基于熱電偶的單片機溫度控制系統(tǒng)設計..

1、鞍山科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第III頁溫度控制系統(tǒng)摘要本設計是采用熱電偶為溫度檢測元件的單片機溫度控制系統(tǒng)，這個系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成的。硬件電路包括三個部分：溫度檢測及放大電路、鍵盤 /顯示電路、溫度控制電路。工 作過程如下：熱電偶檢測爐內溫度，得到的溫度值經(jīng)過A/D轉換后輸入到8155進行顯示，同時從8155鍵盤輸入系統(tǒng)溫度設定值，將設定值與實際測量值進行比較會得到一 個偏差值，將此偏差值進行PID處理，處理后的控制量送給雙向可控硅。雙向可控硅在 給定周期T內具有不同的導通時間，這是由雙向可控硅控制極上的觸發(fā)脈沖控制的，這個觸發(fā)脈沖是8031的P1.3引腳上產(chǎn)生的，經(jīng)過零同步脈

2、沖同步后經(jīng)光耦管和驅動電路 輸出到可控硅的控制極上，從而改變加熱的時間，達到溫度控制的目的。軟件部分包括主程序、TO中斷服務程序、T1中斷服務程序等。關鍵詞：單片機，溫度控制，硬件，PID算法Temperature Control SystemAbstractThe design is a single chip microcomputer temperature control system adopting the electric thermocouple to measure temperature, this system is made up of hardware and sof

3、tware.The circuit of the hardware in cludes three parts: temperature measure and enl arge circuit keyboard and LED circuit and temperature con trol circuit. The worki ng course is as followi ng: the electric thermocouple measuresthe temperature of the stove, the temperature value is cha nged by A/D

4、con verter, and the n it is in put to 8155 and show n. At the same time the establishi ng value of systematic temperature is in put from 8155 keyboards , it can receive one differe nee accord ing to actual measureme nt value and the establishi ng value, this differe nee value is deal with PID, and t

5、he n give this amount to the two-way silic on con trolled rectifier. The two-way silic on con trolled rectifier has differe nt lead ing time in the give n cycle T, this time is con trolled by polarity s pulse f touch ing of the two-way silic on con trolled rectifier, this pulse of touch ing is provi

6、ded by the P1.3 of 8031, it is synchronous with the zero pulse, and the n in put to con trol polarity of silic on con trolled rectifier through the Photoelectric coupli ng and drive circuit, it can cha nge the time of heati ng, at last this system can achieve the con trol aim.The part of the softwar

7、e is made up of mai n program, T0 cutt ing off service rout ine, and T1 cutt ing off service rout ine and so on.Keywords: sin gle chip computer, temperature con trol, the hardware, PID algorithm目錄摘要IABSTRACT II1緒論11.1選題的背景11.2溫度控制技術的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 11.3國內溫度控制技術的研究成果 21.4課題的研究內容22溫度檢測部分42.1熱電偶簡介42.2熱電偶在本設計中

8、的應用 53數(shù)據(jù)采集部分73.1ADC0809 簡介73.2ADC0809在本設計中的應用 73.3ADC0809轉換程序 84 8155的輸入與顯示部分 104.1 8155 簡介104.28155在本設計中的應用 114.2.1 8155的顯示過程124.2.2 8155的輸入過程145溫度控制部分165.1雙向可控硅簡介165.2溫度控制過程165.3溫度控制的算法 185.3.1 PID控制的原理和特點185.3.2溫度控制的具體算法 196 MAX232 的介紹216.1收發(fā)器的歷史216.2MAX232的工作電路 216.3MAX232的詳細說明226.3.1 雙充電泵電壓變速器

9、226.3.2 RS-232 驅動器226.3.3 RS-232 接收器227軟件設計247.1主程序流程圖 247.2部分程序 24錯誤！未定義書簽3029參考文獻附錄A （夕卜文文獻）31附錄B （中文譯文）37鞍山科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第15頁1緒論1.1選題的背景隨著集成電路技術的發(fā)展，單片微型計算機的功能也不斷增強，許多高性能的新型 機種不斷涌現(xiàn)出來。單片機以其功能強、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu) 點，成為自動化和各個測控領域中廣泛應用的器件， 在工業(yè)生產(chǎn)中成為必不可少的器件， 在日常生活中發(fā)揮的作用也越來越大。在溫度控制系統(tǒng)中，單片機更是起到了不可替代 的核心作

10、用。在工業(yè)生產(chǎn)中如：用于熱處理的加熱爐、用于融化金屬的鉗鍋電阻爐等， 在日常生活中如：熱水器、電熱毯等等，都用到了電阻加熱的原理。隨著生產(chǎn)的發(fā)展， 上述設備對溫度的控制要求越來越高，隨著人們生活水平的提高，對日常用品的自動化 也提出了更高的要求，控制理論的不斷更新?lián)Q代滿足了上述要求，達到了自動控制品質 的目的。1.2溫度控制技術的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢目前我國檢定裝置的溫度控制，已經(jīng)以自動化控制儀表代替人工操作。從溫度控 制方式來看，過去大部分采用單純的兩位控制轉為PID控制，溫度的自動控制已經(jīng)普及化。從溫度控制儀表的性能方面，對溫度控制的現(xiàn)狀談上幾點：1、檢測元件檢測元件對控溫精度起著決定性作用，

