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1、本科毕业论文（设计）题 目：基于单片机的加热炉温度控制系统设计学 院：现代科技学院专业班级：电子信息工程0601学 号：2006614250308学生姓名：指导教师姓名：指导教师职称：二零一零年六月一日目录绪i仑11单片机对加热炉温度控制的总体设计22单片机内部结构及引脚的选择31单片机内部模块32. 1. 1 MCS-51单片机内部结构32. 1.2主电源引脚42.1.3外接晶体引脚42. 1.4 MCS-51输入/输出引脚42. 1.5 MCS-51 控制线42.2单片机外总线结构52.3 MCS-51单片机系统扩展53硬件系统设计61总体设计63.2程序存储器的扩展73. 3温控模块的设
2、计83.4 8155 接 口电路818155 简介83.4.2 8155的RAM和T/0 口地址编码93.5 A/D转换电路101引脚结构103.6可控硅控制电路114软件系统设计134. 1 主程序134.2 T0中断服务程序144.3采样子程序154.4数字滤波程序165做18参考文献:19隠20矛呈賴单20绪论温度控制系统在国内各行各业的应用虽然己经十分广泛，但从国内生产的温度控制器 来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差 距。成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PTD控制器为主，它们只能适应一般温 度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适
3、应控制仪表，国内技术还不十分成熟， 形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。随着我国经济的发展及加入WTO,我国政府及企 业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心， 开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的 新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、 食品、石油等各个行业。传统的温度采集方法不仅费吋费力，而且精度差，单片机的出现 使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。温度是工业对象中的一个重要的被 控参数。然而所采用的测温元件和测量
4、方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度 也不相同。因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。传统的控制方式以不能满 足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围人, 由于它主要通过控制接触器的通断吋间比例来达到改变加热功率的0的，受仪表本身误差 和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式, 如：PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制 精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效 率。本系统所使用的加热器件是电炉丝，功率为三千瓦，要求温度在4001
5、000C。静态 控制精度为2.43C。本设计使用单片机作为核心进行控制。单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特 别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、 裨能化方面有广泛的用途。本系统使用8031单片机，使温度控制大为简便。1单片机对加热炉温度控制的总体设计加热炉是将物料或工件加热的设备。按热源划分有燃料加热炉、电阻加热炉、感 应加热炉、微波加热炉等。应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面处理、 建材、电子、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域。加热炉按炉温分布，炉膛沿 长度方向可分为预热段、加热段和均热段。单片机的温度控制是数字控制系统的一个应
6、用。本系统所使用的加热炉为电加热炉， 炉丝功率为3kw,系统耍求炉膛恒温，误差为士 2C，超调量可能小，温度上升较快且有良 好的稳定性。单片机温度控制系统是以MS-51单片机为控制核心，辅以采样反馈电路，驱动电路， 晶闸管主电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统。系统的原理框阁如阁1.1所示，其基 本控制原理为：用键盘将温度的设定值送入单片机，启动运行后，通过信号采集电路将 温度信号采集到后，送到A/D转换电路将信号转换成数字量送入单片机系统进行P1D控制 运算，将控制量输出，控制电阻炉的加热。给定值8031控制电路驱动电路品闸管被控输出主电路对象4温度采样电路图1. 1原理框图2单片机内部结构
7、及引脚的选择单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)简称单片机，是指在一抉芯片上集 成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、定时器/计数器、中断 控制器及串型和并行1/0接口等部件。单片机主要应用于工业控制领域，用来实现对信号的检测、数据的采集以及对应用对 象的控制。它具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点。 单片机是微型计算机的一个重要分支，特别适合用于智能控制系统。基于经济上的的考虑，以及本次设计的加热炉的精度要求，选用8031单片机作为中 央处理器。8031是1CS 51系列单片机的一种型号，在MCS 5
8、1系列单片机中还有8051、 8032、80C31 等。2.1单片机内部模块2.1.1 MCS-51单片机内部结构MCS-51系列单片机组成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、4个I/O 口、串行P0.0 P0.7VccRAMilbJll：寄存器RAM3L_B寄存器31：ACC1 二P2.0 P2.7 PO驱动器戸2驱动器IPO锁存器匪P2锁存器EPROM 或ROM程序地址苻储器PSWSP特殊功能搿存器中断、啡行U及定吋器/汁数器PC增 I?（器 定时及指令寄存1 控制器振荡器XTAUXTAL2Pl驱动器APl.OP1.7介.VJS P3锁存器PIW动器P3.0 P3.7 DPTR =图2.
