MCS-51單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)

MCS-51單片機(jī)溫度控制系統(tǒng),mcs,51,單片機(jī),溫度,控制系統(tǒng) www.sfmcu.com www.sfmcu.cn 摘 要：本文從硬件和軟件兩方面介紹了 MCS-51 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，對(duì)硬件原理圖和程序框圖作了簡(jiǎn)捷的描述。關(guān)鍵詞：MCS-51 單片機(jī)；溫度；軟硬件；硬件原理圖；程序框圖；設(shè)計(jì)0 引言在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。采用 MCS-51 單片機(jī)來對(duì)溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機(jī)對(duì)溫度的控制問題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的問題。本文以它為例進(jìn)行介紹，希望能收到舉一反三和觸類旁通的效果。1 硬件電路設(shè)計(jì)以熱電偶為檢測(cè)元件的單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)電路原理圖如圖 1 所示。1.1 溫度檢測(cè)和變送器溫度檢測(cè)元件和變送器的類型選擇與被控溫度的范圍和精度等級(jí)有關(guān)。鎳鉻/鎳鋁熱電偶適用于 0℃-1000℃的溫度檢測(cè)范圍，相應(yīng)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(cè)量精度，變送器可以進(jìn)行零點(diǎn)遷移。例如：若溫度測(cè)量范圍為 500℃-1000℃，則熱電偶輸出為 20.6mV-41.32mV，毫伏變送器零點(diǎn)遷移后輸出 4mA-20mA 范圍電流。這樣，采用 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器就可使量化溫度達(dá)到 1.96℃以內(nèi)。1.2 接口電路接口電路采用 MCS-51 系列單片機(jī) 8031，外圍擴(kuò)展并行接口 8155，程序存儲(chǔ)器 EPROM2764，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809 等芯片。由圖 1 可見，在 P2.0=0 和 P2.1=0 時(shí)，8155 選中它內(nèi)部的 RAM 工作；在 P2.0=1 和 P2.1=0 時(shí)，8155 選中它內(nèi)部的三個(gè) I/O 端口工作。相應(yīng)的地址分配為：0000H - 00FFH 8155 內(nèi)部 RAM0100H 命令/狀態(tài)口0101H A 口0102H B 口0103H C 口0104H 定時(shí)器低 8 位口0105H 定時(shí)器高 8 位口8155 用作鍵盤/LED 顯示器接口電路。圖 2 中鍵盤有 30 個(gè)按鍵，分成六行（L0-L5）五列（R0-R4），只要某鍵被按下，相應(yīng)的行線和列線才會(huì)接通。圖中 30 個(gè)按鍵分三類：一是數(shù)字鍵 0-9，共 10 個(gè)；二是功能鍵 18 個(gè)；三是剩余兩個(gè)鍵，可定義或設(shè)置成復(fù)位鍵等。為了減少硬件開銷，提高系統(tǒng)可靠性和降低成本，采用動(dòng)態(tài)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(diǎn)亮，通過 A 口顯示字符。www.sfmcu.com www.sfmcu.cn 圖 1 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)電路原理圖圖 2 8155 用作鍵盤/LED 顯示器接口電路2764 是 8K 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(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后可由 8031 通過程序從 P0 口輸入到它的內(nèi)部 RAM 單元，在 P2.2=0 和 WR=0 時(shí)，8031 可使 ALE 和 START 變?yōu)楦唠娖蕉鴨?dòng) ADC0809 工作；在 P2.2=0 和 RD=0 時(shí)，8031 可以從 ADC0809 接收 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。也就是說 ADC0809 可以視為8031 的一個(gè)外部 RAM 單元，地址為 03F8H（地址重復(fù)范圍很大），因此，8031 執(zhí)行如下程序可以啟動(dòng)ADC0809 工作。MOV DPTR，#03F8HMOVX @DPTR,A若 8031 執(zhí)行下列程序：MOV DPTR，#03F8HMOVX A，@DPTRwww.sfmcu.com www.sfmcu.cn 則可以從 ADC0809 輸入 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。