11、目前檢測元件本身還存在某些問題，例如熱 電偶用于信號檢測，其熱電勢會隨時間產(chǎn)生漂移。2、溫度設定器的穩(wěn)定性問題設定器的電源必須要穩(wěn)壓。除此之外，對環(huán)境溫度的變化也必須考慮，要使用溫度 系數(shù)特別小的錳銅電阻，要消除機械形變且材料均勻等；另外，設定器最好用恒流電源 供電，以消除接觸熱電勢，并且能使輸出阻抗一定。3、偏差放大器偏差放大器的選擇對溫度控制器的長期穩(wěn)定性和精確性來說是特別重要的，因為一般熱電偶或熱電阻檢測的溫度信號都是很微弱的，因此要有足夠高的增益。設計一個性 能良好的放大器是溫度控制的一個關鍵性問題。4、調節(jié)器調節(jié)器是控溫器的另一個重要部件。精密溫度自動控制一般都采用PID調節(jié)器。用運

12、算放大與阻容反饋回路構成的 PID調節(jié)器，要注意的問題是如何防止積分飽和現(xiàn)象。5、執(zhí)行機構對于電阻爐來說，執(zhí)行機構幾乎都是繼電器，飽和電抗器和可控硅等。檢定裝置的 溫度控制系統(tǒng)大多采用可控硅的 PID控制方式?？煽毓梵w積小，重量輕，適用大功率控 制。綜上所述，只有對溫度控制儀表各部件精心設計，才能獲得一個高水平的、高精 度的控制效果。隨著自動控制技術的發(fā)展，對精度高、可靠性好、結構簡單、堅固耐 用、操作方便、維護容易、成本低廉的各種常用簡易儀表和調節(jié)器的需要也是很迫切 的。因此在選擇檢測元件時，應根據(jù)：精度、響應特性、互換性、線性、連續(xù)測定性、 性能隨時間變化的情況、輸出信號大小、設備運轉設備

13、低廉、結構簡單和易于維修、 耐高、低溫性以及各種氣氛的影響等情況加以選擇 。隨著單片機在各行業(yè)控制系統(tǒng)中的普遍采用，其構成的實時控制系統(tǒng)日臻完善，一定會使溫度控制系統(tǒng)的總體性能大大提高，功能更趨完善。1.3國內溫度控制技術的研究成果隨著科技的不斷發(fā)展，新型的溫度控制系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。其中，李樹華，劉超英和董輝研制的數(shù)字PID自動溫度控制系統(tǒng)，采用8031單片機作為PID控制器，具有可編 程、控制算法可選、體積小、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強等優(yōu)點。該溫度控制系統(tǒng)體積 只有100mM 160m材220mm,控制功率達2Kw,經(jīng)晝夜連續(xù)運行證明，性能穩(wěn)定可靠， 另外，該系統(tǒng)由8031單片機的最小系統(tǒng)所組成，

14、EPROM選用27128,程序存儲器容 量較大，因此，可以擴充多種控制模塊和運算模塊以備選用，同時只需使用不同類型 的傳感器及執(zhí)行部件即可構成不同控制功能的系統(tǒng)（例如：被控量為流量，壓力，液 位等場合），可滿足多種用戶的控制要求。應如艷和杜吉全研制的微機溫度控制系統(tǒng)控 溫原理簡單，簡化了系統(tǒng)的硬件構成和軟件設計，成本較低廉，采用數(shù)字PID控制，調整靈活，通過人機對話，可以實現(xiàn)在線調節(jié)控制方案和參數(shù)，控制平穩(wěn)和準確，質 量較高，可以實現(xiàn)多回路的檢測和控制以及多種物理量的控制。1.4課題的研究內容本文介紹了一種PID爐溫控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用單片機可以方便地實現(xiàn)對PID參數(shù)的選擇與設定，也可以通過計

15、算機與單片機的串行通訊，實現(xiàn)工業(yè)過程中的交互式PID控制。它是用溫度傳感器將檢測到的實際爐溫進行 A/D轉換，送入計算機中，與設 定值進行比較，得出偏差。對此偏差按 PID算法進行修正，求得對應的控制量控制可 控硅驅動器，調節(jié)電爐的加熱功率，從而實現(xiàn)對爐溫的控制。因此采集的爐溫數(shù)據(jù)精 度至關重要。利用8031單片機實現(xiàn)溫度智能控制，能自動完成數(shù)據(jù)采集、處理、緩沖、 轉換、并進行PID實施控制和鍵盤終端處理及顯示，包括各參數(shù)數(shù)值的修正。但在控 制過程中采樣周期不能太短，否則使調節(jié)過于頻繁，不但執(zhí)行機構不能反應，而且計 算機的利用率大為降低。采樣周期太長，也是不合適，因為干擾無法及時消除，使調節(jié)

