNZ    R7,DEL1        0.25*24=6

25、MS    RET END第4節 溫度控制的算法4.1溫度控制算法    通常，電阻爐溫度控制都采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出實測溫度對所需溫度的偏差值，然后對偏差值處理獲得控制信號去調節電阻爐的加熱功率，以實現對溫度的控制。在工業上，偏差控制又稱PID控制，這是工業控制過程中應用最廣泛的一種控制形式，一般都能收到令人滿意的效果。4.2溫度控制程序框圖   溫度控制程序的設計應考慮如下：1）鍵盤掃描、鍵碼識別和溫度顯示；2）溫度采樣、數字濾波；3）數據處理；4）越限報警和處理；

26、5）PID計算、溫度標度轉換4.2.1主程序框圖    主程序包括8031本身的初始化、并行接口8155初始化等等。大體說來，本程序包括設置有關標志、暫存單元和顯示緩沖區清零、T0初始化、CPU開中斷、溫度顯示和鍵盤掃描等程序。4.2.2中斷服務程序框圖    T0中斷服務程序是溫度控制系統的主體程序，用于啟動數/模轉換器、讀入采樣數據、數字濾波、越限溫度報警和越限處理、PID計算和輸出可控硅的觸發脈沖等。P1.3引腳上輸出的該同步觸發脈沖寬度由T1計數器的溢出中斷控制，8031利用等待T1溢出中斷的空閑時間（形成

27、P1.3輸出脈沖頂寬）完成把本次采樣值轉換成顯示值而放入顯示單元緩沖區和調用溫度顯示程序。8031從T1中斷服務程序返回后即可恢復現場和返回主程序。4.2.3主要子服務程序框圖    主要服務子程序包括溫度檢測采樣及數字濾波子程序、帶符號雙字節乘法子程序和標度轉換子程序目的是把實際采樣取得的二進制值轉換成BCD碼形式的溫度值，然后存放到顯示緩沖區中，供顯示子程序調用。圖 5 中斷服務程序框圖 對于一般線性儀表來說，標度轉換公式為：Tx=A0 + (Am-A0)     其中，

28、A0為一次測量儀表的下限； Am為一次測量儀表的上限；Vx 為實際測量值（工程量）；Vm為儀表上限對應的數字量； V0為儀表下限對應的數字量。4.2.4 其它控制算法不同的控制對象，所采用的算法有所不同。例如對于熱慣性大、時間滯后明顯、耦合強、難于建立精確數學模型的大型立式淬火爐，可以采用人工智能模糊控制算法，通過對淬火爐電熱元件通斷比的調節，實現對溫度的自動控制，也可以采用仿人智能控制（SHIC）算法和PID控制算法的聯合控制方案，實際應用時應靈活運用。第5節 系統調試與測試結果分析5.1系統調試根據系統設計方案，本系統的調試共分為三大部分：硬件調試，

29、軟件調試和軟硬件聯調。5.1.1軟件調試 該系統的軟件調試主要針對單片機系統部分。我們利用Keilc51環境對編號的程序進行程序調試，編譯正確的程序之后再利用編程器將調試好的程序固化到AT89C2051單片機中。5.1.2 硬件調試電路安裝完成后，首先進行檢查，即確認電路無虛焊，無短路，無斷路，集成元件安裝是否正確，之后進行電路功能模塊的分級調試，根據電路功能逐級進行由于在系統設計中采用模塊化設計，對各電路功能模塊的逐級測試。最后將各模塊組合后在交道口模型上進行整體測試，使系統的所有功能得以實現。調試的基本過程如下：1最重要的當然是檢查線路應焊接無誤。 2.對電源電路進行調試。調試的方法是：斷

30、開負載，用萬用表測量78L05的3腳應有+5V電壓。3.對撥號音頻部分進行調試。 4.、對撥號音頻進行調試。5、先不裝8031單片機，用短路線把U1插座的12腳接地，調整VD1和VD7的安裝位置和角度，測量U1插座的2腳電壓。當VD1和VD7之間無遮擋時2腳電壓為0伏，有遮擋時為+5伏。用相同方法反復調整其他幾對紅外收發管的位置和角度。使U1插座的3、6、7、8、9各腳的電壓符合要求。5.1.3 軟硬件聯調系統做好后，進行系統的完整調試，檢驗實現的功能。將固化好程序的8031插入電路中的U1插座上，接上電源看是否能夠正常工作。 MCS-51單片機，體積小，重量輕，抗干擾能力強，對環境要求不高，

31、價格低廉，可靠性高，靈活性好，即使是非電子計算機專業人員，通過學習一些專業基礎知識以后也能依靠自己的技術力量，來開發所希望的單片機應用系統。本文的溫度控制系統，只是單片機廣泛應用于各行各業中的一個應用，相信不久的將來單片機的應用更加廣泛化。單片機因為使用靈活、結構簡單、體積小、成本低而在工業和生活中得到廣泛應用，也正是因此，它的硬件資源很有 限，尋址和計算機能力都遠低于PC機，顯示方面更受限制。人們不滿足單片機系統采用LED數碼管的簡單顯示，根據單片機的特點，開發出了很多種顯示方法。按程序執行過程，逐個調試各子程序，并觀察結果。調節電位器，改變輸入電壓值，A/D轉換結果由P1口輸出到

32、8個LED，可觀察到A/D轉換運行正常。在A中設定隨機值進行十六進制轉十進制，子程序運行正常和數碼管顯示子程序運行正常。主程序中調用各個子程序并改變模擬溫度輸入值及設定值，處理指示燈正常，主程序運行正常。調試成功。.寫程序時養成注釋的好習慣寫注釋是為了便于理解軟件編寫的思路，不僅為自己看，也為別人看一個完全沒有注釋的匯編程序將會讓人讀起來十分的費解。而你自己，當你在三個月后再來看這個程序時，可能當時的構思與想法都忘了，屆時你一定會統一程序及上一些必要的注釋絕對是必要的。作為熟練掌握51的一個基礎，應當熟記51復位后各寄存器的狀態，這將對編程產生影響，因為有時在程序中需要在復位后立即對某些寄存器

33、寫入控制字。有些則不需要。寫程序時應當注意精簡，用更簡短的指令，實現相同的功能。當程序很多，空間不夠時，有時只差幾個字節，這時作用就會顯現出來了。但這要求編程人員對程序有全局的理解。查表指令的原理：以DPTR為底地址，以累加器A的值為偏移量（索引值）得到一個地址，然后取出其中的內容，完成一次查表。寫匯編程序能夠訓練一個人具有更周密的思路和處理能力，由于匯編語言屬于最底層的程序語言，若處理不當時，對控制系統的殺傷力最大，而且排錯時間最長，并不適合發展大型的應用程序。學完匯編應該立即學會用高級語言編寫程序，提高效率。當51程序出現非我們預期的結果時，不要先懷疑硬件，依照統計，當系統不工作時，有80

34、%以上的幾率是程序有漏洞，10%是整合時的程序有問題，最后的10%才是硬件的問題。不過硬件問題中的一半，可以用軟件來克服，所以系統有問題時，總體來講95%是軟件的問題。關于指令執行時間的計算（如計算延時時間）例：      DELAY ： MOV  RO, #00H          DLY   : MOV  R1, #00H    &#

35、160;     $     : DJNZ R1, $                  DJNZ RO, DLY                  RET假設晶振威11.0592MHZ，每個clock要0.09us，內循環執行256次，為加第一次設置R1，共用了256*24+12=6156 clock外循環也是256次，外加第一次設置R0，共用了256*6156=1