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1、 題目:溫度控制器的設(shè)計(jì)機(jī)電工程學(xué)院李小草 摘 要本文設(shè)計(jì)了一個(gè)溫度自動(dòng)控制器。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)(8031)為控制核心,外加硬件電路,將溫度顯示和數(shù)字控制集和于一體,實(shí)現(xiàn)智能溫度控制。并采用軟件程序?qū)崿F(xiàn)升溫的調(diào)節(jié),能對(duì)加熱爐的升溫速度和保溫時(shí)間嚴(yán)格控制。單片機(jī)控制系統(tǒng)由微處理器和工業(yè)生產(chǎn)對(duì)象兩大部分組成。本文是通過(guò)熱敏電阻和單片機(jī)等,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工程上一些系統(tǒng)的溫度進(jìn)行范圍控制的過(guò)程。關(guān)鍵詞:測(cè)溫;PID算法;單片機(jī);溫度控制器目 錄摘 要.IABSTRACT.II第1章 前 言.1 1.1 概述.2 1.2 課題分析.2 1.3 設(shè)計(jì)思路.2第2章 系統(tǒng)的基本組成及工作原理.3 2.1 系統(tǒng)的基本
2、組成.3 2.2 系統(tǒng)的基本工作原理.3第3章 測(cè)溫電路的選擇及設(shè)計(jì).5 31 熱電偶測(cè)溫電路.53.1.1 熱電偶.53.1.2 毫伏變送器.6 3. 2 熱敏電阻測(cè)溫電路.63.2.1 熱敏電阻.63.2.2 關(guān)于鉑電阻的特性.73.2.3 溫度測(cè)量電路.7第4章 芯片組的電路設(shè)計(jì).8 41 ADC0809與8031接口硬件電路設(shè)計(jì).8 42 8155與8031接口硬件電路設(shè)計(jì).9 4.2.1 8155芯片的結(jié)構(gòu).9 4.2.2 8155與8031接口電路.9 43 2732EPROM的工作原理及硬件接口設(shè)計(jì).11第5章 掉電保護(hù)功能電路.14第6章 溫度控制電路.15 6. 1 溫度控制
3、電路.15 62 控制規(guī)律的選擇.16第7章 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì).18 71 系統(tǒng)控制主程序.18 72 中斷服務(wù)程序.20 73 采樣程序及其流程圖.24 74 數(shù)字濾波子程序及其流程圖.25總 結(jié).27致 謝.28參考文獻(xiàn).29附 錄.30第1章 前 言1.1概述現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集控制(即溫度控制器技術(shù))、信息傳輸(通信技術(shù))和信息處理(計(jì)算機(jī)技術(shù))。溫度控制器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品,尤其是溫度控制器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域,數(shù)量日漸上升。溫度控制器是基于單片機(jī)開(kāi)發(fā)的溫度控制裝置。其主要功能是,根據(jù)用戶設(shè)定溫度與實(shí)際溫度的差值來(lái)控制加熱器等執(zhí)行機(jī)構(gòu),從而改變溫
4、度至用戶所需。近些年來(lái),因?yàn)闇囟瓤刂破鳝h(huán)節(jié)已經(jīng)被納入為分布式控制系統(tǒng)(DCS),個(gè)人電腦(PC)和可編程邏輯控制器(PLC),全球工業(yè)電子溫度控制器市場(chǎng)增長(zhǎng)緩慢。隨著我國(guó)電子溫度控制器市場(chǎng)的迅猛發(fā)展,與之相關(guān)的核心生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用與研發(fā)必將成為業(yè)內(nèi)企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。了解國(guó)內(nèi)外電子溫度控制器生產(chǎn)核心技術(shù)的研發(fā)動(dòng)向、工藝設(shè)備、技術(shù)應(yīng)用及趨勢(shì)對(duì)于企業(yè)提升產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格,提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力十分關(guān)鍵。目前主要有模擬、集成機(jī)械式溫度控制器和智能電子式溫度控制器兩大系列。且國(guó)際上新型溫度控制器正從模擬式向數(shù)字式、電子式;從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。在當(dāng)今電子信息時(shí)代,電子自動(dòng)化、信息采集控制在任何行業(yè)都是不可逆