1.3 溫度控制電路8031 對(duì)溫度的控制是通過雙向可控硅實(shí)現(xiàn)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(nèi)，8031 只要改變可控硅管的接通時(shí)間即可改變加熱絲的功率，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的?？煽毓杞油〞r(shí)間可以通過可控硅控制極上觸發(fā)脈沖控制。該觸發(fā)脈沖由 8031 用軟件在 P1.3 引腳上產(chǎn)生，在過零同步脈沖同步后經(jīng)光電耦合管和驅(qū)動(dòng)器輸出送到可控硅的控制極上。3. 溫度控制的算法和程序框圖圖 3 主 程 序 框 圖3.1 溫度控制算法通常，電阻爐爐溫控制都采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出實(shí)測(cè)爐溫對(duì)所需爐溫的偏差值，然后對(duì)偏差值處理獲得控制信號(hào)去調(diào)節(jié)電阻爐的加熱功率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。在工業(yè)上，偏差控制又稱 PID 控制，這是工業(yè)控制過程中應(yīng)用最廣泛的一種控制形式，一般都能收到令人滿意的效果。3.2 溫度控制程序框圖溫度控制程序的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮如下：1）鍵盤掃描、鍵碼識(shí)別和溫度顯示；2）爐溫采樣、數(shù)字濾波；3）數(shù)據(jù)處理；4）越限報(bào)警和處理；5）PID 計(jì)算、溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換www.sfmcu.com www.sfmcu.cn 3.2.1 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(shè)置有關(guān)標(biāo)志、暫存單元和顯示緩沖區(qū)清零、T0 初始化、CPU 開中斷、溫度顯示和鍵盤掃描等程序。3.2.2 中斷服務(wù)程序框圖T0 中斷服務(wù)程序是溫度控制系統(tǒng)的主體程序，用于啟動(dòng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、讀入采樣數(shù)據(jù)、數(shù)字濾波、越限溫度報(bào)警和越限處理、PID 計(jì)算和輸出可控硅的觸發(fā)脈沖等。P1.3 引腳上輸出的該同步觸發(fā)脈沖寬度由T1 計(jì)數(shù)器的溢出中斷控制，8031 利用等待 T1 溢出中斷的空閑時(shí)間（形成 P1.3 輸出脈沖頂寬）完成把本次采樣值轉(zhuǎn)換成顯示值而放入顯示單元緩沖區(qū)和調(diào)用溫度顯示程序。8031 從 T1 中斷服務(wù)程序返回后即可恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)和返回主程序。3.2.3 主要子服務(wù)程序框圖主要服務(wù)子程序包括溫度檢測(cè)采樣及數(shù)字濾波子程序、帶符號(hào)雙字節(jié)乘法子程序和標(biāo)度轉(zhuǎn)換子程序目的是把實(shí)際采樣取得的二進(jìn)制值轉(zhuǎn)換成 BCD 碼形式的溫度值，然后存放到顯示緩沖區(qū)中，供顯示子程序調(diào)用。www.sfmcu.com www.sfmcu.cn 圖 4　中斷服務(wù)程序框圖www.sfmcu.com www.sfmcu.cn 對(duì)于一般線性儀表來說，標(biāo)度轉(zhuǎn)換公式為：Tx=A0 + (Am-A0) 其中，A0 為一次測(cè)量?jī)x表的下限； Am 為一次測(cè)量?jī)x表的上限；Vx 為實(shí)際測(cè)量值（工程量）；Vm為儀表上限對(duì)應(yīng)的數(shù)字量； V0 為儀表下限對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。4 其它控制算法不同的控制對(duì)象，所采用的算法有所不同。例如對(duì)于熱慣性大、時(shí)間滯后明顯、耦合強(qiáng)、難于建立精確數(shù)學(xué)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(duì)淬火爐電熱元件通斷比的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的自動(dòng)控制，也可以采用仿人智能控制（SHIC）算法和 PID 控制算法的聯(lián)合控制方案，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)靈活運(yùn)用。5 結(jié)束語MCS-51 單片機(jī)，體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境要求不高，價(jià)格低廉，可靠性高，靈活性好，即使是非電子計(jì)算機(jī)專業(yè)人員，通過學(xué)習(xí)一些專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)以后也能依靠自己的技術(shù)力量，來開發(fā)所希望的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。本文的溫度控制系統(tǒng)，只是單片機(jī)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中的一例，相信讀者會(huì)依靠自己的聰明才智，使單片機(jī)的應(yīng)用更加廣泛化。