微機控制課程設計電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計

1、微機控制課程設計 電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計班 級：學 號：姓 名: 完成日期：2013年5月 目錄一課程設計目的二課程設計任務三課程設計要求四. 系統(tǒng)總體設計五.硬件電路設計六.系統(tǒng)軟件設計七. 設計總結八. 參考文獻九. 附錄一 課程設計目的:大學本科學生動手能力的培養(yǎng)和提高是大學本科教育的一個重要內容。如何讓學生在學好基礎知識的同時，迅速掌握應用技術，實驗與課程設計環(huán)節(jié)起著非常重要的作用。本課程設計的目的，是讓自動化專業(yè)學生通過課程設計，首先熟悉認識微機控制的理論基礎，根據(jù)實際的系統(tǒng)設計要求，掌握初步微機控制系統(tǒng)的設計方法，從硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設計兩個方面得到實際的提高，為今后的畢業(yè)設計打下

2、良好的基礎。二 課程設計任務:設計電阻爐溫度控制系統(tǒng)，加熱爐功率為800W，要求控制溫度范圍50350C，保溫階段溫度控制精度為正負1度。選擇合適的傳感器，計算機輸出信號經轉換后通過雙向晶閘管控制器控制加熱電阻兩端的電壓. 1、 設計主電路。2、 設計控制電路。3、 繪制主程序流程圖，設計主程序。4、 設計溫度采集子程序。5、 編制PID程序。6、編制顯示子程序三課程設計要求：1.運用微機控制理論，根據(jù)設計要求設計微機控制系統(tǒng)控制結構方框圖，繪制微機控制系統(tǒng)主電路圖、控制電路圖，編制系統(tǒng)程序流程圖、根據(jù)系統(tǒng)程序流程圖編制匯編語言程序。2.課程設計應由學生本人獨立完成完成，嚴禁抄襲（對自己的設計

3、不熟悉，讀不懂設計中的關鍵功能部分，對設計的結構不清楚，對設計的功能不了解等），一經驗收教師認定其抄襲行為，成績即為不及格。3.認真編寫課程設計報告，按要求格式書寫實驗報告。四. 系統(tǒng)總體設計：總體設計方案：本系統(tǒng)采用STC12C5A60S作為系統(tǒng)的主控芯片，輔以采樣反饋電路，驅動電路，晶閘管主電路對電爐爐溫進行控制的微機控制系統(tǒng)。本溫度控制系統(tǒng)按功能分主要包括四個模塊：溫度傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、溫度顯示/按鍵模塊和溫度控制模塊。其總體機構圖如下圖所示：圖3.1 總體結構圖數(shù)據(jù)處理過程： 首先使用循環(huán)查詢的方法依次讀取按鍵的鍵值，判斷用戶的指令，并以此為依據(jù)選擇LED顯示的數(shù)據(jù)。輸入過程結

4、束后，開始爐溫控制模塊，首先讀取PT100數(shù)據(jù)，再與設定值比較，決定繼電器的通斷時間，控制加熱爐溫度及警報器超限報警。 圖3.2 數(shù)據(jù)處理流程圖五.硬件電路設計：1.單片機最小系統(tǒng):單片機最小系統(tǒng)指的是由最基本的電路元件組成的，外接部分簡單的電路就能夠獨圖1單片機最小系統(tǒng)原理圖立成一定的工作任務的單片機系統(tǒng)。51單片機的最小系統(tǒng)由單片機芯片、電源、時鐘電路、和復位電路組成。如圖1單片機最小系統(tǒng)原理圖所示，其中的晶振時鐘電路用來產生時鐘信號，以提供單片機片內各種數(shù)字邏輯電路工作的時間基準。按鍵S6_1能實現(xiàn)手動復位，電容C6_1能實現(xiàn)上電復位，復位電路用來使片內電路完成初始化的操作，具體功能是使