5、轉(zhuǎn)的潮流。溫度控制器發(fā)展初期是機(jī)械式溫度控制器,這類(lèi)溫度控制器采用雙金屬片或充氣膜盒感測(cè)室內(nèi)溫度,使用波段開(kāi)關(guān)直接調(diào)整風(fēng)速。雙金屬片溫度控制器現(xiàn)基本已淘汰,只使用在一些要求不高較低檔場(chǎng)合;充氣膜盒溫度控制器當(dāng)前較流行,但總體來(lái)講機(jī)械式溫度控制器缺點(diǎn)十分明顯:1.機(jī)械式溫度控制器外觀陳舊呆板;2.機(jī)械式溫度控制器控溫精度差;3.容易打火(直接切換強(qiáng)電);4.極易在一個(gè)極小溫差范圍內(nèi)頻繁開(kāi)關(guān)水閥(風(fēng)閥);5.功能比較單一。鑒于這些,智能電子式溫度控制器全面取代機(jī)械式溫度控制器將是不可逆轉(zhuǎn)的潮流。本文將介紹一款以單片機(jī)為核心,具有智能、可編程、環(huán)保和節(jié)能等特點(diǎn)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的溫度控制器
6、是已單片機(jī)為核心的。單片微型機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī),它是在一片芯片上集成了中央處理部件,存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和各種輸入輸出設(shè)備等接口部件。單片機(jī)是微機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要的分支,自問(wèn)世以來(lái),性能不斷地改善和提高,加之單片機(jī)具有集成度高、功能強(qiáng)、速度快、體積小、功耗小、使用方便、性能可靠、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),故在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集和處理、通信系統(tǒng)、家用電器等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。國(guó)內(nèi)雖然起步較晚,但單片機(jī)的潛力越來(lái)越被人們所重視,尤其在工業(yè)控制、自動(dòng)化儀器儀表、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口、智能化外設(shè)等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展很快。它的應(yīng)用對(duì)于產(chǎn)品升級(jí)換代、機(jī)電一體化都具有重要的意義。在工業(yè)生產(chǎn)中,電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開(kāi)關(guān)量
7、都是常用的主要被控參數(shù)。其中,溫度控制也越來(lái)越重要。在工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域中,人們都需要對(duì)各類(lèi)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。采用單片機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行控制不僅具有控制方便、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),從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。1.2課題分析單片機(jī)控制系統(tǒng)由微機(jī)和工業(yè)生產(chǎn)對(duì)象兩大部分組成,其中包括硬件電路和軟件程序,整個(gè)控制系統(tǒng)是通過(guò)接口將計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過(guò)程聯(lián)系起來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)處理和控制。本文介紹了MCS51單片機(jī)對(duì)溫度控制系統(tǒng)硬件接口和軟件設(shè)計(jì)的基本思想。包括單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展,輸入/輸出接口擴(kuò)
8、展和溫度控制電路的接口。1.3設(shè)計(jì)思路首先,收集大量相關(guān)資料,參考多種溫度控制器方案并確定出自己將要設(shè)計(jì)的方案;(根據(jù)系統(tǒng)具體指標(biāo)要求,可以對(duì)每一個(gè)具體部分進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。此外,整個(gè)控制系統(tǒng)可分為硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)兩大部分??煞謩e對(duì)它們進(jìn)行分析設(shè)計(jì))再對(duì)自己打算設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行仿真調(diào)試;當(dāng)仿真調(diào)試得到理想效果時(shí),再將設(shè)計(jì)好的原理電路制成PCB板;隨后清點(diǎn)需要的元器件,并購(gòu)買(mǎi);最后,按照自己設(shè)計(jì)的電路完成實(shí)物并調(diào)試。 第2章 系統(tǒng)的基本組成及工作原理2.1系統(tǒng)的基本組成在工業(yè)生產(chǎn)中,電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開(kāi)關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。其中,溫度控制也越來(lái)越重要。在工業(yè)生產(chǎn)的很多
