MCS-51单片机温度控制系统的设计

中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００５年第２１卷第７期

!"#$%&单片机温度控制系统的设计

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!陕西科技大学"

张开生郭国法

Ｚｈａｎｇ，ＫａｉｓｈｅｎｇＧｕｏ，Ｇｕｏｆａ

摘要!本文从硬件和软件两方面介绍了#$%&’(单片机温度控制系统的设计思路"对硬件原理图和程序框图作了简捷的描述%

关键词!!"#$%&单片机"温度"软硬件"硬件原理图"程序框图"设计

中图分类号!’#()*文献标识码+,文章编号+&--.$-%(-/0--%1-($--2.$-0

例如!若温度测量范围为’AA"&(AAA""则热电偶输出为EA>G8B&C(>DE8B"毫伏变送器零点迁移后输出

技术创新

,3456785+)*+,+-./012-.0/3+4*.56-7+85+9:7;9+4107913-<-!7+8.-.0791,;4+,2918*:9,=:9+:0,-127=:9+>)*+*:9,=:9+59.04.53+:0,-127=:9+4:-+2./:9+,+-49.?+,>

9:;<=6>4+4?@AB:8C?DEC76>F76:E4=G5F7:874:G?AE>:4?A@

引言

在现代化的工业生产中"电流&电压&温度&压力&流量&流速和开关量都是常用的主要被控参数%例如!在冶金工业&化工生产&电力工程&造纸行业&机械制造和食品加工等诸多领域中"人们都需要对各类加热炉&热处理炉&反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制%采用#$%&’(单片机来对温度进行控制"不仅具有控制方便&组态简单和灵活性大等优点"而且可以大幅度提高被控温度的技术指标"从而能够大大提高产品的质量和数量%因此"单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题%本文以它为例进行介绍"希望能收到举一反三和触类旁通的效果%

C8F&EA8F范围电流%这样"采用H位F@I转换器就可使量化温度达到(>JG"以内%

(>E接口电路

接口电路采用#$%&’(系列单片机HAD("外围扩展并行接口H(’’"程序存储器KLMN#EOGC"模数转换器FI$AHAJ等芯片%

由图可见"在LE>APA和LE>(PA时"H(’’选中它内部的MF#工作’在LE>AP(和LE>(PA时"H(’’选中它内部的三个Q@N端口工作%相应的地址分配为!

AAAAR&AASSRH(’’内部MF#

命令@状态口A(AAR

A(A(R!!!!!F口A(AERT口A(ADR$口

定时器低H位口A(ACR

定时器高H位口A(A’R

H(’’用作键盘@UKI显示器接口电路%H(’’用作键盘@UKI显示器接口电路图略可向作者索取V图中键盘有DA个按键"分成六行#UA&U’(五列)MA&MC("只要某键被按下"相应的行线和列线才会接通%图中DA个按键分三类!一是数字键A&J"共(A个’二是功能键(H个’三是剩余两个键"可定义或设置成复位键等%为了减少硬件开销"提高系统可靠性和降低成本"采用动态扫描显示%F口和所有UKI的八段引线相连"各UKI的控制端W和H(’’$口相连"故F口为字形口"

&硬件电路设计

以热电偶为检测元件的单片机温度控制系统电路原理图略可向作者索取%

(>(温度检测和变送器

温度检测元件和变送器的类型选择与被控温度的范围和精度等级有关%镍铬@镍铝热电偶适用于A"&(AAA"的温度检测范围"相应输出电压为A8B&

$口为字位口"HAD(可以通过$口控制UKI是否点亮"通过F口显示字符%

EOGC是HXKLMN#型器件%HAD(的L%KY和EOGC的NK相连"LE>’和$K相连"所以EOGC的地址空间为!AAAAR&&&(SSSR"FI$AHAJ的A通道#QYA其他输入端可作备用(和变送器的输出端相连"所以从通道A#QYA(上输入的AB&&Z’B范围的模拟电压经F@I转换后可由HAD(通过程序从LA口输入到它的内部MF#单元"在LE>EPA和[MPA时"HAD(可使FUK和

C(>DE8B%

变送器由毫伏变送器和电流@电压变送器组成!毫伏变送器用于把热电偶输出的A8B&C(>DE8B变换成C8F&EA8F的电流’电流@电压变送器用于把毫伏变送器输出的C8F&EA8F电流变换成A&’B的电压%