16、品質下降。本文詳細介紹了該控制系統(tǒng)的軟、硬件實施手段及系統(tǒng)特點。2溫度檢測部分2.1熱電偶簡介熱電偶是熱電偶溫度計的敏感元件，它測溫的基本原理是基于熱電效應。如圖2.1為熱電偶回路。圖2.1熱電偶回路經(jīng)過研究分析表明，熱電偶總電勢與電子密度及兩接點溫度有關，電子密度不僅取決于 熱電偶材料特性，而且隨溫度的變化而變化，它們并非常數(shù)，所以，當熱電偶材料一定 時，熱電偶的總電勢Eab（T,T。）就與熱端溫度T和T0的函數(shù)差有關，即Eab（T, To）F（T） - F（To）（2.1）這就要求冷端溫度to固定，為了保證to固定，使熱電偶與被測溫度間成單值函數(shù)關系， 就要對冷端溫度進行補償，本設計中采用

17、的補償方法為補償電橋法，如圖2.2所示,圖2.3為電橋等效電路：U圖2.2補償電橋圖2.3補償電橋等效電路補償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化。圖中電橋由r i r2 r3 （均為錳銅電阻）和rcu （銅電阻）組成，串聯(lián)在熱電偶電路 中，熱電偶冷端與電橋中rcu處于相同溫度。當冷端TO=OC時， 気=1=2=3=1門，這時 電橋平衡，無電壓輸出，回路中的電勢就是熱電偶產(chǎn)生的電勢，即為E （T, 0）;當T0變化時，rcu也隨之改變；于是電橋兩端 a、b就會輸出一個不平衡的電壓Uab。如適當 選擇RS,可使電橋的輸出電壓Uab = E （TO, 0），從而使

18、回路中的總電勢仍為 E （T，0）， 起到了冷端溫度的自動補償。而圖中的穩(wěn)壓二極管，是為了保證補償電橋兩端有恒定不變的工作電壓，進而保證電橋的正常工作。2.2熱電偶在本設計中的應用本設計中采用的鎳鉻/鎳鋁熱電偶適用于01000r的溫度測量范圍，相應的輸出電 壓為041.32mV。但是整個單片機溫度控制系統(tǒng)需要采用 +5V的工作電壓，所以要保證 系統(tǒng)的工作正常進行，就要將熱電偶的輸出電壓進行放大，其放大電路如圖2.4所示根據(jù)運放的兩個根本特性“虛短” “虛斷”,在選取Rf1 = Rf2=100K,匕=1& Rf =50K, R=1K時，根據(jù)運算RfRf1 +Rf2Uo L（1 蘭）（U2ul）（

19、 2.2）RRw會得到U0的輸出電壓范圍為0+5V,此電壓值傳輸?shù)紸DC08093數(shù)據(jù)采集部分3.1 ADC0809 簡介ADC有兩大類：一類在電子線路中使用，不帶使能控制端；另一類帶有使能控制端,可與微機直接接口。ADC0809由 8位逐模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、256電阻階梯、樹狀開關、逐次逼近式寄存器SAR控制電路和三態(tài)輸出鎖存器等組成。ADC0809 內部有一個8位“三態(tài)輸出鎖存器”可以鎖存 A/D轉換后的數(shù)字量，故它本身既可看作一種輸入設備，也可認為是并行I/O接口芯片。因此，ADC080列以直接和MCS-51接口,也可通過像8255這樣的其他接口芯片連接。大多數(shù)情況下，8

20、031是和ADC08094接相連的。本設計中8031與ADC0809的接口電路如圖3.1所示:圖 3.1 8031 與 ADC0809的接口電路3.2 ADC0809在本設計中的應用ADC080啲START和ALE互連使ADC0809在接收模擬量路數(shù)地址時啟動工作。START 啟動信號由8031的WR和P2.2經(jīng)過或非門產(chǎn)生。START!正脈沖（此時 WR和P2.2線 皆為低電平）啟動ADC0809T作，地址鎖存信號 ALE上正向脈沖使得 A B C上的地址 得到鎖存，經(jīng)過譯碼控制選中IN0路模擬電壓送入比較器。這時 8031是把A、B、C作 為地址線處理的，8031和ADC080技口通常采用

21、查詢和中斷兩種方式， 本設計中采用的 是查詢法傳送數(shù)據(jù)，其中8031應對EOC線查詢它的狀態(tài)：若它為低電平時，表示A/D轉換開始進行，其中正在進行逐次比較，得到模擬信號轉換后的數(shù)字信號，則8031應當繼續(xù)查詢。若查詢到E0（變?yōu)楦唠娖?，則由8031的RD及P2.2通過或非門送給ENABLE 一個高電平，以便從三態(tài)輸出鎖存器的2-1-2-8線上提取A/D轉換后的數(shù)字量。其中ADC0809所需時鐘信號可以由8031的ALE信號提供。8031的ALE信號通常是每個機器 周期出現(xiàn)兩次。故它的頻率是單片機時鐘頻率的1/6，若8031主頻是6MHZ則ALE信號頻率為1MHZ若使ALE上的信號經(jīng)觸發(fā)器二分頻