5、程序計數(shù)器PC=0000H，引導程序從0000H地址單元開始執(zhí)行； SFR中的21個特殊功能寄存器復位后的狀態(tài)是確定2.聲光報警電路:如圖2聲光報警電路所示：當水溫高于上限溫度、低于下限溫度或者在誤輸入時，單片機P1.1口給warn一個低電平信號來導通三極管8550以驅動蜂鳴器和LED燈，進行系統(tǒng)聲光報警。當溫度恢復到設置范圍內后，聲光報警自動撤銷。圖2聲光報警電路3.顯示電路:用于顯示用戶設定的溫度、上限溫度、下限溫度和當前溫度值等，精確到小數(shù)點后一位。如圖2所示，單片機的P2口輸出段選編碼，P3.0、P3.1、P3.2、P3.3分別為四位數(shù)碼管的位選編碼。當其中位選編碼輸出低電平時，三極管

6、8550導通，使得共陽極數(shù)碼管公共端得到一個高電平，同時P2口輸出相應的要顯示的數(shù)字共陽極字型碼并通過74HC573將段碼信號鎖存輸出。圖3溫度數(shù)碼管顯示 4.鍵盤電路:鍵盤是用來給用戶提供設置設定溫度上限值、下限值、顯示溫度等功能。如下圖，功能鍵：選擇修改溫度設定值、上限值、下限值、顯示溫度位選鍵：選擇修改百位、十位、個位、十分位這四位的標志加1鍵：每按一次鍵，位選標志所指的當前位的值加1減1鍵：每按一次鍵，位選標志所指的當前位的值減1確定鍵：保存設置值并返回到顯示溫度狀態(tài) 圖4鍵盤電路及功能說明當按鍵沒有被按下時，P1.3-P1.7通過下拉電阻接地，單片機此時檢測的電平是低電平，當有鍵按下

7、時，對應P1.3-P1.7中的引腳與VCC接通，單片機此時檢測的電平是高電平。5.溫度采集電路；包括兩部分電路放大電路和AD轉換電路:放大電路設計：熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。通常將其放在電橋的橋臂上，溫度變化時，熱電阻兩端的電壓信號被送到儀器放大器LM741的輸入端，經過儀器放大器放大后的電壓輸出送給A/D轉換芯片，從而把熱電阻的阻值轉換成數(shù)字量。電路原理圖如圖5所示。圖5信號采集與放大電路A/D電路的設計:A/D轉換采用芯片ADC0809，ADC0809是帶有8位A/D轉換器、8路多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近

8、式A/D轉換器，可以和單片機直接連接。電路原理圖如圖6。圖6 A/D轉換電路原理圖由圖6可以看出A、B、C都接地（都為0），故信號輸入口選IN0。6.溫度控制電路：電熱爐的溫度取決于電熱元件消耗的電能。由電熱爐的數(shù)學模型可知，溫度的增量與它消耗的電能成正比 ，而電熱爐消耗的電能與單位采樣周期內導通的波頭數(shù)成正比。電阻絲由過零觸發(fā)型的雙向晶閘管整流電路驅動，通過控制一個采樣周期內可控硅導通波頭數(shù)，就可控制電熱元件消耗的電能，從而達到控制其溫度的目的。單片機對溫度的控制通過可控硅調功器電路來實現(xiàn)可控硅控制加熱電路如圖所示。本系統(tǒng)采用雙向可控硅控制電熱元件消耗電能。雙向可控硅由于其能夠雙向導通，因此

9、可看作“雙向閘流管”。采用可控硅的驅動電路是其主電路與控制電路之間的接口。驅動電路為雙向晶閘管提供開通控制信號，它還提供了控制電路與主電路的電氣隔離，一般采用光耦合器，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。雙向可控硅管和加熱絲接在220V、50HZ的交流電回路。如圖7所示圖7 晶閘管電路六.系統(tǒng)軟件設計：任務重點在這個部分，內容是整個系統(tǒng)的程序設計。該部分涉及面廣，貫穿整個系統(tǒng)，是整個系統(tǒng)工作的中樞和靈魂所在。它涉及到的程序有：監(jiān)控程序，即整個系統(tǒng)的主程序，相當于微機系統(tǒng)中的操作系統(tǒng)；鍵盤輸入程序及鍵處理程序；LED顯示程序；數(shù)據(jù)采樣輸入程序；數(shù)據(jù)處理程序（非線性處理、PID計算、標度變換、數(shù)字濾波等）；控制

