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1、. . . . 基于单片机炉温控制系统设计摘 要本文主要从硬件和软件两方面介绍了MCS-51单片机温度控制系统的设计思路，简单说明如何实现对温度的控制，并对硬件原理图和程序框图作了简洁的描述。还介绍了在单片机温度控制系统的软硬件设计中的一些主要技术关键环节,该系统主要以89C51单片机为核心,由温度检测电路,模/数转换电路, 过零检测电路, 报警与指示电路, 光电隔离与功率放大电路等构成。关键词：单片机；温度传感器；温度检测；温度控制；PID算法Based On Single-chip Microcomputre Temperature ControlSystem DesignAbstract
2、The design of single-chips temperature control system is introduced from hardware and software, and simply explains how to actualize the temperature control. The hardware principle and software case fig are described. Some important techniques in a design scheme of the hardware and the software of t
3、he temperature control by single-chip microcomputer are introduced. The system mostly takes 89C51 single-chip microcomputer as core, it is structured by temperature testing circuit, A/D switch circuit, zero passagetesting circuit, warning and indication circuit,optical-electrical isolation and power
4、 amplifier circuit and so on.Key Words：SingleChip Microcomputer；Temperature sensor；Temperature collecting；Temperature controlling；PID algorithm 目 录1前言11.1 课题的背景与意义11.2 课题的应用与展望21.3 课题举例简介22总体方案32.1 系统结构32.2 单片机温控模块32.3 具体设计考虑43硬件设计53.1 AT89C51单片机的最小系统设计53.1.1 电源电路53.1.2 时钟电路53.1.3复位电路73.2 温度控制电路73.3
5、 温度检测电路设计83.3.1 设计目标83.3.2 设计的出发点83.3.3 设计原理83.3.4 转换电路83.3.5 信号处理电路93.3.6 主电路103.4 光电隔离电路113.5 过零检测电路114软件设计124.1 设计步骤124.1.1 系统的程序框图124.2 PID控制算法144.2.1 PID控制作用144.2.2 PID算法的微机实现144.2.3 PID算法的程序设计154.3 存分配165结论19致20参考文献21附录A源程序清单22附录B电路原理图32 / 1前言1.1 课题的背景与意义在近四十年的时间里，电子计算机的发展经历了从电子管、晶体管、中小规模集成电路到
6、大规模集成电路这样四个阶段，尤其是随着半导体集成技术的飞跃发展，七十年代初诞生了一代新型的电子计算机微型计算机，使得计算机应用日益广泛；而单片微型计算机的问世，则更进一步推动了这一发展趋势，使计算机应用渗透到各行各业，达到了前所未有的普与程度。一个由微电子技术为先导，计算机技术为标志，包括新材料、宇航、生物工程、海洋工程等多种学科在的新技术革命正在兴起。在国，由于单片机具有功能强、体积小、可靠性好、和价格低廉等独特优点，因此，在智能仪器仪表、工业自动控制、计算机智能终端、家用电器、儿童玩具等许多方面，都已得到了很好的应用，因而受到人们高度重视，取得了一系列科研成果，成为传统工业技术改造和新产品
7、更新换代的理想机种，具有广阔的发展前景。1.2 课题的应用与展望随着电子技术以与应用需求的发展，单片机技术得到了迅速的发展，在高集成度，高速度，低功耗以与高性能方面取得了很大的进展。伴随着科学技术的发展，电子技术有了更高的飞跃，我们现在完全可以运用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测，而且我们可以很容易地做到多点的温度检测，如果对此原理图稍加改进，我们还可以进行不同地点的实时温度检测和控制。总的来说,在智能温度测量与控制电器中，单片机起了智能控制部件作用。它的存在，提高了电器的品质，增加了智能温度测量与控制电器的功能，并在智能温度测量与控制电器中执行模拟人类智能的进程。随着智能控制理论与人
8、工智能研究的深入，各种更加逼真地模拟人类智能的温度测量与控制电器会更多的出现，而单片机和智能理论的结合，将来不但更多的改进现行智能温度测量与控制电器，而且将会产生全新的智能温度测量与控制电器。1.3 课题举例简介在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用MCS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和