22、接到 ADC0809勺CLOCK俞出端，貝U 可獲得500KHZ勺A/D轉換脈沖o ADC080啲IN0和運放輸出端相連，故IN0上輸入的0 +5V范圍的模擬電壓經(jīng)A/D轉換后可由8031通過程序從PO口輸入到它的內部RAM單元。在P2.2=0且 WR=0時，8031可使ALE和START變?yōu)楦唠娖?，從而啟?ADC0809T作；在P2.2=0 且RD =0時，8031可以從ADC0809接收A/D轉換后的數(shù)字量。這就是說，ADC080列以視為8031的一個外部單元，地址為03F8H因此，8031執(zhí)行如下程序可以 啟動ADC0809T作：MOV DPTR #03F8HMOVX DPTFA若80

23、31改為執(zhí)行：MOV DPTR #03F8HMOVX A DPTP則可以從ADC0809俞入A/D轉換后的數(shù)字量。ADC0809勺CLK由8031的ALK上的信號經(jīng)過2分頻后提供，EOC經(jīng)反相器用作8031的 麗 中斷請求輸入線，要求CPU從 P0 口提取A/D轉換后的數(shù)字量3 o3.3 ADC0809轉換程序 主程序ORG0A00HMOVR1,#30H ;輸入數(shù)據(jù)區(qū)始址送R1MOVR4 ， #8;模擬量總路數(shù)送R4MOVR2，#00HIN0地址送R2SETBEA ;開CPU中斷SETB EX1 ;允許INT1中斷SETBIT1 ；令INT1為邊沿觸發(fā)MOVR0，#0F0H送端口地址F0H到R

24、0MOVA，R2；IN0地址送AMOVXR0 A ；送IN0地址并啟A/DSJMP$ ；等待中斷或其他 中斷服務程序ORG 0013HAJMP CINT17轉中斷服務程序ORG 0100HCINT1: MOVR0， #0F0H端口地址送R0MOVX A，R0輸入數(shù)字量送AMOV R1，A；存入輸入數(shù)據(jù)區(qū)END；中斷返回4 8155的輸入與顯示部分4.1 8155 簡介TTTITNRCKrTIn tel 8155是一種對多功能的可編程常用外圍接口芯片， 它具有三個可編程I/O端口, 一個可編程14位定時計數(shù)器和256字節(jié)的RAM，能方便地進行I/O擴展和RAM擴展, 芯片采用40線雙列直插式封裝

25、引腳配置如圖 4.1所示252廠5U I 1 7 d I 于 為兩陽珈陽悶州球P3旳陽P3舊斑跆raftKpcpcFC玩圖4. 18155引腳圖芯片引腳功能說明如下：RESET：復位輸入信號。CE : 8155片選信號，低電平有效。RD :讀選通信號，低電平有效。WR :寫選通信號，低電平有效。IO/M : RAM 及 IO 選擇。當IO/M =0，CE=0時，單片機選擇8155的RAM讀寫，AD0AD7上地址為8155 的RAM單元地址。當IO/M =1，CE=0時，單片機選擇8155的IO讀寫，AD0AD7上地址為8155的I/O 口地址。ALE :地址鎖存信號線。8155片內有地址鎖存器

26、，ALE信號的下降沿將AD0AD7上 的地址信息以及CE，IO/M的狀態(tài)鎖存在8155內部寄存器AD0AD7 :三態(tài)地址/數(shù)據(jù)復用線。因8155片內有地址鎖存器，AD0AD7應直接 與8031的P0 口相連。PA0PA7:端口 A，I/O 線。PB0PB7:端口 B，I/O 線。PC0PC5:端口 B，I/O 線。TIMERIN :定時計數(shù)器的輸入端。TIMEROUT :定時計數(shù)器的輸出端。4.2 8155在本設計中的應用ADC0809把轉換結束的數(shù)字量傳送到 8155。這時8155向CPU發(fā)出中斷請求，請求 接收數(shù)據(jù)，CPU選中8155的CE，當CE=0時，CPL允許8155工作。通過控制1

27、0/M端 口，使得該端口為零，則 CPU選中8155的RAMT作，其中RAM容量為256個字節(jié)，主 要用于存放實時數(shù)據(jù)，存儲器存儲單元地址由地址鎖存器輸出端送來。8155開啟后，由管腳RD和WR來確定8155的讀和寫，其中RD為8155讀命令輸入線，WR為寫命令線， 當RD =0且WR=1時，8155處于讀出數(shù)據(jù)狀態(tài)；相反，8155處于寫入數(shù)據(jù)狀態(tài)。這樣8位數(shù)據(jù)就被寫入8155。本設計中8155與8031的接口電路如圖4.2所示21393?3635343332313C29加箔24器2221PC5RESETPC4PC3PC2TNKINdPCIPCOTMROUTPB7PB6PB5ALEPB4IOj

28、MPBSWRPB2RDPB1CEPBOPA7AD7PMAMPASAD5PA4AD4PA3ADJAI2PAIADIPJUDADOU+41110611918n16圖4.2 8155 與8031接口電路ALEMO _WKMlTo)F04pooRD4.2.1 8155的顯示過程其具體工作過程為：1、當ADC0809俞入數(shù)據(jù)并把它送到 A 口時,ADC0809還向8155的ASTB線上發(fā)送一 個低電平選通信號。2、 8155收到ASTB上的負脈沖信號后做兩件事情：一是從PA7-PA0上把輸入的數(shù) 據(jù)鎖存到A 口鎖存器；二是通過 A 口緩沖器觸發(fā)Qbf的置位使A 口緩沖器滿輸出線ABF 變?yōu)楦唠娖?，以便?/p>