10、信號輸出程序等。這里僅給出主程序和三段子程序，這三段子程序分別是：ADC轉換子程序、PID計算程序、顯示子程序.1. 主程序:系統(tǒng)控制程序采用兩次中斷嵌套方式來設計。首先，使T0定時器產生每秒一次的定時中斷。作為本系統(tǒng)的采樣周期在其中斷服務程序中啟動A/D，讀入采樣資料，進行數(shù)字濾波，上下報警處理，PID計算等，然后輸出控制脈沖信號。脈沖的寬度則由T1計數(shù)器溢出中斷決定。在等待T1中斷時，將本次樣數(shù)值轉換成對應的溫度值放入顯示區(qū)。然后調用顯示子程序。 從T1中斷返回后，再從T0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。 其系統(tǒng)原理方框流程圖如圖8：主 程 序設 堆 棧清 標 志

11、清暫存單元T1中斷程序清顯示緩沖區(qū)清標志D5T0 初 始 化停止輸出CPU 開中斷顯示溫度返 回 圖8 (a) 主 程 序(b) T1中斷程序主程序清單：MAIN：ORG 0000H ； LJMP MAIN ； ORG 000BH ； LJMP INTO ； ORG 001BH ； LJMP TPL1 ； ORG 0030H ；MOVSP，#50H；設堆棧CLR5EH；清本次越取標志CLR5FH；清上次越限標志CLA A； 0（A）MOV 2FH，A； MOV 30H，A ； 清暫存單元MOV 3BH，A ； MOV 3DH，A ；MOV 44H，A；MOV DISM0，A ； MOV DIS

12、M1，A ；MOV DISM2，A ； 清顯示緩沖區(qū)MOV DISM3，A ；MOV DISM4，A ；MOV TMOD，#56H ；T0方式2計數(shù)，T1 方式計數(shù) CLR PT0；T0優(yōu)先級中斷SETB TR0；啟動T0SETB ET0；允許T0中斷SETB EA；CPU開中斷 LOOPACALL DISPLAY ；調顯示子程序AJMP LOOP；等待中斷2.ADC轉換子程序: 開 始延 時 設采樣值地址首址轉換結束？ N 設計數(shù)器結果送內存 選通IN0 計數(shù)器為0N 啟動ADC結 束 圖9 ADC轉換子程序流程圖根據(jù)流程圖編寫程序如下：SMAP： ORG 0100H ； MOV R0， #

13、2CH ；采樣值首址 MOV R1， #03H ；計數(shù)器賦值SAM1： MOV DPTR，#03F8H ； MOVX DPTR，A ；啟動ADC MOV R2，#20H ；延時DLY： KJNZ R2，DLY ；結束HERE： JB P3.3，HERE ；等待ADC結束 MOVX A，DPTR ； MOV R0，A ；存放采樣值 DJNI R1，SAM1 ； RET3. PID計算程序:此程序流程圖如圖10： 開 始輸入Ui(k)，UR計算E(k)= UR=Ui(k) 計算PI(k)=KI I(k)計算PP(k)=KP E(k)I(k1) 計算 PI + PP 計算PD(k)=KD E(K)2

14、E(K1)+E(K+2) P(k) = PD + PP +P(K1)P(K)P(K1) , E(K1) E（K2）,E（K）E（K1） 返回圖10 PID計算程序流程圖 根據(jù)流程圖編寫程序如下：ORG 0340H ；MOV R5 ，31H；取UR MOV R4 , 32H； MOV R3 ， 2AH；取Ui(k) MOV R2 ， #00H； ACALL CPL1；取Ui(k)的補碼 ACALL DSUM ；計算E（k） MOV 39H ，R7；存E（k）MOV 3AH ，R6；MOV R5 ，35H；取KI MOV R4 ，36H； MOV R0 ，#4AH； ACALL MULT1；計算P

15、I = KIE（K） MOV R5 ，39H；取E（K） MOV R4 ，3AH； MOV R3 ，3BH；取E（K1） MOV R2 ，3CH； ACALL CPL1； ACALL DSUB；求E（K）E（K1） MOV R5 ，33H；取Kp MOV R4 ，34H； MOV R0 ，#46H； ACALL MULT1；求KpE(K)E(K1) MOV R5 ，49H； MOV R4 ，48H； MOV R3 , 4DH； MOV R2 , 4CH； ACALL DSUM；求KpE(K)E(K1)K1E(K) MOV 4AH , R7；保存和數(shù) MOV 4BH , R6； MOV R5 ,

