MCS-51單片機溫度控制系統(tǒng)

MCS-51單片機溫度控制系統(tǒng),mcs,51,單片機,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 單片機溫度控制系統(tǒng)的設計思路，對硬件原理圖和程序框圖作了簡捷的描述。關鍵詞：MCS-51 單片機；溫度；軟硬件；硬件原理圖；程序框圖；設計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(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)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(chǎn)品的質量和數(shù)量。因此，單片機對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)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。1 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(tǒng)電路原理圖如圖 1 所示。1.1 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 轉換器就可使量化溫度達到 1.96℃以內。1.2 接口電路接口電路采用 MCS-51 系列單片機 8031，外圍擴展并行接口 8155，程序存儲器 EPROM2764，模數(shù)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/O 端口工作。相應的地址分配為：0000H - 00FFH 8155 內部 RAM0100H 命令/狀態(tài)口0101H A 口0102H B 口0103H C 口0104H 定時器低 8 位口0105H 定時器高 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(shù)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(tǒng)可靠性和降低成本，采用動態(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 是否點亮，通過 A 口顯示字符。www.sfmcu.com www.sfmcu.cn 圖 1 單片機溫度控制系統(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?yōu)楦唠娖蕉鴨?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(shù)字量。也就是說 ADC0809 可以視為8031 的一個外部 RAM 單元，地址為 03F8H（地址重復范圍很大），因此，8031 執(zhí)行如下程序可以啟動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 轉換后的數(shù)字量。1.3 溫度控制電路8031 對溫度的控制是通過雙向可控硅實現(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，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(jié)溫度的目的?？煽毓杞油〞r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)光電耦合管和驅動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測爐溫對所需爐溫的偏差值，然后對偏差值處理獲得控制信號去調節(jié)電阻爐的加熱功率，以實現(xiàn)對爐溫的控制。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計應考慮如下：1）鍵盤掃描、鍵碼識別和溫度顯示；2）爐溫采樣、數(shù)字濾波；3）數(shù)據(jù)處理；4）越限報警和處理；5）PID 計算、溫度標度轉換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，本程序包括設置有關標志、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 中斷服務程序框圖T0 中斷服務程序是溫度控制系統(tǒng)的主體程序，用于啟動數(shù)/模轉換器、讀入采樣數(shù)據(jù)、數(shù)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(fā)脈沖等。P1.3 引腳上輸出的該同步觸發(fā)脈沖寬度由T1 計數(shù)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 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(qū)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(xiàn)場和返回主程序。3.2.3 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(shù)字濾波子程序、帶符號雙字節(jié)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(qū)中，供顯示子程序調用。www.sfmcu.com www.sfmcu.cn 圖 4　中斷服務程序框圖www.sfmcu.com www.sfmcu.cn 對于一般線性儀表來說，標度轉換公式為：Tx=A0 + (Am-A0) 其中，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(shù)字量； V0 為儀表下限對應的數(shù)字量。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(shù)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(jié)，實現(xiàn)對爐溫的自動控制，也可以采用仿人智能控制（SHIC）算法和 PID 控制算法的聯(lián)合控制方案，實際應用時應靈活運用。5 結束語MCS-51 單片機，體積小，重量輕，抗干擾能力強，對環(huán)境要求不高，價格低廉，可靠性高，靈活性好，即使是非電子計算機專業(yè)人員，通過學習一些專業(yè)基礎知識以后也能依靠自己的技術力量，來開發(fā)所希望的單片機應用系統(tǒng)。本文的溫度控制系統(tǒng)，只是單片機廣泛應用于各行各業(yè)中的一例，相信讀者會依靠自己的聰明才智，使單片機的應用更加廣泛化。www.sfmcu.com www.sfmcu.cn 摘 要：本文從硬件和軟件兩方面介紹了 MCS-51 單片機溫度控制系統(tǒng)的設計思路，對硬件原理圖和程序框圖作了簡捷的描述。關鍵詞：MCS-51 單片機；溫度；軟硬件；硬件原理圖；程序框圖；設計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(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)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(chǎn)品的質量和數(shù)量。因此，單片機對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)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。1 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(tǒng)電路原理圖如圖 1 所示。1.1 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 轉換器就可使量化溫度達到 1.96℃以內。1.2 接口電路接口電路采用 MCS-51 系列單片機 8031，外圍擴展并行接口 8155，程序存儲器 EPROM2764，模數(shù)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/O 端口工作。相應的地址分配為：0000H - 00FFH 8155 內部 RAM0100H 命令/狀態(tài)口0101H A 口0102H B 口0103H C 口0104H 定時器低 8 位口0105H 定時器高 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(shù)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(tǒng)可靠性和降低成本，采用動態(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 是否點亮，通過 A 口顯示字符。www.sfmcu.com www.sfmcu.cn 圖 1 單片機溫度控制系統(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?yōu)楦唠娖蕉鴨?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(shù)字量。也就是說 ADC0809 可以視為8031 的一個外部 RAM 單元，地址為 03F8H（地址重復范圍很大），因此，8031 執(zhí)行如下程序可以啟動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 轉換后的數(shù)字量。1.3 溫度控制電路8031 對溫度的控制是通過雙向可控硅實現(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，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(jié)溫度的目的。可控硅接通時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)光電耦合管和驅動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測爐溫對所需爐溫的偏差值，然后對偏差值處理獲得控制信號去調節(jié)電阻爐的加熱功率，以實現(xiàn)對爐溫的控制。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計應考慮如下：1）鍵盤掃描、鍵碼識別和溫度顯示；2）爐溫采樣、數(shù)字濾波；3）數(shù)據(jù)處理；4）越限報警和處理；5）PID 計算、溫度標度轉換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，本程序包括設置有關標志、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 中斷服務程序框圖T0 中斷服務程序是溫度控制系統(tǒng)的主體程序，用于啟動數(shù)/模轉換器、讀入采樣數(shù)據(jù)、數(shù)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(fā)脈沖等。P1.3 引腳上輸出的該同步觸發(fā)脈沖寬度由T1 計數(shù)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 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(qū)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(xiàn)場和返回主程序。3.2.3 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(shù)字濾波子程序、帶符號雙字節(jié)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(qū)中，供顯示子程序調用。www.sfmcu.com www.sfmcu.cn 圖 4　中斷服務程序框圖www.sfmcu.com www.sfmcu.cn 對于一般線性儀表來說，標度轉換公式為：Tx=A0 + (Am-A0) 其中，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(shù)字量； V0 為儀表下限對應的數(shù)字量。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(shù)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(jié)，實現(xiàn)對爐溫的自動控制，也可以采用仿人智能控制（SHIC）算法和 PID 控制算法的聯(lián)合控制方案，實際應用時應靈活運用。5 結束語MCS-51 單片機，體積小，重量輕，抗干擾能力強，對環(huán)境要求不高，價格低廉，可靠性高，靈活性好，即使是非電子計算機專業(yè)人員，通過學習一些專業(yè)基礎知識以后也能依靠自己的技術力量，來開發(fā)所希望的單片機應用系統(tǒng)。本文的溫度控制系統(tǒng)，只是單片機廣泛應用于各行各業(yè)中的一例，相信讀者會依靠自己的聰明才智，使單片機的應用更加廣泛化。