MCS-51單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)

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(kāi)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(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MCS-51單片機(jī)來(lái)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(wèn)題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的問(wèn)題。本文以它為例進(jìn)行介紹，希望能收到舉一反三和觸類(lèi)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(lèi)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?xún)?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(jiàn)，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RAM

0100H

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(pán)/LED顯示器接口電路。圖2中鍵盤(pán)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(lèi)：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(kāi)銷(xiāo)，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(guò)C口控制LED是否點(diǎn)亮，通過(guò)A口顯示字符。

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(pán)/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(guò)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(shuō)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，#03F8H

MOVX

@DPTR,A

若8031執(zhí)行下列程序：

MOV

DPTR，#03F8H

MOVX

A，@DPTR

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(guò)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。

可控硅接通時(shí)間可以通過(guò)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(guò)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

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(chēng)PID控制，這是工業(yè)控制過(guò)程中應(yīng)用最廣泛的一種控制形式，一般都能收到令人滿(mǎn)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(pán)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

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(shuō)來(lái)，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(kāi)中斷、溫度顯示和鍵盤(pán)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。

圖4中斷服務(wù)程序框圖

對(duì)于一般線性?xún)x表來(lái)說(shuō)，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(guò)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(yǔ)

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(zhuān)業(yè)人員，通過(guò)學(xué)習(xí)一些專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)以后也能依靠自己的技術(shù)力量，來(lái)開(kāi)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。參考文獻(xiàn)童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]，第三版.北京：高等教育出版，2001.1閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]，第四版.北京：高等教育出版社，1998.11馬忠梅，籍順信.單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M]，第三版.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2003.11曾光奇.工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)[M]，武漢：華中科技大學(xué)出版社,2002.6羅四維.傳感器應(yīng)用電路詳解[M]，北京:電子工業(yè)出版社,1993.6滕志軍.基于超聲波檢測(cè)的倒車(chē)?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)[EB/OL]需要相關(guān)內(nèi)容可以聯(lián)系我QQ：844423381基于C8051F單片機(jī)直流電動(dòng)機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對(duì)良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營(yíng)養(yǎng)診斷專(zhuān)家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測(cè)試儀的研制基于單片機(jī)的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀開(kāi)發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺(tái)控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測(cè)儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開(kāi)發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動(dòng)檢測(cè)儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測(cè)量?jī)x的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門(mén)傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號(hào)檢測(cè)儀基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Pico專(zhuān)用單片機(jī)核的可測(cè)性設(shè)計(jì)研究基于MCS-51單片機(jī)的熱量計(jì)基于雙單片機(jī)的智能遙測(cè)微型氣象站MCS-51單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實(shí)踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測(cè)基于單片機(jī)的GPS定位儀的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時(shí)控和計(jì)數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機(jī)和CPLD的粗光柵位移測(cè)量系統(tǒng)研究單片機(jī)控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的探究基于單片機(jī)控制的自動(dòng)低頻減載裝置研究基于單片機(jī)控制的水下焊接電源的研究基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機(jī)的氚表面污染測(cè)量?jī)x的研制基于單片機(jī)的紅外測(cè)油儀的研究96系列單片機(jī)仿真器研究與設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于MSP430單片機(jī)的電梯門(mén)機(jī)控制器的研制基于單片機(jī)的氣體測(cè)漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機(jī)的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機(jī)和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究基于單片機(jī)的膛壁溫度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于AVR單片機(jī)的低壓無(wú)功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)船舶電力推進(jìn)電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)信號(hào)的采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機(jī)的疊圖機(jī)研究與教學(xué)方法實(shí)踐基于單片機(jī)嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn)基于AT89S52單片機(jī)的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的多道脈沖幅度分析儀研究機(jī)器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究基于單片機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機(jī)的莫爾斯碼自動(dòng)譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用研究基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)基于Cygnal單片機(jī)的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機(jī)的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機(jī)與Internet互聯(lián)的研究與實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速液壓電梯單片機(jī)控制器的研究基于單片機(jī)γ-免疫計(jì)數(shù)器自動(dòng)換樣功能的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單片機(jī)嵌入式以太網(wǎng)防盜報(bào)警系統(tǒng)基于51單片機(jī)的嵌入式Internet系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單片機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在擠壓機(jī)上的應(yīng)用MSP430單片機(jī)在智能水表系統(tǒng)上的研究與應(yīng)用基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)中TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用單片機(jī)在高樓恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用基于ATmega16單片機(jī)的流量控制器的開(kāi)發(fā)基于MSP430單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)及智能網(wǎng)絡(luò)水表的設(shè)計(jì)基于MSP430單片機(jī)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放功能的嵌入式電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的氨分解率檢測(cè)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)鍋爐的單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)控制的電磁振動(dòng)式播種控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)技術(shù)的WDR-01型聚氨酯導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀的研制一種RISC結(jié)構(gòu)8位單片機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于單片