9、領(lǐng)域中,人們都需要對(duì)各類(lèi)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。采用單片機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行控制不僅具有控制方便、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),從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。本系統(tǒng)是由核心處理模塊、溫度采集模塊、鍵盤(pán)顯示模塊、及控制執(zhí)行模塊等組成。方案一: 采用AT89S51作為電路的控制核心,使用12位的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574A進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,控制電路部分采用PWM控制可控硅的通斷以實(shí)行對(duì)溫度的連續(xù)控制,此方案精度相對(duì)較高,但價(jià)格昂貴。如用于本設(shè)計(jì),顯得浪費(fèi)資源。方案二: 采用8031作為控制核心,以使用最為普遍的器件ADC
10、0809作模數(shù)轉(zhuǎn)換,控制上使用對(duì)電阻絲加電使其升溫。此方案簡(jiǎn)易可行,器件的價(jià)格便宜,且應(yīng)用簡(jiǎn)單。對(duì)本次設(shè)計(jì)而言,相對(duì)適宜。綜上分析,針對(duì)此次設(shè)計(jì),我們采用方案二即可:整個(gè)系統(tǒng)由8031單片機(jī)、8155外圍接口芯片,以及2732EPROM可擦除程序存儲(chǔ)器、ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器、溫度檢測(cè)元件和溫度控制電路組成。82.2系統(tǒng)的基本工作原理控制系統(tǒng)工作如下:材料溫度由熱電阻測(cè)量,信號(hào)放大通過(guò)放大器,毫伏信號(hào)放大后由A/D轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量,再通過(guò)光電耦合器,進(jìn)入主機(jī)電路。由主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,判斷分析,再輸出數(shù)字控制量,去控制加熱功率,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。同時(shí),超過(guò)上下限時(shí)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警,控制中自動(dòng)
11、顯示溫度值。進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)考慮如下問(wèn)題:具有掉電保護(hù)功能;具有超偏報(bào)警功能,超偏時(shí),發(fā)光管以閃光形勢(shì)報(bào)警;輸入輸出通道和主機(jī)都用光電耦合器進(jìn)行隔離,使儀器具有較強(qiáng)的抗干擾能力;采用六位LED顯示;溫度控制范圍涉及測(cè)溫元件、電爐功率的選擇;控制精度、超調(diào)量等指標(biāo),涉及到A/D轉(zhuǎn)換精度、控制規(guī)律選擇等。系統(tǒng)原理框圖如下所示:掉電保護(hù)供電系統(tǒng)溫度測(cè)量電路溫度控制中心(芯片組)溫度控制電路(可控硅)溫度顯示數(shù)模轉(zhuǎn)換過(guò)溫報(bào)警圖2.1系統(tǒng)原理框圖本設(shè)計(jì)溫度控制器以單片機(jī)芯片組為控制中心,由掉電保護(hù)供電系統(tǒng)對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行供電。溫度測(cè)試電路將溫度信息轉(zhuǎn)換為模電信息,經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),然后再傳到
12、溫度控制中心(芯片組)進(jìn)行分析處理。在芯片組的處理下,控制溫度控制電路的工作,控制顯示當(dāng)前溫度及過(guò)溫報(bào)警。溫度控制電路工作以改變溫度,從而達(dá)到控溫目的。 第3章 測(cè)溫電路的選擇及設(shè)計(jì)3.1 熱電偶測(cè)溫電路3.1.1熱電偶熱電偶是將溫度量轉(zhuǎn)換成電勢(shì)大小的熱電傳感器,它被廣泛用來(lái)測(cè)量1001300范圍內(nèi)的溫度,它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便,精度高,熱慣性小,可測(cè)局部溫度,集中檢測(cè),自動(dòng)記錄等特點(diǎn)。2 圖3.1熱電效應(yīng)如圖,將兩種不同材料導(dǎo)體A、B兩端接在一起,一端溫度為,另一端為T(mén)(T),這時(shí)在這個(gè)回路中將產(chǎn)生一個(gè)與溫度、T以及導(dǎo)體料性質(zhì)有關(guān)的電勢(shì)(T、),這樣構(gòu)成的熱電變換元件稱為熱電偶,可用來(lái)測(cè)量
