MCS51單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 mcs-51 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng) 作作 者者: 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 學(xué)院學(xué)院(系系): 專專 業(yè)業(yè): 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 評(píng)評(píng) 閱閱 人：人： 1 引言引言.3 1.1 課題研究的目和意義.3 1.2 溫度控制系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀.3 1.3 溫度控制系統(tǒng)方案.4 1.4 論文的主要任務(wù)和所做的工作.5 2 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及原理單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及原理.6 2.1 系統(tǒng)的主要功能 .6 2.2 系統(tǒng)的工作原理 .6 2.3 系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo).7 2.4 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu).7 3 溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).8 3.1 溫度測(cè)量放大電路 .8 3.

2、1.1 溫度傳感器的選擇及基本工作原理.8 3.1.2 放大電路的設(shè)計(jì).9 3.2 主要的接口電路 .10 3.2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路.10 3.2.2 鍵盤接口和數(shù)碼顯示.11 3.2.3 程序存儲(chǔ)器和并行接口的擴(kuò)展及報(bào)警電路 .12 3.2.4 溫度控制電路.15 4 溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì).18 4.1 主程序設(shè)計(jì)及中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì).18 4.1.1 溫度控制主程序流程簡(jiǎn)圖 .18 4.1.2 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì).19 4.2 溫度控制程序子程序.21 4.2.1 鍵盤掃描和溫度顯示程序設(shè)計(jì).21 4.2.2 爐溫采樣、數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì).23 4.2.3 溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換算

3、法 .26 4.3 pid 控制算法.28 4.3.1 pid 算法基本原理.28 4.3.2 pid 算法及子程序.30 5 結(jié)論與展望結(jié)論與展望.32 附錄附錄 b：鍵盤：鍵盤/led 接口圖接口圖.34 附錄附錄 c：系統(tǒng)源程序：系統(tǒng)源程序.35 參參 考考 文文 獻(xiàn)獻(xiàn).44 致致 謝謝.46 mcs-51 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)單片機(jī)溫度控制系統(tǒng) 摘 要 單片機(jī)在檢測(cè)和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，溫度是一個(gè)系統(tǒng)經(jīng)常需要測(cè) 量、控制和保持的量，而溫度是一個(gè)模擬量，不能直接與單片機(jī)交換信息，采用 適當(dāng)?shù)募夹g(shù)將模擬的溫度量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量在原理上雖然不困難但成本較高，還會(huì) 遇到其它方面的問(wèn)題。因此對(duì)

4、單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研究有重要目的和意義。 本文主要介紹了以 mcs-51 系列單片機(jī) 8031、ad574、8155、可控硅、lm311 等芯片組成的溫度檢測(cè)電路，模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，鍵盤/led 顯示電路,報(bào)警電路，信 號(hào)放大電路；在描述了外圍硬件電路的同時(shí)，還做了大量的軟件工作，包括數(shù)據(jù) 處理軟件，pid 控制算法。 本設(shè)計(jì)有效的提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和控制精度大大改善了爐溫控制的自 動(dòng)化程度，具有較高的實(shí)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)，pid 算法 ，溫度采樣，溫度控制 mcs-51 single-chip temperature control system abstract the sing

5、le chip microcomputer is required extensively in measurement and control systems, and the temperature need to be surveyed, controlled and maintained by a system frequently. but the temperature is an analog, can not exchange information with the single chip directly. in principle, it is not difficult

6、 to transform the simulated temperature into the digital quantity, if adopting proper technique .but gets the electric circuit more complex, the lost is more expensive, and other questions can be met. so it is very important for research of single chip temperature control. this article mainly introd

7、uced 8031 of series mcs- 51、adc0809、8155、lm311、controllable silicon, which composed temperature measurement and control circuit、a/d transfer circuit、keyboard/led display、signal magnifying circuit alarming circuit; some important techniques in a design scheme of the software of the temperature by sin

8、gle-chip microcomputer are introduced also, such as date processing software, control algorithms software. this system enhances real-time character of control system and control precision effectively, improves the automatic degree of furnace temperature and higher practice value key words: single-ch

9、ip microcomputer， pid algorithm, temperature sampling, temperature control 1 引言引言 1.11.1 課題研究的目和意義課題研究的目和意義 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