www.sfmcu.com www.sfmcu.cn 摘 要：本文從硬件和軟件兩方面介紹了 MCS-51 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，對(duì)硬件原理圖和程序框圖作了簡(jiǎn)捷的描述。關(guān)鍵詞：MCS-51 單片機(jī)；溫度；軟硬件；硬件原理圖；程序框圖；設(shè)計(jì)0 引言在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。采用 MCS-51 單片機(jī)來對(duì)溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機(jī)對(duì)溫度的控制問題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的問題。本文以它為例進(jìn)行介紹，希望能收到舉一反三和觸類旁通的效果。1 硬件電路設(shè)計(jì)以熱電偶為檢測(cè)元件的單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)電路原理圖如圖 1 所示。1.1 溫度檢測(cè)和變送器溫度檢測(cè)元件和變送器的類型選擇與被控溫度的范圍和精度等級(jí)有關(guān)。鎳鉻/鎳鋁熱電偶適用于 0℃-1000℃的溫度檢測(cè)范圍，相應(yīng)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(cè)量精度，變送器可以進(jìn)行零點(diǎn)遷移。例如：若溫度測(cè)量范圍為 500℃-1000℃，則熱電偶輸出為 20.6mV-41.32mV，毫伏變送器零點(diǎn)遷移后輸出 4mA-20mA 范圍電流。這樣，采用 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器就可使量化溫度達(dá)到 1.96℃以內(nèi)。1.2 接口電路接口電路采用 MCS-51 系列單片機(jī) 8031，外圍擴(kuò)展并行接口 8155，程序存儲(chǔ)器 EPROM2764，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809 等芯片。由圖 1 可見，在 P2.0=0 和 P2.1=0 時(shí)，8155 選中它內(nèi)部的 RAM 工作；在 P2.0=1 和 P2.1=0 時(shí)，8155 選中它內(nèi)部的三個(gè) I/O 端口工作。相應(yīng)的地址分配為：0000H - 00FFH 8155 內(nèi)部 RAM0100H 命令/狀態(tài)口0101H A 口0102H B 口0103H C 口0104H 定時(shí)器低 8 位口0105H 定時(shí)器高 8 位口8155 用作鍵盤/LED 顯示器接口電路。圖 2 中鍵盤有 30 個(gè)按鍵，分成六行（L0-L5）五列（R0-R4），只要某鍵被按下，相應(yīng)的行線和列線才會(huì)接通。圖中 30 個(gè)按鍵分三類：一是數(shù)字鍵 0-9，共 10 個(gè)；二是功能鍵 18 個(gè)；三是剩余兩個(gè)鍵，可定義或設(shè)置成復(fù)位鍵等。為了減少硬件開銷，提高系統(tǒng)可靠性和降低成本，采用動(dòng)態(tài)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(diǎn)亮，通過 A 口顯示字符。www.sfmcu.com www.sfmcu.cn 圖 1 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)電路原理圖圖 2 8155 用作鍵盤/LED 顯示器接口電路2764 是 8K 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(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后可由 8031 通過程序從 P0 口輸入到它的內(nèi)部 RAM 單元，在 P2.2=0 和 WR=0 時(shí)，8031 可使 ALE 和 START 變?yōu)楦唠娖蕉鴨?dòng) ADC0809 工作；在 P2.2=0 和 RD=0 時(shí)，8031 可以從 ADC0809 接收 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。也就是說 ADC0809 可以視為8031 的一個(gè)外部 RAM 單元，地址為 03F8H（地址重復(fù)范圍很大），因此，8031 執(zhí)行如下程序可以啟動(dòng)ADC0809 工作。MOV DPTR，#03F8HMOVX @DPTR,A若 8031 執(zhí)行下列程序：MOV DPTR，#03F8HMOVX A，@DPTRwww.sfmcu.com www.sfmcu.cn 則可以從 ADC0809 輸入 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。1.3 溫度控制電路8031 對(duì)溫度的控制是通過雙向可控硅實(shí)現(xiàn)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(nèi)，8031 只要改變可控硅管的接通時(shí)間即可改變加熱絲的功率，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的?？