9、1单片机的内部结构框图门、定时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。图2.1中SP是堆栈指针寄存器,PC是程序计数器，PSW是程序状态字寄存器，DPTR是数据指针寄存器。2.1.2主电源引脚Vcc （40脚）：接+5V电源正端 Vss （20脚）：接+5V电源地端2.1.3外接晶体引脚XTAL1 （19脚）和XTAL2 （18脚）：接外部晶振的两个引脚2.1.4 MCS-51输入/输出引脚MCS-51单片机有4个T/0端口，共32根T/0线，4个端1_1都是准双向U。每个U都 包含一个锁存器，即专用寄存器P0-P3, 一个输出驱动器和输入缓冲器。为方便起见，我 们把4个端U和其中的锁存器都统
10、称P0-P3。在访问片外扩展存储器时，低8位地址和数据由P0 口分吋传送，高8位地址由P2 口 传送。在无片外扩展存储器的系统中，这4个U的每一位均可作为双向的T/0U使用。P0 U：可作为一般的I/O 口用，但应用系统采用外部总线结构吋，它分吋作低8位地 址和8位双向数据总线用。Pl U：每一位均可独立作为T/0 U。P2 U：可作为一般I/O 口用，但应用系统采用外部系统采用总线结构吋，它分吋作为 高8位地址线。P3 LI：双功能LL作为第一功能使用时同P1 口，每一位均可独立作为I/O 口。另外，每一位均具 有第二功能，每一位的两个功能不能同时使用。2.1.5 MCS-51 控制线RST
11、/Vpd （9脚）:RST即为RESET, Vpd为备用电源。该引脚为单片机的上电复位或掉 电保护端。当单片机震荡工作吋，该引脚上将出现持续两个机器周期的高电平，这吋可实 现复位操作，使单片机冋复到初始状态。当Vcc发生故障，降低到低电平规定值或掉电吋，该引脚上可接备用电源Vpd （+5V） 为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。八LE/PR0G （30脚）:地址锁存有效信号输出端。ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。 在访问片外程序存储器期间，下降沿用于控制锁存P0输出端的低八位地址；在不访问片 外程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定吋目的。（29脚）：片外程序存储器选通
12、信号输出端，低电平有效。在从外部程序存储器 读取指令或常数期间，每个机器周期内该信号有效两次，并通过数据总线P0 口读冋指令 或常数。在访问片外数据存储器期间，该信号将不出现。WVPP （31脚）：M为片外程序存储器选通断。该引脚冇效（低电平）吋，只选用片外程序存储器，否则单片机上电或复位后选用片内程序存储器。对于片内还有EPROM的机型，在编程期间，此引脚用作12V编程电源Vpp的输入端。2.2单片机外总线结构微型计算机大多数CPU外部都有单独的地址总线、数据总线和控制总线，而MCS51 革片机由于受到芯片管脚的限制，数据线和地址线（低8位）是复用的，而且是1/0 口兼 用。为了将它们分离开
13、来，以便同单片机之外的芯片正确地相连，常常在单片机外部加地 址锁存器来构成与一般CPU相类似的三总线，如图2. 2所示。MCS-51ALEPSENWRRDEA地址总线控制总线图2. 2单片机外总线结构2.3 MCS-51单片机系统扩展通常情况下，采用MCS-51系列单片机的最小系统只能用于一些很简单的应用场合， 在此情况下直接使用单片机内部存储器、数据存储器、定时功能、中断功能、I/O端U等, 组成的应用系统的成木较低。单片机系统扩展的方法有并行扩展法和串行扩展法两种。并行扩展法是利用单片机的 三种线（AB、DB、CB）进行的系统扩展；串行扩展法是利用SPI三线总线或I2C双总线的 串行系统扩
14、展。但是，一般串行接U器件速度慢，在需要高速应用的场合，还是并行扩展 法占主导地位。3硬件系统设计3.1总体设计系统控制主电路是由8031及其外围芯片，及一些辅助的部分构成的。如图3.1所示。过零信号发生器276474Ls373温控电路80318155ADC0809键盘与显示I 传感检测电路电炉阁3. 1总体设计原理阁3.2程序存储器的扩展8031片内不带ROM，米用8031芯片时，须扩展程序存储器。用作程序存储器的芯片主 耍有EPROM和EEPROM。由于EPROM价格低廉、性能可靠，所以设计用EPROM.EPROM是紫外线可擦除电可编程的半导体只读存储器，掉电后信息不会丢失。EPKOM中
15、程序一般通过专门编程器可写入。常用的EPROM芯片主要有：2716、2732、2764、27128、 27256等。扩展程序存储器时，一般扩展容量大于256字节，因此，除了由P0 口提供低8位地 址线外，还需由P2 口提供若干地址线，最大的扩展范围位64K字节，即需16位地址线。 具体方法是CPU应向EPROM提供三种信号线。即A：数据总线:P0 口接EPROM的00-07。B：地址总线：P0 口经锁存器向EPKOM提供地址低8位，P2 口提供高8位地址以及片 选线。C：控制总线：片外程序存储器取指令控制信号，接EPKOM的ALE接锁存 器的G。EAl地。结合本次设计，选择扩展的型号为2764。80