10、大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可 靠性高、造價(jià)低和開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，為自動(dòng)化和各個(gè)測(cè)控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器 件，在工業(yè)生產(chǎn)中稱為必不可少的器件，尤其是在日常生活中發(fā)揮的作用也越來(lái) 越大。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。 本論文以上述問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了溫度實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示、控制系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)方案具有較高的測(cè)量精度，更加適合對(duì)溫度精度要求較高的化工生產(chǎn)、電 力工程等行業(yè)，并希望通過(guò)本設(shè)計(jì)得到舉一反三和觸類旁通的效果。 1.21.2 溫度控制系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀溫度控制系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 通過(guò)網(wǎng)上查詢、翻閱圖書了解到目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)以單片機(jī)為核心的溫度控制

11、 系統(tǒng)很多，而且方案靈活，且應(yīng)用面比較廣，可用于工業(yè)上的加熱爐、熱處理爐、 反應(yīng)爐，在生活當(dāng)中的應(yīng)用也比較廣泛，如熱水器，室溫控制，農(nóng)業(yè)中的大棚溫 度控制。以上出現(xiàn)的溫度控制系統(tǒng)產(chǎn)品，根據(jù)其系統(tǒng)組成、使用技術(shù)、功能特點(diǎn)、 技術(shù)指標(biāo)。選出其中具有代表性的幾種如下： 1 虛擬儀器溫室大棚溫度測(cè)控系統(tǒng) 在農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面虛擬儀器溫室大棚溫度測(cè)控系統(tǒng)是一種比較智能，經(jīng)濟(jì)的方 案，適于大力推廣，改系統(tǒng)能夠?qū)Υ笈飪?nèi)的溫度進(jìn)行采集，然后再進(jìn)行比較，通 過(guò)比較對(duì)大棚內(nèi)的溫度是否超過(guò)溫度限制進(jìn)行分析，如果超過(guò)溫度限制，溫度報(bào) 警系統(tǒng)將進(jìn)行報(bào)警，來(lái)通知管理人員大棚內(nèi)的溫度超過(guò)限制，大棚內(nèi)的溫控系統(tǒng) 出現(xiàn)故障，從而有利

12、于農(nóng)作物的生長(zhǎng)，提高產(chǎn)量。本系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是在一臺(tái)電 腦上可以監(jiān)測(cè)到多個(gè)大棚內(nèi)的溫度情況，從而進(jìn)行控制。該系統(tǒng) labview 虛擬儀 器編程，通過(guò)對(duì)前面板的設(shè)置來(lái)顯示溫室大棚內(nèi)的溫度，并進(jìn)行報(bào)警，進(jìn)而對(duì)大 棚內(nèi)溫度進(jìn)行控制。該系統(tǒng)有單片機(jī)，溫度傳感器，串口通信，和計(jì)算機(jī)組成。 計(jì)算機(jī)主要是進(jìn)行編程，對(duì)溫度進(jìn)行顯示、報(bào)警和控制等；溫度傳感器是對(duì)大棚 內(nèi)溫度進(jìn)行測(cè)量，顯示；單片機(jī)是對(duì)溫度傳感器進(jìn)行編程，去讀溫度傳感器的溫 度值，并把半溫度值通過(guò)串口通信送入計(jì)算機(jī)；串口通信作用是把單片機(jī)送來(lái)的 數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)里，起到傳輸作用。 2 電烤箱溫度控制系統(tǒng) 該方案采用美國(guó) ti 公司生產(chǎn)的 flash

13、型超低功耗 16 位單片機(jī) msp430f123 為 核心器件，通過(guò)熱電偶檢測(cè)系統(tǒng)溫度，用集成溫度傳感器 ad590 作為溫度測(cè)量器 件利用該芯片內(nèi)置的比較器完成高精度 ad 信號(hào)采樣，根據(jù)溫度的變化情況，通過(guò) 單片機(jī)編寫閉環(huán)算法，從而成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的測(cè)量和自動(dòng)控制功能。其測(cè)溫 范圍較低,大概在 0-250 之間，具有精度高，相應(yīng)速度快等特點(diǎn)。 3 小型熱水鍋爐溫度控制系統(tǒng) 該設(shè)計(jì)解決了北方冬季分散取暖采用人工定時(shí)燒水供熱，耗煤量大，浪費(fèi)人 力，溫度變化大的問(wèn)題。設(shè)計(jì)方案硬件方面采用 mcs-51 系列 8031 單片機(jī)為核心， 擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器 2732，ad590 溫度檢測(cè)元件測(cè)量環(huán)境溫