为了提高测量精度"变送器可以进行零点迁移%

张开生：高级工程师资助基金：陕西省教育厅产业化培训项目０４Ｊ０７

中国自控网!ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｕｔｏｃｏｎｔｒｏｌ．ｃｏｍ．ｃｎ&元／!%)FM)变为高电平而启动FI$AHAJ工作’在LE>EPA和MIPA时"HAD(可以从FI$AHAJ接收F@I转换后的数字量%也就是说FI$AHAJ可以视为HAD(的一个外部MF#单元"地址为ADSHR#地址重复范围很大("

电话!０１０－６２１３２４３６"６２１９２６１６#Ｔ／Ｆ$

《ＰＬＣ技术应用２００例》

因此"!"#$执行如下程序可以启动%&’"!"(工作%

)*+&,-."/012!3的该同步触发脉冲宽度由-@计数器的溢出中断控

制"!71@利用等待-@溢出中断的空闲时间)形成,@:1输出脉冲顶宽’完成把本次采样值转换成显示值而放入显示单元缓冲区和调用温度显示程序%!71@从-@中断服务程序返回后即可恢复现场和返回主程序%见图?所示%

?:?:1主要子服务程序框图

主要服务子程序包括温度检测采样及数字滤波子程序&带符号双字节乘法子程序和标度转换子程序目的是把实际采样取得的二进制值转换成C’&码形式的温度值"然后存放到显示缓冲区中"供显示子程序调用%

对于一般线性仪表来说"标度转换公式为!

)*+45&,-.6%若!71$执行下列程序!)*+&,-."87#2!3)*+4%"5&,-.

则可以从%&’7!7(输入%9&转换后的数字量%$:1温度控制电路

!71$对温度的控制是通过双向可控硅实现的%如单片机温度控制系统电路原理图所示"双向可控硅管和加热丝串接在交流;;7+&<73=市电回路%在给定周期-内"!71$只要改变可控硅管的接通时间即可改变加热丝的功率"以达到调节温度的目的%

可控硅接通时间可以通过可控硅控制极上触发脉冲控制%该触发脉冲由!71$用软件在,$:1引脚上产生"在过零同步脉冲同步后经光电耦合管和驱动器输出送到可控硅的控制极上%

Tx=A0 + (Am-A0)

Vx Vo

Vm Vo

其中"%7为一次测量仪表的下限(%D为一次测量!温度控制的算法和程序框图

;:$温度控制算法

通常"电阻炉炉温控制都采用偏差控制法%偏差控制的原理是先求出实测炉温对所需炉温的偏差值"然后对偏差值处理获得控制信号去调节电阻炉的加热功率"以实现对炉温的控制%在工业上"偏差控制又称,>&控制"这是工业控制过程中应用最广泛的一种控制形式"一般都能收到令人满意的效果%

?:?温度控制程序框图温度控制程序的设计应考虑如下!@’键盘扫描&键码识别和温度显示(;’炉温采样&数字滤波(1’数据处理(A’越限报警

和处理(<’,>&计算&温度标度转换

;:;:@主程序框图

主程序包括!71@本身的初始化&并行接口!@<<初始化等等%大体说来"本程序包括设置有关标志&暂存单元和显示缓冲区清零&-7初始化&’,B开中断&温度显示和键盘扫描等程序%见图@所示%

?:?:?中断服务程序框图

-7中断服务程序是温度控制系统的主体程序"用于启动数9模转换器&读入采样数据&数字滤波&越限温度报警和越限处理&,>&计算和输出可控硅的触发脉冲等%,@:1引脚上输出

图?中断服务程序框图

"其它控制算法

不同的控制对象"所采用的算法有所#见F@页’

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电话!０１０－６２１３２４３６"６２１９２６１６#Ｔ／Ｆ$

２００例》

二极管依次导通时间间隔是!"#"则单片机可记录此时间同上可得到!我们再来推倒!和控制电压!的关系!

"%输出电压的控制!

对偏心块的位置在一个周期!#进行四次检测"通过编码器分别在$#%&"$#%’""$#%&和$四个时刻检测"其值与理论值$比较"若两者一致"则不作调整"不一致则按()*公式调整&输入数字调节器的信号是经过’离散量化(后的信号"数字调节器的输出的信号必须给予’恢复(中的零阶保持器"担负着将离散信号恢复为连续信号的任务"才能对被控对象实施有效控制&下图为数字控制原理框图!