13、溫度,這種熱電效應(yīng)產(chǎn)生的電勢(shì)(T、)是由珀?duì)柼?yīng)和湯姆遜效應(yīng)引起的。常見(jiàn)的幾種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶有:鉑鉑熱電偶(WRLB)(分度號(hào)LB-3)、鉑鉑熱電偶(WRLL)(分度號(hào):LL-2):鎳鉻、鎳硅或鎳鉻鎳鋁熱電偶(WREV)(分度號(hào)EV-2):鎳鉻考銅熱電偶(WREA)(分度號(hào)EA-2)。 3.1.2毫伏變送器 毫伏變送器是電動(dòng)單元組合儀表中的一種,它可以將來(lái)自熱電偶的MV級(jí)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流輸出,同時(shí)還能對(duì)熱電偶溫電曲線進(jìn)行校正,從而使熱電偶檢測(cè)的溫度值與變送器的輸出具有線性關(guān)系,本系統(tǒng)中所有用的變送器為EX系列儀表中的熱電偶溫度變送器它的輸入電路有冷端補(bǔ)償和斷偶保護(hù)措施,負(fù)反饋電路具有線性功能。線
14、性功能:毫伏單元變送用折線近似地代替曲線構(gòu)成非線性負(fù)反饋使變送器整個(gè)閉合的特性具有非線性,如果這個(gè)非線性的規(guī)律和所用熱電偶特性曲線互相抵消,就可以使輸出電壓和電流具有完全正比于溫度的性能。為了提高測(cè)量精度,可將變送器進(jìn)行零點(diǎn)遷移,當(dāng)溫度范圍為4001000,熱電偶輸出16.441.32mv,使變送器輸出010mv,其輸出經(jīng)過(guò)電流電壓變換電路轉(zhuǎn)換為05v電壓信號(hào),這樣,使用8位的ADC使量化誤差達(dá)±2.34。3.2 熱敏電阻測(cè)溫電路3.2.1熱敏電阻利用感溫電阻,把測(cè)量溫度轉(zhuǎn)化成測(cè)量電阻的電阻式測(cè)溫系統(tǒng),常用于測(cè)量-200+500范圍內(nèi)的溫度,大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻,都具有隨溫度變化的特
15、性,其特性方程如下: 、分別為熱電阻在t和0時(shí)的電阻值。a為熱電阻的電阻溫度系數(shù)(1/)對(duì)于絕大多數(shù)的金屬導(dǎo)體,a并不是一個(gè)常數(shù),而是溫度的函數(shù),不同的金屬導(dǎo)體,a保持常數(shù)所對(duì)應(yīng)的溫度范圍不同,選作感溫元件的材料應(yīng)滿足如下要求:材料的電阻溫度系數(shù)a越大,熱阻的系數(shù)大,最敏度越高,純金屬的a比合金的高,所以一般采用純金屬作熱敏電阻元件。在測(cè)溫范圍內(nèi),a保持常數(shù),便于實(shí)現(xiàn)溫度表的線性刻度特性。具有比較大的電阻率,有利于減少熱電阻的體積,減少熱慣性。特性復(fù)現(xiàn)性好,容易復(fù)制。3.2.2關(guān)于鉑電阻的特性鉑的物理化學(xué)性能非常穩(wěn)定,是目前制造熱電阻的比較好的材料,有很好的穩(wěn)定性和測(cè)量精度。鉑的使用溫度范圍-
16、200+6000100的電阻溫度系數(shù)平均值(/)為3.923.98,電阻率為(·)0.098100.106在0時(shí),鉑的電阻值=1003.2.3 溫度測(cè)量電路圖3.2 溫度測(cè)量電路本電路主要分為兩個(gè)部分:一部分是溫度傳感,一部分是信號(hào)放大。熱敏電阻Rt隨著溫度的不同而輸出相應(yīng)的電阻值,從而在各個(gè)輸出端輸出不同的電壓值,形成一個(gè)微弱的電壓信號(hào)。這個(gè)電壓信號(hào)經(jīng)運(yùn)放放大處理后,最終輸出一個(gè)反應(yīng)溫度情況的可識(shí)別電壓信號(hào)Uo。 第4章 芯片組的電路設(shè)計(jì)4.1 ADCO809與8031接口硬件電路設(shè)計(jì)ADCO809是8路輸入單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換器,它采用逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理,可以直接接到微機(jī)總線接口
17、上,不需另加I/O接口芯片,它可作為微機(jī)的I/O接口,亦可作為存儲(chǔ)單元對(duì)待,它無(wú)需進(jìn)行調(diào)零和滿量程調(diào)節(jié),多路開(kāi)關(guān)地址輸入能夠進(jìn)行鎖存和譯碼,而且其三態(tài)TTL輸出也可鎖存。圖4.1 ADC0809與8031接口電路如圖所示ADC0809與8031單片機(jī)的接口電路,當(dāng)P2.2=0時(shí),選中了ADC0809(允許啟動(dòng)各通道轉(zhuǎn)換與讀取相應(yīng)的轉(zhuǎn)換結(jié)果),轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC經(jīng)倒相后接至單片機(jī)的外部中斷,當(dāng)p3.3=0時(shí),說(shuō)明轉(zhuǎn)換結(jié)束,我們選用0通道作為輸入,因而可以把0809視為一個(gè)地址為03F8H的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元,對(duì)其寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí),8031的信號(hào)使ALE和START有效,將74LS373鎖存的地址低三位存入