14、度和供水溫度，adc0809 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同向驅(qū)動(dòng)器 7407、光電耦合器及 9103 的功放完成對(duì)電機(jī)的控制。 軟件方面建立了供暖系統(tǒng)的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。本系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單,軟件程序易 于實(shí)現(xiàn)。它可用于一臺(tái)或多臺(tái)小型取暖熱水鍋爐的溫度控制,可使居室溫度基本恒 定,節(jié)煤,節(jié)電,省人力。 1.31.3 溫度控制系統(tǒng)方溫度控制系統(tǒng)方案案 結(jié)合本設(shè)計(jì)的要求和技術(shù)指標(biāo)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)大致程序量的估計(jì)和系統(tǒng)工作速 度的估計(jì)以及 i/o 口需求量的估計(jì)，考慮價(jià)格因素。選定 8031 單片機(jī)作為系統(tǒng)的 主要控制芯片，外圍擴(kuò)展并行接口 8155，程序存儲(chǔ)器 eprom2732，12 位模數(shù)轉(zhuǎn) 換器 ad574，

15、采用鎳鉻/鎳硅熱電偶進(jìn)行溫度檢測(cè)其測(cè)溫范圍為 0-1000，外接指 示燈作為報(bào)警電路，8031 對(duì)溫度的控制是通過(guò)雙向可控硅實(shí)現(xiàn)的。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。 1.41.4 論文的主要任務(wù)和所做的工作論文的主要任務(wù)和所做的工作 本論文主要是完成一種低成本、低價(jià)格、功能齊全、及溫度測(cè)量、溫度顯示、 溫度控制于一體的單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)。包括硬件電路和主要的控制 算法。 研究的關(guān)鍵問(wèn)題是：爐溫的精確測(cè)量；雙向可控硅控制的溫度控制電路設(shè)計(jì)； 溫度控制算法

16、的選擇，本設(shè)計(jì)采用 pid 控制算法；以及溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波 爐溫采樣等軟件設(shè)計(jì)。 根據(jù)本設(shè)計(jì)所要完成的任務(wù)本論文完成了如下工作： 1 介紹了研究和設(shè)計(jì)的背景和意義，調(diào)查并綜述了當(dāng)前溫度控系統(tǒng)市場(chǎng)的國(guó)內(nèi)外 現(xiàn)狀， 2 提出了符合設(shè)計(jì)要求的高精度溫度控制系統(tǒng)方案，并闡述了其工作原理。 3 完成了硬件電路的設(shè)計(jì)，它包括溫度檢測(cè)放大傳送電路；包含 mcs-51 系列單 片機(jī) 8031，外圍擴(kuò)展并行接口 8155，程序存儲(chǔ)擴(kuò)展 2732，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ad574 等芯片的接口電路；通過(guò)雙向可控硅管實(shí)現(xiàn)的溫度控制電路;鍵盤接口和 led 顯示電路，以及實(shí)時(shí)報(bào)警電路。 4 基本完成了軟件部分設(shè)計(jì)，它包括

17、鍵盤掃描、溫度控制顯示，爐溫采樣、數(shù)字 濾波，數(shù)據(jù)處理，越限報(bào)警處理，pid 計(jì)算、溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換等的算法。 2 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及原理單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及原理 2.12.1 系統(tǒng)的主要功能系統(tǒng)的主要功能 （1）對(duì)爐溫的溫度檢測(cè)和升溫、恒溫控制。 （2）顯示檢測(cè)溫度值。 （3）當(dāng)超越上限或下限時(shí)自動(dòng)報(bào)警。 （4）設(shè)定和修改要保持的溫度值。 2.22.2 系統(tǒng)的工作原理系統(tǒng)的工作原理 在溫控系統(tǒng)中，需要將溫度的變化轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)的變化，由于熱電偶 的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單制造容易，測(cè)量范圍廣，在高溫測(cè)量中有較高的精度，所以選用鎳鉻/ 鎳硅熱電偶做熱電傳感器，測(cè)溫范圍 0-1000，最高可測(cè)

