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1、XXXXXXXX毕业设计题目：基于单片机的温度控制系统姓 名 X X X 学 院 电气工程与自动化专 业 计算机控制技术 指导教师 X X 职 称 助理实验师 2009 年 5 月25日39摘 要随着国民经济的发展，人们需要对各种加热炉，热处理炉，反应炉和锅炉中温度进行监测和控制。采用单片机来对他们控制不仅具有控制方便，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，从而能够大大的提高产品的质量和数量。为了适应工业控制发展的需要，本文在分析单片机对电加热炉温度控制的基础上，将整个系统分为温度测量、A/D转换、单片机系统、键盘操作系统、温度显示电路、报警电路、D/A转换等若干个功能模
2、块。同时分别阐述其结构体系、工作原理、设计、集成方法以及它们之间的共性和特点。由于温控技术与自动化技术的发展非常迅速，本文一方面结合实际应用经验，力求做到较为系统和全面的介绍系统设计与实施技术；另一方面尽可能反应出温控系统的发展趋势，以及其先进性和实用性。本设计的控制对象为电加热炉，通过控制加在电阻丝两端电压的工作时间，来对电阻丝输出的平均功率加以控制。以单片机为核心，采用固态继电器控温电路，实现对电炉的自动控制。本文将采用PID控制，阐述了PID控制器的设计，硬件结构和软件设计，实现了一套温度采集和控制的方案。该系统具有硬件成本低，控温精度较高，可靠性好，抗干扰能力强等特点。关键词：电加热炉
3、；单片机；温度控制；固态继续电器目 录前 言1第一章 单片机温度控制系统方案简介2第二章 单片机的选型42.1 MCS51单片机内部结构与功能42.2 MCS51输入/输出端口的结构与功能52.3 MCS51单片机的引脚及其功能52.4 MCS51的存储器结构62.4.1 程序存储器72.4.2 数据存储器72.5 8031系统扩展计划82.5.1 单片机外总线结构82.5.2 MCS51系列单片机的扩展102.5.3 芯片的扩展设计11第三章 带有I/O接口和计时器的静态RAM8155133.1 8155的结构133.2 8155的引脚功能133.3 8155的命令格式与状态字153.4 8
4、155 I/O端口的应用163.5 MCS51和8155的接口方法16第四章 ADC0809转换芯片174.1 ADC0809的引脚174.2 ADC0809的内部组成184.3 ADC0809与系统总线的连接204.4 ADC0809与8031的接口20第五章 温度的检测和控制225.1 温度检测元件的选择225.2 变送器235.3 温度的控制24第六章 温度控制程序和算法266.1 温度控制的算法266.2 温度控制程序266.3 T0中断的服务程序CT0286.4子程序316.5 PID算法程序346.5.1 PID算法程序346.5.2双字节带符号乘法子程序MUL137结论40参考文
5、献41致谢42XXXXXX毕业设计前 言在现代化的工业生产中，温度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。虽然温度控制系统的制作方案有很多，但是经过对比各个方案的优劣，还是采用单片机更好，因为采用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。单片机体积小、功能齐全、价格低廉、可靠性高等方面具有独特的优点，在各个
6、领域获得了广泛的应用。在我国，近几年单片机的应用研究发展进展很快，特别是在工业控制、智能化仪表、产品自动化、分布式控制系统中都已取得了一些可喜的成果。现在，一个学习和应用单片机的热潮正在一些工厂、企业、科研单位、高等院校中兴起。本设计使用单片机8031作为核心进行控制。加热器件是电炉丝，功率为三千瓦，要求温度在4001000。静态控制精度为2.43。算法采用目前工业生产过程控制系统中应用最广泛的PID算法，并利用测量误差改变调节器步长的方法实现PID参数的自动整定，在温度曲线控制中取得了非常满意的效果。本设计说明书共有六章。第一章温度控制系统方面简介。第二章单片机的选型介绍主芯片的选择。第三章
7、介绍主芯片端口的扩张芯片8155。第四章主要对模数转换芯片ADC0809的介绍。第五章是对温度检测和变送器的设计。第六章是对温度控制电路的设计。第七章是软件设计，包括主程序，子程序，滤波程序，等程序的设计。希望本设计说明书能给大家带来帮助。第一章 单片机温度控制系统方案简介单片机温度控制系统是数控系统的一个简单应用。在冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各类工业中，广泛使用着加热炉、热处理炉、反应炉等，因此，温度是工业对象中一个主要的被控参数。由于炉子的种类不同，因而所使用的燃料和加热方法也不同，例如煤气、天然气、油、电等；由于工业不同，所需要的温度高低不同，因而所采用的测温原件和测温方法也不
8、同；产品工业不同，控制温度的精度也不同，因而对数据采集的精度和所采用的控制算法也不同。本系统所使用的加热炉为电加热路，炉丝功率为2kw，系统要求炉膛恒温，误差为VC，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MS51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。其系统结构框图可表示为：系统采用单闭环形式，其基本控制原理为：将温度设定值（即输入控制量）和温度反馈值同时送入控制电路部分，然后经过调节器运算得到输出控制量，输出控制量控制驱动电路得到控制电压施加到被控制对象上，电炉因此达到一定的温度。其控制电路如图1.1所示。驱动电