18、0809并啟動(dòng)ADC,當(dāng)EOC為低電平時(shí),說(shuō)明A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行,當(dāng)EOC為高電平(即P3.3=0)時(shí),表示轉(zhuǎn)換結(jié)束,8031可以讀入轉(zhuǎn)好的數(shù)據(jù)。114.2 8155和8031接口硬件電路設(shè)計(jì)4.2.1 8155芯片的結(jié)構(gòu)8155芯片是一種多功能的可編程常用外圍接口芯片,它具有三個(gè)可編程I/O端口(A口和B口是8位C口是6位)一個(gè)可編程14位定時(shí)計(jì)數(shù)器和256字節(jié)的RAM,能方便地進(jìn)行I/O擴(kuò)展和RAM擴(kuò)展,芯片引腳功能如下RESET:復(fù)位輸入信號(hào)AD0AD7:三態(tài)地址/數(shù)據(jù)復(fù)用線:片選信號(hào):讀選通信號(hào)線,低電平有效:寫(xiě)選通信號(hào)線,低電平有效IO/,RAM/IO選擇,IO/=O, =0時(shí),單片
19、機(jī)選擇8155的RAM讀寫(xiě)AD0AD7上的地址為8155的RAM單元地址。當(dāng)IO/=1, =0時(shí),單片機(jī)選擇8155的I/O讀寫(xiě)AD0AD7上的地址為8155的I/O地址。ALE:地址鎖存信號(hào)線PA0PA7:端口A I/O線PB0PB7:端口B I/O線 PC0PC7:端口C I/O線TIMER: 定時(shí)計(jì)數(shù)器的輸入端:定時(shí)計(jì)數(shù)器的輸出端4.2.2 8155與8031接口電路8155和8031可以直接連接,不需要任何外加電路,對(duì)系統(tǒng)增加了256字節(jié)的RAM,22位I/O線及一個(gè)計(jì)數(shù)器,電路中8031的P2.1接8155的CE,P2.0接8155的IO/,P0.0P0.7接8155的AD0AD7時(shí)
20、,8155的I/O和RAM地址分配將是:(1)P2.1=0,P2.0=0時(shí)選中8155片中RAM,地址是0000H00FFH(2)P2.1=0,P2.0=1時(shí)選中2/0口,各口分想地址為:0100H命令狀態(tài)寄存器0101H A口地址0102H B口地址0103H C口地址0104H計(jì)數(shù)值低8位0105H計(jì)數(shù)值高8位和方式寄存器(3)8155的命令字和狀態(tài)字a、8155的命令字 圖4.2 8155命令字 定時(shí)器命令00=無(wú)操作01=停止計(jì)數(shù)10=時(shí)間到由停止計(jì)數(shù)11=裝入工作方式和計(jì)數(shù)長(zhǎng)度后立即啟動(dòng)計(jì)數(shù)器b、8155的控制字圖4.3 8155控制字圖4.4 8031與8155接口電路圖4.3 2
21、732EPROM的工作原理及硬件接口設(shè)計(jì)2732是4K×8位EPROM器件,有12根地址線A11A0,可以尋址片內(nèi)4K字節(jié)存儲(chǔ)器中任何單元,所以稱2732為4K字節(jié)EPROM。它是一種可編程只讀存儲(chǔ)器,單一正5V供電,最大靜態(tài)電流150mA,維持電流30mA,24線雙列直插式封裝,管腳圖如下: 圖4.5 2732管腳圖2732是4K×8位的EPROM器件,有12根地址線A11A0,這12根地址線中高4位A8A11與P2.0P2.3連接,低8位A0A7與地址鎖存器74LS373的輸出端Q0Q7連接(這里地址可映象P0口的地址)數(shù)據(jù)端D0D7直接與8031的P0口連接,當(dāng)803
22、1系統(tǒng)發(fā)出低12位地址信息時(shí),分別選中2732片內(nèi)4K字節(jié)存儲(chǔ)器中各單元,2732的CE引腳為片選信號(hào)輸入端,低電平有效,表示選中該2732芯片。該片選信號(hào)決定了2732這塊芯片的4K字節(jié)存儲(chǔ)器在8031系統(tǒng)擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器64KB空間中的位置,圖中接法2732占有的擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器地址空間為0000H07FFH。5此外,2732的端,Vpp、端可組合成2732的各種工作方式(讀待機(jī)即維持,寫(xiě)即編程,編程檢驗(yàn)等)圖中連接法其工作方式為讀狀態(tài),當(dāng)選通信號(hào)為低電平選通2732即把2732中的D0D7端口上的程序或常數(shù)讀入,8031單片機(jī)的P0口上去,當(dāng)為高電平時(shí),即無(wú)效,則禁止2732的數(shù)據(jù)讀入P0口