18、量 1300。 熱電偶把測(cè)量的爐溫溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成弱電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大電路，放大 后的信號(hào)輸人到 a/d 轉(zhuǎn)換器(ad574 )轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸人主機(jī)(單片機(jī) 8031)，并 送往外接顯示電路，主機(jī)對(duì)電爐溫度和設(shè)定溫度進(jìn)行比較后如果越限，則軟件觸 發(fā)用 8031 的 p1 口控制報(bào)警系統(tǒng)輸出控制脈沖，該控制脈沖與單穩(wěn)態(tài)同步觸發(fā)器 輸出的同步脈沖送人控制門(與非門)，門電路信號(hào)輸人光偶管轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，經(jīng) 過(guò)三級(jí)放大電路輸人可控硅的門極，可控硅導(dǎo)通由程序控制同步觸發(fā)脈沖的來(lái)臨 時(shí)間，從而控制可控硅的通斷時(shí)間，以達(dá)到對(duì)電爐加熱絲溫度的調(diào)節(jié)和功率的改 變，實(shí)現(xiàn)對(duì)電爐的恒溫和升溫控制。 工作流程說(shuō)明

19、如下： 開始，先接通電源，然后將開關(guān)打到開的位置，六段數(shù)碼管顯示器就自動(dòng)顯 示出當(dāng)前溫度，并且顯示出設(shè)置溫度的缺省值 000000。此時(shí)繼電器不工作。 按下 f1 按鍵，溫度控制系統(tǒng)進(jìn)入溫度控制點(diǎn)的設(shè)制。 這個(gè)時(shí)候，顯示設(shè)置溫度的數(shù)碼管閃爍。 此時(shí)可以通過(guò)鍵盤輸入預(yù)設(shè)置的溫 度。當(dāng)按下“確定”按鍵的時(shí)候，單片機(jī)就會(huì)根據(jù)所寫入的程序，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控 制。 當(dāng)設(shè)置的溫度高于當(dāng)前的溫度時(shí)，單片機(jī)通過(guò)可控硅控制極上觸發(fā)脈沖控制 加熱電路連通。溫度慢慢升高。 當(dāng)設(shè)置的溫度低于當(dāng)前的溫度時(shí)，單片機(jī)通過(guò)可控硅控制極上觸發(fā)脈沖控制 加熱電路斷開。溫度慢慢下降。 就這樣通過(guò)溫度芯片的反饋信息，實(shí)現(xiàn)水的溫度保持在設(shè)

20、置溫度上，從而達(dá) 到自動(dòng)控制溫度的功能。 2.32.3 系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo) 測(cè)溫范圍 ：0-1000 溫度分辨率：0.5v led 顯示位數(shù)：6 2.42.4 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的硬件電路有溫度檢測(cè)、信號(hào)放大、a/d 轉(zhuǎn)換、鍵盤接口、led 顯示、單 穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、可控硅控制電路等部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖 1.1 爐溫采樣 點(diǎn) 溫度傳感器濾波信號(hào) 放大 ad 轉(zhuǎn)換 單 片 機(jī) 系 統(tǒng) （8031） 雙向可控 硅 光耦驅(qū)動(dòng) 過(guò)零脈沖提 取計(jì)時(shí) 電爐 220v led 顯 示 鍵盤 圖 2.1 系統(tǒng)框圖 3 溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 3.13.

21、1溫度測(cè)量放大電路溫度測(cè)量放大電路 3.1.1 溫度傳感器的選擇及基本工作原理 測(cè)量溫度的方法雖然很多,但從感受溫度的途徑來(lái)分,不外兩大類:一類是接觸 式的,即通過(guò)測(cè)溫元件與被測(cè)物體的接觸而感知物體的溫度;另一類是非接觸的,即 通過(guò)接收被測(cè)物體發(fā)出的輻射熱來(lái)判斷溫度。由于本系統(tǒng)測(cè)量的溫度值在：0 1000，所以最常用的最經(jīng)濟(jì)的方法是用熱電偶來(lái)測(cè)量。 當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路時(shí)，若兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同，回路 間就會(huì)出現(xiàn)熱電動(dòng)勢(shì)，并產(chǎn)生電流。從物理上看，這一熱電勢(shì)主要是由接觸電勢(shì) 組成的。當(dāng)兩種不同導(dǎo)體 j、b 接觸時(shí)，由于兩邊的自由電子密度的不同，在交界 面上產(chǎn)生電子的相互擴(kuò)散。若 j