29、知 ADC0809 8155已從A 口收到了它的輸入數(shù)據(jù)。3、8155在ASTB上升沿檢測到Qbf和A 口中斷允許觸發(fā)器 Qa都為1狀態(tài)時，使A INTR 中斷輸出線變?yōu)楦唠娖?，從而?CPU青求中斷。4、CPU響應中斷后進入相應中斷程序。當執(zhí)行到從A 口鎖存器讀取輸入數(shù)據(jù)時，RD 上升沿一方面撤消A INTR線上的中斷請求（A INTR變?yōu)榈碗娖剑硪环矫媸筈bf觸發(fā) 器復位，從而使ABF輸出線變?yōu)榈碗娖剑ㄖ?ADC080列以輸入下一個數(shù)據(jù)。當8031的引腳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選中片內三個I/O端口。相應

30、地址分配為：0000FH00FFH 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接收到ADC080S傳來的數(shù)據(jù)后，要通過其外設LED來顯示。其中LED有七段和 八段之分，也有共陰和共陽兩種。LED數(shù)碼顯示原理如下：圖4.3示出了八段LED數(shù)碼顯示管的結構和原理圖：鞍山科技大學本科生畢業(yè)設計(論文)第13頁共陰LED結構(b)共陰LED共陽LED(c)圖4.3八段LED數(shù)碼顯示管原理和結構圖4.3(a)為八段共陰數(shù)碼顯示管結構圖，圖 4.3(b)為它的原理圖，圖4.3(c)為八 段共陽L

31、ED顯示管原理圖。八段LED顯示管由八只發(fā)光二極管構成，編號是a、b、c、d、 e、f、g和SP分別與同名管腳相連。七段LED顯示管比八段LED顯示管少一只發(fā)光二極 管SP,其他與八段LED相同。八段LED數(shù)碼顯示管原理很簡單，是通過同名管腳上所加電平的高低來控制發(fā)光二 極管是否點亮從而顯示不同字型的。圖4.3(b)中，所有發(fā)光二極管陰極共連后接到引腳 G, G腳為控制端，用來控制LED是否點亮。若G腳接地、則LED被點亮；若G腳接TTL 高電平，則它被熄滅。圖4.3(c)為共陽八段LED數(shù)碼顯示管原理圖。圖中，所有發(fā)光二 極管陽極共連后接到G腳。正常顯示時G腳接+5V,各發(fā)光二極管取決于a至

32、SP各引腳 上是否是低點平0V。單片機控制系統(tǒng)在顯示時通常采用動態(tài)掃描方式顯示。動態(tài)顯示采用軟件法把預顯示的十六進制數(shù)(或BCD碼)轉換為相應字形碼，故它通常需要在RAM區(qū)建立一個顯示緩沖區(qū)。顯示緩沖區(qū)內包含的存儲單元個數(shù)常和系統(tǒng)中LED顯示器的個數(shù)相等。顯示緩沖區(qū)的起始地址很重要，它決定了顯示緩沖區(qū)在RAM中的位置。顯示緩沖區(qū)中的每個存儲單元用于存放相應 LED顯示管欲顯示字符的字形碼地址偏 移量，故CPU可以根據(jù)這個地址偏移量通過查字形碼表找出需顯示字符的字形碼，以便 送到字形口顯示。本設計采用的是八段LED共陽極顯示，其驅動電路如圖4.4所示鞍山科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第19頁圖4

33、.4 LED驅動電路4.2.2 8155的輸入過程本系統(tǒng)是通過測量實際溫度與給定溫度之間的差值來實現(xiàn)溫度控制的，所以只知道被測溫度是不夠的，需要通過鍵盤向系統(tǒng)輸入一個設定值，這就考慮8155的外設鍵盤輸入。本設計系統(tǒng)中采用的是行列式非編碼鍵盤輸入。行列式非編碼鍵盤是一種所有按 鍵排列成行列矩陣的鍵盤。在這種鍵盤中，每根行線和列線的交叉處都接有一個按鍵， 當某個按鍵被按下時，與這個按鍵相連的行線和列線都會接通， 否則是斷開狀態(tài)。因此, 一個M*N的行列式非編碼鍵盤只需 M條行線和N條列線共占用M+N條單片機的I/O端口 線。設計中應用的是A 口和C口的低四位端口共十二位。下面對行列式非編碼鍵盤的