23、。 圖4.6 2732EPROM與8031硬件接口電路圖中74LS373是帶三態(tài)輸出的8口鎖存器,擴(kuò)展電路中用作外部地址鎖存器,三態(tài)控制端E接地,以保持輸出暢通,其三態(tài)輸出還有一定的驅(qū)動(dòng)能力,G端與8031單片機(jī)的ALE連接,當(dāng)G=1時(shí)(ALE高電平持續(xù)期間)74LS373的輸出Q0Q7隨其輸入的D0D1的狀態(tài)變化即P0口送出的8位地址信號(hào)一旦輸出,就能映射到2732EPROM的地址輸入A0A7上,G端的狀態(tài)由“1”變“0”時(shí)(ALE不跳變)低8位地址被鎖存。 第5章 掉電保護(hù)功能電路掉電保護(hù)電路功能的實(shí)現(xiàn)有兩種方案:一是選用E²ROM將重要數(shù)據(jù)置于其中,二是加接備用電池,如下圖所示
24、,穩(wěn)壓電源和備用電池分別通過(guò)二級(jí)管接于存儲(chǔ)器或單片機(jī)的Vcc端,當(dāng)穩(wěn)壓電源電壓大于備用電池電壓時(shí),電池不供電,當(dāng)穩(wěn)壓電源掉電時(shí),備用電池工作。9儀器內(nèi)還應(yīng)設(shè)置掉電檢測(cè)電路,以便在一旦檢測(cè)到失電時(shí),將斷點(diǎn)(PC及各種寄存器)內(nèi)容保護(hù)起來(lái),圖中CMOS555接成單穩(wěn)形式,掉電時(shí)3端輸出低電平脈沖作為中斷請(qǐng)求信號(hào)。光電耦合器的作用是防止干擾而產(chǎn)生誤動(dòng)作,在掉電瞬時(shí),穩(wěn)壓電源在大電容支持下,仍維持供電,這段時(shí)間主機(jī)執(zhí)行中斷服務(wù)程序,將斷點(diǎn)和重要數(shù)據(jù)置入RAM。6圖5.1掉電保護(hù)功能圖第6章 溫度控制電路6.1溫度控制電路溫度控制電路采用可控硅調(diào)功方法,雙向可控硅相當(dāng)于一雙反相并聯(lián)的普通可控硅,具有正反
25、相都能控制導(dǎo)通的特性,可用作調(diào)溫器。將它串在50HZ交流電源和加熱絲電路中,只要在給定周期內(nèi)改變可控硅開(kāi)關(guān)的接通時(shí)間,就能改變加熱功率,從而實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)。13圖6.1可控硅調(diào)功器輸出功率與通斷電T關(guān)系對(duì)于這樣的執(zhí)行機(jī)構(gòu),單片機(jī)只要輸出能控制可控硅通斷時(shí)間的脈沖作為信號(hào)就可以了,這可用一條功線通過(guò)程序輸出控制脈沖。為了達(dá)到過(guò)零觸發(fā)的目的,需要交流電過(guò)零檢測(cè)電路,此電路輸出對(duì)應(yīng)于50HZ交流電壓過(guò)零時(shí)刻的脈沖作為觸發(fā)雙向可控硅的同步脈沖,是可控硅在交流電壓過(guò)零時(shí)刻觸發(fā)導(dǎo)通,電路如下圖:圖6.2過(guò)零觸發(fā)電路圖中電壓比較器LM311將50HZ正弦交流電壓變?yōu)榉讲?,方波的正跳沿和?fù)跳沿分別作為兩個(gè)單穩(wěn)
26、觸發(fā)器的觸發(fā)信號(hào),單穩(wěn)觸發(fā)器輸出的窄脈沖經(jīng)二極管或門(mén)混合就得到對(duì)應(yīng)于220V市電過(guò)零時(shí)刻的同步脈沖。此同步脈沖一路作為觸發(fā)同步脈沖加到溫控電路,一路作為計(jì)數(shù)脈沖加到單片機(jī)8031和P3.4、P3.5輸入端。6.2控制規(guī)律的選擇電阻爐爐溫控制是這樣一個(gè)反饋調(diào)節(jié)作用過(guò)程:比較實(shí)際爐溫和需要爐溫得到的偏差通過(guò)對(duì)偏差的處理獲得控制信號(hào)去調(diào)節(jié)爐子的加熱功率,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。按照偏差的比例,積分和微分產(chǎn)生控制作用,簡(jiǎn)稱PID控制,是過(guò)程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制形式,通過(guò)對(duì)實(shí)際運(yùn)行效果和理論分析表明,這種控制規(guī)律在相當(dāng)多的工業(yè)生產(chǎn)中能得到比較好的效果。計(jì)算機(jī)PID算法是用差分方程近似實(shí)現(xiàn)的。用微分方
27、程表示PID調(diào)節(jié)規(guī)律的理想算式為:式中e(t)=r(t)-y(t)為偏差信號(hào),是調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào);r(t)是給定值;y(t)為被控變量;U(t)為調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào);Kp為比例系數(shù);Ti為積分時(shí)間常數(shù);Td為微分時(shí)間常數(shù)。計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào),若采樣周期為T(mén),第幾次采樣輸入偏差為en,調(diào)節(jié)器輸出為Un,PID算法中的微分用差分代替,積分用代替,于是得到,寫(xiě)成遞推形式: 改寫(xiě)成:由于電阻爐一般都屬于一階對(duì)象和帶純滯后的一階對(duì)象,所以式中KP、KI、KD的選擇取決于電阻爐的階躍響應(yīng)特性和實(shí)際經(jīng)驗(yàn),在程序中假設(shè)都為正小數(shù),參與運(yùn)算的數(shù)都變?yōu)橛?jì)算機(jī)易于處理的形式,數(shù)據(jù)處理方法如下:(1) 把所有的