22、 中自由電子密度大擴(kuò)散的多，使 j 失去較多的電 子而帶正電荷，相反，b 帶負(fù)電荷。致使在盤 j、b 接觸處產(chǎn)生電場(chǎng)，以阻礙電子 的進(jìn)一步積累，最后達(dá)到平衡。在 j、b 兩導(dǎo)體間的電位差稱為接觸熱電勢(shì)。 電爐常用熱電偶的材料要求： 1耐高溫-熱電偶的測(cè)溫范圍主要取決于熱電極的高溫性能，也就是說(shuō)，在高溫 介質(zhì)中，熱電極的物理化學(xué)性能越穩(wěn)定，則由它組成的熱電偶的測(cè)溫范圍就越寬。 2靈敏度高，線性好-要求電偶所產(chǎn)生的溫差熱電勢(shì)足夠大，并與溫度呈線性關(guān) 系； 3要求熱電有為材料除能滿足上述幾點(diǎn)要求外，并希望它的電阻系數(shù)和電阻溫度 系數(shù)盡可能地小，且其價(jià)格便宜、貨源充足。 熱電偶型號(hào)比較多，不同的型號(hào)有

23、不同的測(cè)溫區(qū)，對(duì)于本系統(tǒng)鎳鉻鎳硅熱 電偶其分度號(hào)為 k，正極成分是 910鉻、0.4硅，其余為鎳，負(fù)極成分 為 2.53硅，0.6鉻，其余為鎳。這類熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是有較強(qiáng)的抗氧化性 和抗腐蝕性，其化學(xué)穩(wěn)定性好，熱電勢(shì)較大，熱電勢(shì)與溫度間的線性關(guān)系好，其 熱電極材料的價(jià)格便宜，可在 1000以下長(zhǎng)期連續(xù)使用，短期測(cè)溫可達(dá) 1300。 最高溫度 1300，所以鎳鉻-鎳硅熱電偶就可以了。 市場(chǎng)上賣的熱電偶一般都集成溫度補(bǔ)償電路，理論上應(yīng)使冷端溫度為基點(diǎn)即 0，而實(shí)際上冷端通常為室溫，如果不帶可利用 pn 結(jié)結(jié)電壓隨溫度上升而線形 下降的特性來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，或設(shè)置恒溫槽。 3.1.2 放大電路的設(shè)計(jì) 0-1

24、000的溫度對(duì)應(yīng) 0mv41.3mv ,熱電偶出來(lái)的 mv 電壓，大概熱端變化 一度,熱電耦有 40 微伏的電位差輸出，無(wú)法直接進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換，必須進(jìn)行放大處 理。采用 oop07 運(yùn)放組成低漂移高精度前置放大器，對(duì)幾十微伏變化信號(hào)測(cè)量比 較精確，其放大倍數(shù)與 /成正比，可根據(jù)需要設(shè)計(jì)。其中 op07 的 3rf 2 rf 1、4、5 端與構(gòu)成調(diào)零電路。再接一級(jí)有運(yùn)放 741 構(gòu)成的續(xù)接放大器就可將 1 rw 毫伏級(jí)信號(hào)放大到需要的幅度，放大倍數(shù)可自己設(shè)定，741 的 1、4、5 端與 構(gòu)成調(diào)零電路。741 的輸出送給后面的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。具體接法如圖 3.1 2 rw 圖 3.1 放大電路

25、 因?yàn)閭鞲衅鬏敵鲭妷簽?0mv-42.30mv，而 ad574 段輸入電壓為 0v10v，所以 應(yīng)該放大 240 倍， 取 op07 放大 10 倍，741 放大 24 倍，取=150, =200 4 r 2 rf 由運(yùn)放原理知道： =20=3 1rf 4 r =24=4.8 3rf 2 rf 3.23.2 主要的接口電路主要的接口電路 3.2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 a/d 轉(zhuǎn)換電路是測(cè)控儀表制作的另一個(gè)關(guān)鍵所在。a/d 轉(zhuǎn)換的位數(shù)，精度， 速度，性能都直接影響著系統(tǒng)的相關(guān)性能?？紤]到本系統(tǒng)要求精度比較高，選用 美國(guó) ad 公司研制的 12 位逐次逼近式 ad574a，它適合高精度快速采集，所以本