16、 39H； MOV R4 , 3AH； MOV R3 , 3DH； MOV R2 , 3EH； ACALL DSUM；計算E（K）E（K2） MOV R5 , R7； MOV R4 , R6； MOV R3 , 3BH； MOV R2 , 3CH； ACALL CPL1； ACALL DSUP； MOV R5 , R7； MOV R4 , R6； MOV R3 , 3BH； MOV R2 , 3CH； ACALL CPL1；ACALL DSUP；求出E（K）E（K2）2E（K 1） MOV R5 , 37H；取KD MOV R4 , 38H； MOV R0 , #46H； ACALL MULT

17、 1 ；求出PD=KDE（K）E（K2） 2E（K1） MOV R5 , 49H； MOV R4 , 48H； MOV R3 , 4AH； MOV R2 , 4BH； ACALL DSUM； MOV R3 , R7； MOV R2 , R6； MOV R5 , 29H； MOV R4 , 30H； ACALL DSUM；求出Pk MOV 29H , R7；存PkP（K1） MOV 30H , R6； MOV 3DH , 3BH；E（K1）E（K2） MOV 3EH , 3CH； MOV 3BH , 39H；E（K）E（K1） MOV 3CH , 3AH； RET ； 4. 顯示子程序：動態(tài)顯示

18、程序框圖如圖11所示。顯示程序的要點有兩個：一是代碼轉換。因為直接驅動LED顯示器的是字形碼，而人們習慣的是0、1、2、F等字符，因此，必須將待顯示的字符轉換成字形碼。轉換用查表的方法進行。二是通過軟件實現(xiàn)逐位輪流點亮每個LED。為了實現(xiàn)代碼轉換，首先開辟一個顯示緩沖區(qū)，將待顯示的字符預先存放在緩沖區(qū)中。由于有4位LED顯示器，故不妨假設顯示緩沖區(qū)長度為4個字節(jié)。顯示緩沖區(qū)地址為DIS0DIS3 ，DIS0單元與最左邊一位LED相對應，DIS3單元與最右邊一位LED相對應。開 始8155初始化動態(tài)顯示初始化送位選字（R3） 8155A口查段選表段選碼送8155B口延時1mS指向下個顯示緩沖單元

19、顯示下一位4位顯示完？結 束 圖11 顯示子程序方框圖程序清單如下：DIS： ORG 0500H MOV A，#00000011BMOV DPTR，#7F00HMOVX DPTR，AMOV R0，#78HMOV R3，#7FHMOV A，R3LD： MOV DPTR，#7F01HMOVX DPTR，AINC DPTRMOV A，R0ADD A，#0DHMOVC A， DPTRACALL DLYMOV A ，R3JNB A，R0RR A，LD1MOV R3，AINC R0AJMP LD0LD1： SJMP LD1DSEG：DB 3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH 7DH，0

20、7H，7FH，6FHDLY： MOV R7，#02HDL： MOV R6，#0FFHDL1： DJNZ R6，DL1 DJNZ R7，DL RET七. 設計總結：這次微機控制課程設計，我們的主要任務是對電阻爐溫度控制的系統(tǒng)設計，采用PT100溫度傳感器經過放大和A/D轉換器送到單片機進行溫度控制，通過外接電路擴展實現(xiàn)溫度報警和溫度顯示功能。這次課程設計歷時一周，從一開始的課題確定，到后來的資料查找、理論學習，方案確定，這一切都使我的分析能力和理論知識進一步得到提升。雖然在設計過程中遇到很多問題，但是最后還是在老師以及同學的幫助下圓滿解決了這些問題，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)設計，很好地完成了本次設計任務。通過本次課程設計，我對溫度控制系統(tǒng)有了進一步的熟悉和更深入的學習，了解并掌握了傳感器的基本理論知識，更深入的掌握單片機的開發(fā)應用和編程控制。為以后從事單片機軟硬件產品的設計開發(fā)、打下了良好的基礎，樹立獨立從事產品研發(fā)的信心，并在這種能力上