28、數(shù)都變成定點(diǎn)純小數(shù)進(jìn)行處理(2) 算式中的各項(xiàng)都有正負(fù),用補(bǔ)碼表示,計(jì)算結(jié)果以原碼輸出。(3) 雙精度運(yùn)算,為了保證運(yùn)算精度把單字節(jié)16位進(jìn)行運(yùn)算,最后結(jié)果取8位有效值輸出。 第7章 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制程序采用兩次中斷嵌套方式來(lái)設(shè)計(jì),首先使T0計(jì)數(shù)器能產(chǎn)生與秒鐘定時(shí)中斷,作為本系統(tǒng)的采樣周期,在中斷服務(wù)程序中啟動(dòng)A/D讀入采樣數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波、上下線報(bào)警處理、PID計(jì)算,然后輸出控制脈沖信號(hào),脈沖的寬度由T1計(jì)數(shù)器溢出中斷決定。在等待T1中斷時(shí),將本次采樣數(shù)值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度值放入顯示緩沖區(qū),然后用顯示子程序,從T1中斷返回后,再?gòu)腡0中斷返回主程序并繼續(xù)顯示本次采樣溫度,等待下次T0中斷
29、。7.1 系統(tǒng)控制主程序的設(shè)計(jì)其中T1中斷嵌套在T0中斷之中,而T1的初值是由PID計(jì)算值決定的。所以PID的最大輸出必須小于250,即保證在T0再次溢出中斷之前,T1中斷服務(wù)結(jié)束,并以T0中斷返回到主程序,否則程序不能正常進(jìn)行。程序所點(diǎn)用8031內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯的單元如圖: 圖7.1 參數(shù)內(nèi)部RAM分配圖 開(kāi) 始設(shè)計(jì)堆棧指針清標(biāo)志和暫存單清顯示緩沖區(qū)設(shè)定參數(shù)初值T0初始化CPU開(kāi)中斷掃描鍵盤(pán)溫度顯示圖7.2 主程序流程圖主程序MOV 81H, 50H;設(shè)堆棧CLR 5EH ;清本次越限標(biāo)志 CLR 5FH ;清上次CLR A ;MOV 2FH, A ;MOV 30H, A ;MOV 3BH, A
30、 ;MOV 3CH, A ;清暫存單元MOV 3DH, A ;MOV 3EH, A ;MOV 44H, A ;MOV DISM0,A ;MOV DISM1,A ;MOV DISM2,A ; MOV DISM3,A ;MOV DISM4,A ;MOV DISM5,A ;清顯示緩沖MOV TMOD,56H;T0方式2:T1方式1計(jì)數(shù)MOV TL0, 06H;MOV TH0, 06H;TO賦值CLR PT0 ;T0為低優(yōu)先級(jí)中斷SETB TR0 ;啟動(dòng)T0SETB ET0 ;允許T0中斷SETB EA ;CPU中斷LOOP: ACALL DISPLY ;調(diào)用顯示程序 ACALL SCAN ;調(diào)用掃描
31、程序 ATMP LOOP ;等待中斷7.2 中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)T0中斷服務(wù)程序:PUSH A ;PUSH DPL ;PUSH DPH ;保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)SETB D5H ;置標(biāo)志ACALL SAMP ;調(diào)用采樣子程序ACALL FILTER ;調(diào)用數(shù)字濾波程序CJNE A,42H,TPL;Ui(K)Umax則TPLWL: MOV C,5EH ; MOV 5FH,C ;交換標(biāo)志 CLR 5EH ;清本次標(biāo)志 ACALL UPL ;上限處理 POP DPH ; POP DPL ;恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) POP A ; RETI ;中斷返回TPL: JNC TPL1 ;若Ui(K)>Vmax則TPL1CLR 5FH
32、 ;清上次越限標(biāo)志CJNE A,43H,MTPL;Ui(K)Umin則MTPLHAT:SETB P1.1 ;正常,綠 ACALL PID ;計(jì)算PID MOV A,2FH ;PLD值(A) CPL A ; INC A ;求TL1值NM: SETB P1.3 ;輸出控制脈沖 MOV TL1, A ;T1賦初值 MOV TH1,#OFFH ; SETB PT1 ;T1高優(yōu)先級(jí)中斷³ SETB TR1 ;啟動(dòng)T1 SETB ET1 ;允許T1中斷 ACALL TRAST ;標(biāo)度轉(zhuǎn)換LOOP:ACALL DISPLY ;顯示溫度 JB D5H,LOOP;等待T1中斷 POP A ;POP D