26、 系統(tǒng)不用設(shè)計(jì)采樣保持電路，節(jié)省了硬件。 ad574 的主要特性如下： a/d 分辨率:12 或 8 位。 轉(zhuǎn)換時(shí)間：25s 轉(zhuǎn)換精度：0.05%。 單極性模擬輸入：0v10v，0v20v 雙極性模擬輸入：5v，10v 正電源供電：+12v+15v 負(fù)電源供電：-12v-5v 內(nèi)部集成有轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，參考電壓源和三態(tài)輸出鎖存器，可直接與 16 位或 8 位機(jī) 直接相連，而且無(wú)需外接時(shí)鐘。其邏輯真值表如表 3.1 表 3.1 ad574 真值表 ce _ cs _ c/r _ 8/12a0 功能 0 不起作用 1 不起作用 100 0啟動(dòng) 12 位轉(zhuǎn)換 100 1 啟動(dòng) 8 位轉(zhuǎn)換 101接+5v

27、12 位數(shù)據(jù)并行輸出 101接地0高八位數(shù)據(jù)輸出 101接地1低 4 位數(shù)據(jù)尾接 0 輸出 該轉(zhuǎn)換電路的具體接法如圖 3.2，因?yàn)槠瑑?nèi)有時(shí)鐘，故無(wú)須外加，該電路采用 單極性輸入方式，可對(duì) 0v10v 模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換，其中圖 3.1 中管腳 8，10，12 把 ad574 置成單極性 10v 輸入，無(wú)論啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換，還是結(jié)果輸出，都要保證 ce 端 為高電平，故用 8031 的和端通過(guò)與非門 74ls00 與 ad574 的 ce 端相連。 _ rd _ wr 轉(zhuǎn)換結(jié)果分高八位、低四位與 p0 口相連，分兩次讀入，所以接地。在 _ 8/12 _ c/r 讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)保持相應(yīng)的電平，將來(lái)自單片機(jī)的控

28、制信號(hào)經(jīng) 74ls373 鎖存后再 從 q0 接入，選通信號(hào)經(jīng)譯碼器譯碼后選通，ad574 有兩個(gè)選口地址，由 a0 口區(qū) 分，把譯碼器 q7q6q5q4q3q2q1=111000b 端接到則 ad574 的兩個(gè)選口地址 _ cs 為 f0 和 f1h，其中寫 f0h 啟動(dòng) 12 位轉(zhuǎn)換，寫 f1h 啟動(dòng) 8 位轉(zhuǎn)換，讀 f0h 用于 讀取高八位數(shù)字量，讀 f1h 用于讀取低 4 位數(shù)字量， 圖 3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 單片機(jī)可采用中斷、查詢、軟件延時(shí)等方式讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。本設(shè)計(jì)時(shí)按查詢 法輸入 a/d 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。 3.2.2 鍵盤接口和數(shù)碼顯示 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，同時(shí)需要使用鍵盤與顯示器

29、接口時(shí)，為了節(jié)省 i/o 口 線常常把鍵盤和顯示電路接在一起，構(gòu)成實(shí)用鍵盤和顯示電路，圖 3.3 是典型實(shí) 用的、采用 8155 并行擴(kuò)展口構(gòu)成的鍵盤、顯示器電路，圖中設(shè)置了 16 個(gè)鍵，如 增加 pc 口可以增加到 61 個(gè)，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中除了復(fù)位按鍵有專門的復(fù)位電路, 以及專一的復(fù)位功能外,其它的按鍵或鍵盤都是以開關(guān)狀態(tài)來(lái)設(shè)置控制功能或輸入 數(shù)據(jù)。鍵盤有編碼和非編碼兩種。非編碼鍵盤硬件電路極為簡(jiǎn)單故本系統(tǒng)采用。 6 個(gè) led 顯示器采用共陰極方式，段選碼由 8155pb 口提供，位信號(hào)有 pa 口提 供。鍵盤的列掃描也由 pa 口提供，查詢輸入由 pc0pc1 提供，led 采用動(dòng)態(tài)