9、路晶闸管主电路被控对象输出温度采样电路给定值8031控制电路图1.1 控制电路的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。其系统设计原理图如1.2所示。80318155276474Ls373AD0809传感检测电路温控电路电炉过零信号发生器键盘与显示1.2 系统设计原理图第二章 单片机的选型单片微机是单片微型计算机SCMC(single chip micro computer)的译名简称，在国内也常简称为“单片机”。它包括中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、中断系统、定时器/计数器、串行口和I/O等等。单片机主要应用于工业控制领域，用来实现对信号的检
10、测、数据的采集以及对应用对象的控制。由于单片机扩展了各种控制功能，如A/D、PWM、计数器的捕获/比较逻辑、高速I/O口、WDT等，以突破了微型计算机传统的内容，所以，更准确的反映其本质的叫法应是微控制器。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，因此如果能利用微型计算机进行温度的测量和控制，将会大大提高温度测控的可靠性和灵活性。单片微型计算机（简称单片机）是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃和颇具生命力的机种，特别适合用于智能控制系统。与PC机用于控制系统相比，其具有明显的性能价格比。2.1 单片机在本设计中，从经济上以及性能上考虑，我选用8031作为CPU
11、。8031是MCS51系列单片机的一种型号，MCS51单片机的类型有：8051、8031、8751等。8051内部有4K ROM，8751内部有4K EPROM，8031片内无ROM；除此之外三者内部结构引脚完全相同。2.1 MCS51单片机内部结构与功能8051单片机内部结构见图2.1。含CPU、震荡器和时序电路、4KB的ROM、256B的RAM、两个16定时/计数器T0和T1、4个8位I/O端口（P0、P1、P2、P3）、串行口等组成。其中震荡时序与时钟组成定时控制部件。图2.1 单片机功能方框图2.2 MCS51输入/输出端口的结构与功能MSC51单片机有4个I/O端口，共32根I/O线
12、，4个端口都是准双向口。每个口都包含一个锁存器，即专用寄存器P0P3，一个输出驱动器和输入缓冲器。为方便起见，我们把4个端口和其中的锁存器都统称P0P3。 在访问片外扩展存储器时，低8位地址和数据由P0口分时传送，高8位地址由P2口传送。在无片外扩展存储器的系统中，者4个口的每一位均可作为双向的I/O口使用。P0口：可作为一般的I/O口使用，但应用系统采用外部总线结构时，它分时作低8位地址和8位双向数据总线用。P1口：每一位均可独立作为I/O口。P2口：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时，它分时作为高8位地址线。P3口：双功能口。作为第一功能使用时同P1口，每一位均可独立
13、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。2.3 MCS51单片机的引脚及其功能MCS51单片机采用40引脚的双例直插封装形式，如图2.2所示。2.2 CS-51引脚图1） 主电源引脚VCC和VSSVCC（40脚）：主电源+5V，正常操作的对EPROM编程及验证时均接+5V电源。VSS（20脚）：接地。2） XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）：接外部晶振的两个引脚3） RST/VPD、ALE/、 控制信号引脚。RST/VPD (9脚)：单片机复位/备用电源引脚。刚接上电源时，其内部寄存器处于随机状态，在引脚上输入持续两个机器周期的高电平见使单片机复位。VC
14、C掉电期间，此引脚可接上备用电源，一旦芯片在使用中VCC电压突然下降或断电，能保护片内RAM中信息不丢失，使恢复电后能继续正常进行。 ALE/（30脚）：当访问片外存储器时，ALE的输出用于锁存字节地址信号。即使不访问片外存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现脉冲信号。其频率为振荡器频率1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时的目的。应注意的是：当访问片外数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲；ALE端可以驱动8个LSET负载。对含有EPROM的单片机，片内EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。（29脚）：输出访问片外程序存储器的读选通信号。CPU在从片外程序存储器取
15、指令（或常数）期间，每个机器周期两次有效。每当访问片外存储器时，这两次有效的PROG信号将不会出现。该端同样可驱动8个LSTTL负载。/VPP（31脚）：当EA输入端输入高电平时，CPU可访问片内程序存储器4KB的地址范围。若PC值超出4KB地址时，将自动转向片外程序存储器。当EA输入低电平时，不论片内是否有程序存储器，则CPU只是访问片外程序存储器。对含有EPROM的单片机，在对EPROM编程期间，此引脚用于施加+21V的编程电压VPP。4）输入/输出引脚P0.0P0.7对应3932脚；P1.0P1.7对应18脚；P2.0P2.7对应2128脚；P3.0P3.7对应1017脚。2.4 MCS51的存储器结构MCS5