33、PH ;POP DPL ;RETI ;中斷返回MTPL:JNC HAT ;若Ui(k)>Umin則HAT SETB P1.0 ; MOV A,45H ; CPL A ; INC A ; AJMP NM ;TPL1:SETB 5EH ;置本次越限標(biāo)志 JNB 5FH,WL ;若上次沒(méi)越限則轉(zhuǎn) INC 44H ;越限計(jì)數(shù)器加1 MOV A,44H ; CLR C ; SUBB A, #N ; JNZ WL ;越限次數(shù)不等于N轉(zhuǎn) SETB P1.2 ;上限報(bào)警,紅燈亮 CLR 5EH ; CLR 5FH ;清標(biāo)志 POP A ; POP DPH ; POP DPL ;恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) RETI ;從中
34、斷返回 T1中斷服務(wù)程序(由001BH轉(zhuǎn)來(lái)) CLR D5H ;清標(biāo)志 CLR P1.3 ;停止輸出 RETI ;從中斷返回T1中斷程序清標(biāo)志停止輸出返回 圖7.3T1中斷程序圖圖7.4系統(tǒng)控制流程圖7.3 采樣程序的設(shè)計(jì) 圖7.6 采樣程序流程圖根據(jù)流程圖寫(xiě)程序如下:SMAP: MOV R0,#2CH ;采樣值首址 MOV R1, #03H ;計(jì)數(shù)器賦值SAM1: MOV DPTR,#03F8H ; MOVX DPTR, A ;啟動(dòng)ADC MOV R2, #20H ;延時(shí)DLY: DJNZ R2, DLY ;結(jié)束?HERE:JB P3.3, HERE ;等待ADC結(jié)束 MOVX A, DPT
35、R ; MOV RO, A ;存放采樣值 INC RO ; DJNE R1 SAM1 ; RET ;7.4 數(shù)字濾波子程序設(shè)計(jì)微機(jī)控制系統(tǒng)通常直接放在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),會(huì)受到嚴(yán)重干擾,系統(tǒng)采用濾波方法來(lái)濾除干擾,數(shù)字濾波算法有很多,本系統(tǒng)采用中值濾波,就是連續(xù)三次取樣,取中間值作為本次采樣值。三次采樣值分別放于2CH,2DH,2EH中,取中間值放在累加器A中,同時(shí)也轉(zhuǎn)放在2AH單元中,以備進(jìn)行溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換用。圖7.6系統(tǒng)控制程序流程圖數(shù)字濾波程序流程圖程序清單如下:FILTER:MOV A, 2CH ; (2CH)送A CJNZ A, 2DH, CMP1 ;若(2CH)(2DH)則CMP1 ATMP
36、CMP2 ; 否則轉(zhuǎn)CMP2CMP1: JNC CMP2 ; 若(2CH)>(2DH)則CMP2 XCH A, 2DH ; XCH A, 2CH ;CMP2: MOV A, 2DH ; CJNE A, 2EH,CMP3;若(2DH)(2EH)則CMP3 MOV 2AH,A ; 否則(2DH)送2AH RET ; 返回CMP3: JC CMP4 ; 若(2DH)<(2EH)則CMP4 MOV 2AH, A ; RET ;CMP4: MOV A, 2EH ; CJNE A, 2CH,CMP5;若(2EH)(2CH)則CMP5 MOV 2AH,A ; RETCMP5: JC CMP6 ;
37、 若(2EH)<(2CH)則CMP6 XCH A, 2CH ;CMP6: MOV 2AH,A ; RET ;總 結(jié)設(shè)計(jì)總結(jié)如下:1. 本設(shè)計(jì)硬件部分由溫度檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理和溫度控制三部分組成,根據(jù)鉑溫度傳感器良好的線性特點(diǎn),對(duì)電阻溫度進(jìn)行檢測(cè),減少了傳感器的非線性誤差。同時(shí)利用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理器,并運(yùn)用PID算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)定時(shí)對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè),信號(hào)經(jīng)A/D變換得到相應(yīng)的數(shù)字量,送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行判斷和運(yùn)算得到相應(yīng)的控制量,去控制加熱功率。2. 在溫度測(cè)控系統(tǒng)中,由于控制對(duì)象是電熱絲,因而沒(méi)有制冷效果,但是本人設(shè)計(jì)目的是控制最低溫度為0,所以要求控制環(huán)境的環(huán)境濕度不能高于0,否則即使電熱絲兩端的電勢(shì)差為0也達(dá)不到控制要求,就算等的時(shí)間再久,它的溫度也只是環(huán)境溫度,所以,
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