9、数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。2 总体方案根据功能和指标要求，本系统可以从元件级开始设计，选用MCS-51单片机为主控机。通过扩展必要的外围接口电路，实现对烘箱温度的测量和控制。2.1 系统结构该系统以89C51单片机为核心，由温度测量变换、测量放大、大功率运放、A/D与D/A转换器、输入光电隔离、驱动电路、键盘显示、存储器共同组成。在系统中，温度和时间的设置、温度值与误差显示、控制参数得设置、运行、暂停与复位等功能由键盘与显示电路完成。图2-1 单片机温度控制系统方案原理示意图传感器把测量的烘箱温度信号转换成弱电压信号，经过信号放大电路，送入低通滤波电路
10、，以消除噪音和干扰，滤波后的信号输入到A/D转换器（ADC0809）转换成数字信号输入主机。2.2 单片机温控模块 温度检测元件和变送器的选择和被控温度与精度等级有关。本设计采用镍铬/镍铝热电偶，此电偶用于01000的温度测量围，相应的输出电压为0mV-41.32mV.变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：毫伏变送器用于把热电偶输出的0-41.32mV变换成0-10mA围的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的0-10MA电流变换成0-5V围的电压。为了提高精度，变送器可以进行零点迁移。例如：若温度测量围为4001000，则热电偶输出为16.4mV-41.32mV,毫伏变送器零点迁移
11、后输出0-10mV围电流。这样，采用8位A/D转换器就可以使量化误差达到正负2.34度以。2.3 具体设计考虑由于温度测量围为0120，控制精度也不高，可选用8路8位ADC0809作A/D转换器，分辨率可达0.5；为了方便操作，系统可不扩展专用键盘，温度给定输入可用2位BCD码拨盘开关置数；温度显示可用4位LED；为了实现通过调节蒸汽流量控温，可扩展8位DAC0832作DA转换器。于是，单片机基本系统应为： 89C51+2764+8255+ADC0809+DAC0832+4位LED。温度测量可以选用半导体集成温度传感器AD590，它的响应速度快，与单片机接口简单。其测温围为-55+150，工作
12、电压430V，输出电流与绝对温度成正比，即为1A/K。执行机构可选用ZKZP-型线性电动单座调节阀，用它来调节通入烘箱的蒸汽流量。调节阀用D/A转换器输出的可调电流控制，0mA对应阀门完全关闭，10mA对应阀门全打开。 可采用带死区的比例积分（PI）控制算法实现对温度的控制。烘箱温度与给定值的偏差小时，调节阀不动作，以减少阀的机械磨损；偏差较大时，经PI算法运算后，单片机通过D/A输出控制信号控制阀门的开度，为了使控制参数现场可调，可用3个电位器产生3路可调电压经过A/D转换实现对A/D转换，实现对PI算法的3个参数（比例系数Kp、积分系数KI、控制周期Tc）在线整定。这种方法不仅可使参数调整
13、方便，而且具有掉电保护功能。为了提高系统的抗干扰能力，D/A转换器与单片机之间进行光电隔离。使电动阀和单片机之间不共地。3 硬件设计3.1 AT89C51单片机的最小系统设计3.1.1 电源电路如图3-1所示为集成直流稳压电源电路的原理图，本电源电路是由集成稳压器构成的。电路可分成三部分：电源变压器部分、整流滤波部分和稳压部分。变压器原边为工频交流220V电压，经过变压后，变压器副边的电压变为交流11V，11V交流电压经过桥式整流电路整流后变为直流10V电压，直流10V电压作为CW7805的输入电压，CW7805输出+5V电压。图中D2为整流桥，它由四个整流二极管接成电桥形式。C3为滤波电容，
14、C1用于抵消输入端较长接线的电感效应，以防止自激振荡，还可抑制电源的高频脉冲干扰。一般取0.11F。CW7805为三端固定输出集成稳压器，其输入和输出电压都为固定值，它的输入电压为+10V，输出电压为+5V。C2和C4用以改善负载的瞬态响应，消除电路的高频噪声，同时也具有消振作用。图3-1 电源电路3.1.2 时钟电路在AT89C51部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。而在芯片部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号，如图3-2所示
15、。图3-2 时钟电路在时钟电路中晶振的选择很关键，MCS-51的工作频率为2-12MHZ，我们选用的89C51单片机的工作频率为12MHZ。机器周期与主频有关，机器周期是主频的12倍，所以一个机器周期的时间为12*（1/12M）=1us。我们可以知道具体每条指令的周期数，这样我们就可以通过指令的执行条数来确定1秒的时间。时序 MCS-5l单片机的一个执器周期由6个状态(s1s6)组成，每个状态又持续2个接荡周期，分为P1和P2两个节拍。这样，一个机器周期由12个振荡周期组成。若采用12MHz的晶体振荡器，则每个机器周期为1us，每个状态周期为16us；在一数情况下，算术和逻辑操作发生在N期间，而部寄存器到寄存器的传输发生在P2期间。对于单周期指令，当指令操作码读人指令寄存器时，使从S1P2开始执行指令。如果是双字节指令，则在同一机器周期的s4读入第