34、工 作原理和鍵盤識別程序進行介紹。 監(jiān)視鍵盤的方法：采用非編碼鍵盤，CPU必須對所有 按鍵進行監(jiān)視。一旦發(fā)現(xiàn)有鍵按下，CPU應通過程序加以識別，并轉入相應鍵的處理程序，實現(xiàn)該鍵功能。1、鍵值表CPU掃描鍵盤可以通過程序讀取被按鍵的行首鍵號和列值，并求出被控 鍵的鍵號，然后，再查鍵值表即可知道什么鍵被按下。2、判斷是否有鍵按下 CPU只要把全零送到8155的PA7-PA0就可以在所有列線 R7-R0上得到TTL低電平，然后讀取PC3-PC（上的行值就可以判斷是否有鍵按下。若無 鍵按下，則所讀值必為0FH若有鍵按下，則行值必因被按按鍵的行、列線接通不等于 OFH3、被按鍵行首鍵號和列值的讀取 若C

35、PL發(fā)現(xiàn)有鍵按下，則獲取被按鍵的行首鍵號和列值。CPU獲取被按鍵的行首鍵號和列值只需逐列對鍵盤的掃描（即輪流的使8155的A 口中每條列線變?yōu)榈碗娖剑┮宰x取和判斷 PC3-PC0H的行值即可。若行值為0FH 則表明被按鍵不在本列；若行值不為 OFH則判斷處于零狀態(tài)的行即可獲得行首鍵號， 以及判斷處于零狀態(tài)的列（設置一個列值計數(shù)器 R0,并在列掃描前清零）即可得到列值。4、求鍵值 由于鍵盤上所有按鍵的鍵值都存放在鍵值表中，因此預求被按鍵的鍵值 必須先求出被按鍵鍵值在鍵值表中的地址偏移量。求取公式為：被按鍵的鍵號=亍首鍵號+列值CPU求得被按鍵的鍵號N后，就可以利用查表指令求得被按鍵的鍵值了。本設

36、計中鍵盤的接口電路如圖 4.5所示S e 3T.圖4.5鍵盤接口圖5溫度控制部分5.1雙向可控硅簡介雙向可控硅元件，又稱雙向晶閘管，它是可控硅的主要派生元件之一?？煽毓枋且?種直流電力元件，在用于交流電力控制時，需要用一對反并聯(lián)的可控硅。如果在交流電 路中用雙向可控硅元件代替一組反串聯(lián)的可控硅，便可以簡化線路，減小裝置的體積和 重量，節(jié)省投資。雙向可控硅元件是五層三端的硅半導體閘流元件，它有三個引出端，即T1、T2和GT1和T2是主端，G是門極端（控制極）。門極G和T2是從兀件的同一側引出的，兀件 的另一側只有一個引出端，即 T1。雙向可控硅元件的表示符號如圖 5.1所示圖5.1雙向可控制硅示

37、意圖欲使雙向可控硅元件中通過交流電流，必須在半個電流周期對元件進行一次觸發(fā)； 只有在元件中通過的電流大于擎住電流后，才能在去掉觸發(fā)脈沖后維持元件繼續(xù)導通； 只有當元件中通過的電流下降到維持電流以下時，元件才能關斷，并恢復阻斷能力；元 件過零關斷后，必須再次進行觸發(fā)才能重新導通。5.2溫度控制過程當把設定溫度值和實際測量溫度輸入到8031時，經(jīng)過計算一定會存在一個差值，這個差值經(jīng)過PID控制算法對可控硅調功率電路實現(xiàn)的，雙向可控硅管和加熱絲串接在交流220V、50Hz交流市電回路中?？煽毓杞油〞r間可以通過可控硅控制極上的觸發(fā)脈 沖控制。該觸發(fā)脈沖由8031用軟件P1.3引腳上產(chǎn)生，經(jīng)過零同步脈沖

38、同步后經(jīng)光耦管 和驅動器輸出送到可控硅的控制極上。其中過零觸發(fā)電路電路如圖5.2所示,溫度控制電路如圖5.3所示圖5.2過零觸發(fā)電路圖5.3溫度控制電路過零同步脈沖是一種50Hz交流電壓過零時刻的脈沖，可使可控硅在交流電壓正弦波過零點時觸發(fā)通導。如圖5.4所示圖5.4過零觸發(fā)脈沖過零同步脈沖由過零觸發(fā)產(chǎn)生，電壓比較器LM311用于把50Hz正弦交流電壓變成方波。方波的正邊沿和負邊沿分別作為兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入觸發(fā)信號，方波的正負 邊沿在每個周期內都有兩次過零機會，且 74LS123是雙向單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，根據(jù)其過零觸 發(fā)的特性，即每次遇到零點都會產(chǎn)生一個觸發(fā)脈沖，其輸出脈沖頻率將是交流電壓輸出

39、頻率的二倍，從而使得工作頻率從 50HZ變成100HZ從而得到對應于交流220V市電的 過零同步脈沖。此脈沖一方面作為可控硅的觸發(fā)同步脈沖加到溫度控制電路，另一方面 還作為計數(shù)脈沖加到8031的T0和T1端。當從P1.3輸出的觸發(fā)脈沖和從74LS123輸出的觸發(fā)脈沖經(jīng)過與門加到光電偶上， 在給定周期T內，8031只要改變可控硅管的接通時間便可改變加熱絲功率，以達到調節(jié)溫度的目的。其中在給定的周期內，其高低電平的占空比是通過PID算法所得值的范圍與給定范圍值的對照得到的。占空比越大加熱時間越長，反之，加熱時間越短，從而達 到控制爐溫的目的。5.3溫度控制的算法5.3.1 PID控制的原理和特點在