煽毓杞油〞r(shí)間可以通過可控硅控制極上觸發(fā)脈沖控制。該觸發(fā)脈沖由 8031 用軟件在 P1.3 引腳上產(chǎn)生，在過零同步脈沖同步后經(jīng)光電耦合管和驅(qū)動(dòng)器輸出送到可控硅的控制極上。3. 溫度控制的算法和程序框圖圖 3 主 程 序 框 圖3.1 溫度控制算法通常，電阻爐爐溫控制都采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出實(shí)測(cè)爐溫對(duì)所需爐溫的偏差值，然后對(duì)偏差值處理獲得控制信號(hào)去調(diào)節(jié)電阻爐的加熱功率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。在工業(yè)上，偏差控制又稱 PID 控制，這是工業(yè)控制過程中應(yīng)用最廣泛的一種控制形式，一般都能收到令人滿意的效果。3.2 溫度控制程序框圖溫度控制程序的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮如下：1）鍵盤掃描、鍵碼識(shí)別和溫度顯示；2）爐溫采樣、數(shù)字濾波；3）數(shù)據(jù)處理；4）越限報(bào)警和處理；5）PID 計(jì)算、溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換www.sfmcu.com www.sfmcu.cn 3.2.1 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(shè)置有關(guān)標(biāo)志、暫存單元和顯示緩沖區(qū)清零、T0 初始化、CPU 開中斷、溫度顯示和鍵盤掃描等程序。3.2.2 中斷服務(wù)程序框圖T0 中斷服務(wù)程序是溫度控制系統(tǒng)的主體程序，用于啟動(dòng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、讀入采樣數(shù)據(jù)、數(shù)字濾波、越限溫度報(bào)警和越限處理、PID 計(jì)算和輸出可控硅的觸發(fā)脈沖等。P1.3 引腳上輸出的該同步觸發(fā)脈沖寬度由T1 計(jì)數(shù)器的溢出中斷控制，8031 利用等待 T1 溢出中斷的空閑時(shí)間（形成 P1.3 輸出脈沖頂寬）完成把本次采樣值轉(zhuǎn)換成顯示值而放入顯示單元緩沖區(qū)和調(diào)用溫度顯示程序。8031 從 T1 中斷服務(wù)程序返回后即可恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)和返回主程序。3.2.3 主要子服務(wù)程序框圖主要服務(wù)子程序包括溫度檢測(cè)采樣及數(shù)字濾波子程序、帶符號(hào)雙字節(jié)乘法子程序和標(biāo)度轉(zhuǎn)換子程序目的是把實(shí)際采樣取得的二進(jìn)制值轉(zhuǎn)換成 BCD 碼形式的溫度值，然后存放到顯示緩沖區(qū)中，供顯示子程序調(diào)用。www.sfmcu.com www.sfmcu.cn 圖 4　中斷服務(wù)程序框圖www.sfmcu.com www.sfmcu.cn 對(duì)于一般線性儀表來說，標(biāo)度轉(zhuǎn)換公式為：Tx=A0 + (Am-A0) 其中，A0 為一次測(cè)量?jī)x表的下限； Am 為一次測(cè)量?jī)x表的上限；Vx 為實(shí)際測(cè)量值（工程量）；Vm為儀表上限對(duì)應(yīng)的數(shù)字量； V0 為儀表下限對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。4 其它控制算法不同的控制對(duì)象，所采用的算法有所不同。例如對(duì)于熱慣性大、時(shí)間滯后明顯、耦合強(qiáng)、難于建立精確數(shù)學(xué)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(duì)淬火爐電熱元件通斷比的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的自動(dòng)控制，也可以采用仿人智能控制（SHIC）算法和 PID 控制算法的聯(lián)合控制方案，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)靈活運(yùn)用。5 結(jié)束語MCS-51 單片機(jī)，體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境要求不高，價(jià)格低廉，可靠性高，靈活性好，即使是非電子計(jì)算機(jī)專業(yè)人員，通過學(xué)習(xí)一些專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)以后也能依靠自己的技術(shù)力量，來開發(fā)所希望的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。本文的溫度控制系統(tǒng)，只是單片機(jī)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中的一例，相信讀者會(huì)依靠自己的聰明才智，使單片機(jī)的應(yīng)用更加廣泛化。