采用保持器

数字调节器

零阶保持器

执行机构

被控对象

0口地址!66654控制口地址!66764则!-./+"AF’4*

-./*($="A266764*控制寄存器地址*($=方式控制字控制寄存器

参考文献

>#@潘新民+微型计算控制技术,>-@清华大学出版社%#FFF年B月>’@4GHHGI0,+JKHLMNMKJOOPMNQJGRSGJITGHHPTMRGT+U-TGIPTMM!VVGTINJQ$0(RHGWMX)555$TKJMKSINGJMGJ+!IGYKINS0GJITGH,’22’,&7Z[\>"@张友德+单片机微型机原理及应用,>-@复旦大学出版社%#FF#X#’>&@江瑞启+电机原理及控制,>-@机械工业出版社%#FFF年E月

作者简介!储健,#F[#年生"汉族"男"副教授"工学硕士&)!""#$$天津工程师范学院自动化系$储健

-.(/*-012(,32,4,25&)62*7

1&89,-:-;7(,<=</8(*2-,$>9/0?2(,

)%&’()*+&,*-.

参数测量与变换图３数字控制原

Z投稿日期]’22&X##X’E\Z修稿日期]’22&X#’X’E\

而()*控制正是数字控制系统之一"它是比例积分微分控制"它具有原理简单"使用方便"适应性强特点&经()*运算后得到的数值经*%+转换器输出到变频器,控制电机转速达到和振动体同速度同相位而使系统处于共振状态&

)二$主要程序幅值鉴别程序!

)接第[F页$不同&例如对于热惯性大%时间滞后明显%耦合强%难于建立精确数学模型的大型立式淬火炉"可以采用人工智能模糊控制算法"通过对淬火炉电热元件通断比的调节"实现对炉温的自动控制"也可以采用仿人智能控制)34)0$算法和()*控制算法的联合控制方案"实际应用时应灵活运用&

@结束语

-03^E#单片机"体积小"重量轻"抗干扰能力强"对环境要求不高"价格低廉"可靠性高"灵活性好"即使是非电子计算机专业人员"通过学习一些专业基础知识以后也能依靠自己的技术力量"来开发所希望的单片机应用系统&本文的温度控制系统"只是单片机广泛应用于各行各业中的一例"相信读者会依靠自己的聪明才智"使单片机的应用更加广泛化&

参考文献

-./01"#2-./3)"2240-(+(5!

-./*1"66704)89:"*10+::*5:;#)8+:"*10-(+:"9:<890-(+=5

-./>3)?#2224"+:@)803)

-./#22+4"+:08*

此段程序执行后"输出电压对应的数字量放在

技术创新

>#@陈明荧XB2E#单片机课程设计实训教材北京]清华大学出版社’22&>’@胡汉才X单片机原理及其接口技术北京]清华大学出版社#FFE>"@徐淑华程退安姚万生X单片机微型机原理及应用哈尔滨工业大学出版社#FF&

作者简介!张开生"男"#F["年生"高级工程师&主要研究方向计算机控制系统及控制理论等&5YKNH]

#22+4内存单元中&

输出程序!

-./.($=A76664*指向*+02B"’-./+"#22+4*数字量先装入累加器-./1C.($="+*数字量从(2口送到

(’7所指向的地址"D=%有效时完成一次*%+转换&

B’EE初始化程序!要求工作在方式2且+%9为输入口"0为输出口!

+口地址!67049口地址!667*4

电话!０１０－６２１３２４３６"６２１９２６１６#Ｔ／Ｆ$

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A/*9-)B,*)-</8*2-,CabKJQcKNMbPJQ,YKHP,dGTJNJ#F[",-KNJTPMPKTSbNJIPTPMIMNJSH!OPSGYV!IPTSGJITGHMLMIPY,SGJITGH,IbPGTLPISX

)DE$"FG陕西咸阳陕西科技大学电气与电子工程学院$张开生郭国法

H>-::&;&-.=:&8*)28(:(,<=:&8*)-,28=,;2,&&)2,;IJ9(,,K24,25&)62*7-.J82&,8&(,<1&89,-:-;7LM2!(,7(,;>92,(DN$OFNPQ9(,;LR(269&,;S/-LS/-.(

Z投稿日期]’22EX&X’E\Z修稿日期]’22&XEX7\

２００例》

中国自控网!ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｕｔｏｃｏｎｔｒｏｌ．ｃｎ!／^[#^