40、工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID控制，又稱PID調節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、 穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和 參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系 統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng) 參數(shù)時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就 是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制

41、量進行控制的1、比例（P）控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。 當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state erro）。2、積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制 系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差 系統(tǒng)（System with Steady-stateError）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入積分項”積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便 誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使

42、穩(wěn)態(tài)誤差進 一步減小，直到等于零。因此，比例 +積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn) 態(tài)誤差。3、微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關 系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于 存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是 落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠 的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是微分項”它能預測誤差變化的趨勢，這

43、樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于 零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象， 比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性 。5.3.2溫度控制的具體算法通常，電阻爐爐溫控制采用偏差控制法。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，從而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。控制論告訴我們，PID控制的理想微分方程為:鞍山科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第23頁(5.1)1 tde(t)u(t)二kje(t) e(t)dtT idt式(6.1)中，e(t)=r(t)-y(t

44、)稱為偏差值，可作為溫度調節(jié)器的輸入信號，其中r(t)為給定值，y(t)為測量值；kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)；u(t)為調 節(jié)器的輸出控制電壓信號。但計算機只能處理數(shù)字信號，故上述數(shù)學方程必須加以變換。若設溫度的采樣周期為T，第n次采樣得到的輸入偏差為en，調節(jié)器輸出為q，則有: 用差分代替微分:(5.2)de(t) en - en jdt用求和代替積分:t0etdtn八ek Tk=0(5.3)這樣，式(6. 1)便可改寫為:(5.4)Un =kp |enek T +Td nTi k=ST寫成遞推形式為:en 4.匚也TiT廣1 nd(01 2en 4 + en _

45、2 )* en4 * J ek，T + TdITi心en -1 _ en -2TUn 4TTkp en -en4 丁編 e2en4 e-TiT(5.5)改寫成:u(n) =u(n -1) kpE(n) -E(n -1) KI E(n) KDE(n) -2E(n -1) E(n -2)=u( n-1)+ Pp+P+P(5.6)6 MAX232的介紹6.1收發(fā)器的歷史早期的RS-232接口功率消耗很大。大約20年前，一系列接口都用具有4個發(fā)送器 的MC1488以及4個接受器的MC1489MC1488/MC148消耗功率超過700mW當發(fā)送數(shù)據(jù) 的時候，由于驅動電流以及電纜充電的影響，消耗功率達到

46、1W以前，發(fā)送器的一個很 大的缺點是需要土 12V對稱的電壓供電。接收器工作在單一 +5V,這樣一個RS-232端口 需要3個供電電壓。對于臺式電腦來說，它的兩個 COM接口通常采用標準的SN75185攵 發(fā)器。它有3個發(fā)送器和5個接受器。即使是在不用的時候，功率消耗也有 1.2W。RS-232標準的電壓輸出是這樣規(guī)定的：在 TTL 一邊發(fā)送邏輯高電平，在 RS-232發(fā) 送器產(chǎn)生一個小于或是等于-5V的電壓：在TTL一邊發(fā)送邏輯低電平，在RS-232發(fā)送器 產(chǎn)生一個大于或是等于+5V的電壓。接收器的閾值規(guī)定為土 3V,增加了通過長電纜傳輸 數(shù)據(jù)的抗干擾能力。如果輸出電壓達到最少5V，那么RS

47、-232接口就符合標準規(guī)定。對于在輸出端有很 小的電壓下降的發(fā)送器來說，5V電壓就夠了。另一方面， 2V能增加數(shù)據(jù)在工業(yè)環(huán) 境中傳輸?shù)目垢蓴_能力。6.2 MAX232的工作電路C2+1(JVTO-10VC2- VOLTAGE INvERCU +5V T0+1WCl- V0L1AGE DOUELfFd=02TTL1CM0SINPUTSFFLCMOS OUTPUTS,5V INPUT v16圖6.1 MAX232工作電路F?S-232 OUTPUTSRS235INPLTL6.3 MAX232的詳細說明6.3.1雙充電泵電壓變速器雙充電泵電壓變速器的設計基本思想是在內部集成充電泵。第一個充電泵變壓器

48、由片內開關和電容器C1和C3組成。通過在C3充上5V電壓，將C3上電壓加上VCC得至U V+輸出。第二個充電泵包括開關和電容器 C2和C4,電容器C2把+10V在C4上反向為-10V, 加到輸出端。實際上，由于電阻以及開關的損失，使MAX232的輸出擺動為大約土 8V。+10V和-10V兩個輸出端可以輸出少量的電流供給外部電路。V+和V-未經(jīng)穩(wěn)定，當負載電流增加時輸出電壓將會降低。當V+和V-輸出電流加到外部電路時，不應使V+和V-的負載過大以至驅動器的輸出電壓擺幅小于EIA/TIA-232E規(guī)定的最小值5。6.3.2 RS-232 驅動器當負載為額定輸入電阻5k的RS-232接收器，電源電壓

49、VCC=+5V時，驅動器輸出 電壓擺幅的典型值為土 8V。這個輸出擺幅保證滿足 EIA/TIA-232E和V.28的技術規(guī)格。 EIA/TIA-232E和V.28規(guī)定驅動器在最惡劣的條件下最小輸出為土 5V電壓。這些條件包 括一個最小的3k負載，VCC=+4.5V以及最高的工作溫度。無負載時驅動器輸出電壓擺 幅從 V(+)=-1.3V 至 V(-)=+0.5V。輸入門限是與TTL和CMO兩者兼容的。未使用的驅動器輸入端可以不連續(xù)，因為 在芯片內，輸入端由400k。上拉電阻接到VCC由于所有的驅動器是反相的，上拉電阻 迫使未使用的驅動器輸出端為低。輸入端上拉電阻電流的典型值為12uAo輸出端允許

50、被 驅動到土 15Vo三態(tài)方式是指驅動器被禁止，輸出端處于高阻狀態(tài)。驅動器輸出端的轉 換速率被限制在小于30V/us,以滿足EIA/TIA-232E和V.28技術規(guī)格的要求。6.3.3 RS-232 接收器EIA/TIA-232E和V.28的技術規(guī)格規(guī)定大于3V電壓時為邏輯0,因此所有接收器是 反相的。輸入門限被設置為0.8V和2.4V，所以接收器適應了 TTL電平輸入及EIA/TIA-232和V.28技術規(guī)格規(guī)定的電平。接收器輸入端可承受最高為土 25V的輸入電壓，并提供典型值為 5k的輸入電阻。 接收器執(zhí)行V.28和EIA/TIA-232規(guī)定的故障條件的第一類解釋。接收器輸入端遲滯的典型值

51、為0.5V，最小保證為0.2V。這為消除輸出躍變提供條件，即使是在有適當數(shù)量干擾和瞬時擾動的慢上升和下降的輸入信號的情況下也是如此。接收器傳輸延遲的典型值為 600ns,并且與輸入信號的擺動方向無關。鞍山科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第39頁7軟件設計7.1主程序流程圖圖7.2主程序流程圖7.2部分程序ORG 0400HDISM0DATA78HDISM1DATA79HDISM2DATA7AHDISM3DATA7BHDISM4DATA7CHDISM5 DATA 7DHMOVSPCLR AMOV2FHMOV30HMOV3BHMOV3CHMOV3DHMOV3EHMOV44HMOVDISM0MOVDI

52、SM1MOVDISM2MOVDISM3MOVDISM4MOVDISM5MOVTMODMOVTL0MOVTH0CLRPT0SETBTR0SETBET0SETBEALOOP : ACALLDISPLYACALLSCANAJMPLOOP,#50H，A；清暫存單元，A，A，A，A，A，A，A；清顯示緩沖區(qū)，A，A，A，A，A，#56H;設TO、T1為計數(shù)器方式2、1，#06H，#06H；令T0為低中斷優(yōu)先級調用顯示程序 調用掃描程序 等待中斷T0中斷服務程序ORG000BHAJMPCT0ORG 0100HCT0 : PUSHACC ；保護現(xiàn)場PUSHDPLPUSHDPHSETBD5H；置標志ACALL

53、SAMP；調用采樣子程序ACALLFILTER；調用數(shù)字濾波程序POPPOPDPHDPLACCPOPRETINM :SETBP1.3;令P1.3輸出高電平脈沖MOVTL1，AMOVTH1， #0FFHSETBPT1；T1高優(yōu)先級中斷SETBTR1SETBET1ACALLTRASTLOOP：ACALLDISPLY ；顯示溫度JBD5H，LOOPPOPDPHPOPDPLPOPACCRETIPOPDPH；恢復現(xiàn)場POPDPLPOPACCRETIT1中斷子程序ORG001BHAJMPCT1ORG0200HCT1: CLRD5H ;CLRP1.3RETI清標志結論我所做的畢業(yè)設計是利用單片機來實現(xiàn)溫度控

54、制。通過設計電路，參考相關的書籍,我對溫度控制系統(tǒng)有了全新的認識，掌握了8155、ADC0809雙向可控硅等電子器件的工作原理及應用，明白了什么是 PID算法，對單片機原理及其接口技術也有了進一步的 了解。通過軟件編程，我的匯編語言編程的能力也有了進一步的提高。在對軟件進行調試的過程中，當出現(xiàn)與自己的設計意愿不符的情況時，利用機器中 的單步執(zhí)行查找原因，提高了自己解決問題的能力。在整個設計過程中，由于粗心和不 熟練出現(xiàn)了許多錯誤，后經(jīng)老師指點和同學的幫助，得到了令人滿意的結果。致謝本人在畢業(yè)設計工作期間的工作自始至終都是在曲強老師認真、詳細、具體、耐心 的指導下進行的。曲強老師學識淵博、思維敏銳、作風嚴謹，我從中學到了做人和做學 問的很多道理，使我受益匪淺，終生難忘。感謝資料室各位老師的關心和幫助。感謝實驗室老師，在設計過程中所給予的幫助。感謝我的同學和朋友們對我的關心和