30、顯示軟件，鍵盤采用逐列掃描查詢工作方式。 鍵盤設(shè)定如下： 鍵盤共有 12 個(gè)按鍵，用于方便設(shè)定溫度。數(shù)字按鍵 10 個(gè)，輸入數(shù)字 09 和 小數(shù)點(diǎn)；確認(rèn)鍵一個(gè)，設(shè)置的確認(rèn)，修改設(shè)置溫度時(shí)進(jìn)行確認(rèn)；清除鍵一個(gè)，設(shè) 置的清除，修改設(shè)置溫度時(shí)進(jìn)行刪除；f1 鍵一個(gè)，顯示及設(shè)置轉(zhuǎn)換到預(yù)設(shè)溫度點(diǎn)， 按此按鍵后，顯示預(yù)設(shè)置溫度的數(shù)碼管閃爍；此外，還有兩個(gè)功能鍵。 圖 3.3 鍵盤接口/led 顯示 3.2.3 程序存儲(chǔ)器和并行接口的擴(kuò)展及報(bào)警電路 mc5-51 系列單片機(jī)有三種基本型號(hào)：8031，8051 及 87510 它們的管腳及指 令系統(tǒng)完全兼容，只是在結(jié)構(gòu)及特性方面有一些差異。8031 是目前應(yīng)用

31、最多的。 8031 內(nèi)含一個(gè) 8 位的 cpu，128 個(gè)字節(jié)的 rom，21 個(gè)特殊功能寄存器(sfr)，4 個(gè) 8 位并行 i/o 口，1 個(gè)雙工串行口，2 個(gè) 16 位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，但程序寄存器 需用外擴(kuò) eprom 芯片。本設(shè)計(jì)選用了 4kb 的 eprom2732。外接 6mhz 的晶振 體，即每個(gè)周期為 2 微妙，復(fù)位信號(hào)采用上電復(fù)位，通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充 電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這樣只要電源 vcc 的上升時(shí)間不超過(guò) 1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù) 位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的初始化。 因?yàn)?p0 口既要作為地址輸出口，還要作為數(shù)據(jù)讀入口所以外接了一個(gè) 74ls373 八位雙向數(shù)據(jù)鎖存

32、器，用來(lái)鎖存地址信號(hào)。74ls373 是否工作由來(lái)自 8031 的 ale 數(shù)據(jù)鎖存允許信號(hào)控制，當(dāng) ale 高電平時(shí)鎖存器開始工作。 擴(kuò)展的并行接口 8155 用于鍵盤和 led 顯示接口由圖 3.4 可見，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 8

33、155 用作鍵盤/led 顯示器接口電路 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。 2732 是 4kb 的 eprom 型器件。8031 的和 2732 的相連，p2.4 和 _ psen _ oe 相連，故 2732 的地址空間為：0000h0fffh _ ce ad574 的 10vin 通道和放大電路的輸出端相連，所以 10vin 通道上輸入的 0v+10v 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

34、到它的 內(nèi)部 ram 單元，在 p1.0=0 和 wr=0 時(shí)，8031 可使 ale 和 start 變?yōu)楦唠娖?而啟動(dòng) ad574 工作；在 p1.0=0 和 rd=0 時(shí)，8031 可以從 ad574 接收 a/d 轉(zhuǎn)換 后的數(shù)字量。也就是說(shuō) ad574 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) ad574 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 ad574 輸入 a/d 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量

35、。 本設(shè)計(jì)的報(bào)警電路直接由 8031 的 p1.0，p1.1，p1.2 控制外接指示燈。編程實(shí) 現(xiàn)燈的開關(guān)，若測(cè)量的溫度不越限，則 p1.1 口的綠燈亮，若測(cè)量的溫度越下限 p1.0 口的紅燈亮，若測(cè)量的溫度越上限則 p1.2 口的燈亮。以上電路的具體連接如圖 3.4 圖 3.4 程序存儲(chǔ)器和并行接口的擴(kuò)展及報(bào)警電路 3.2.4 溫度控制電路 晶閘管又叫可控硅。自從 20 世紀(jì) 50 年代問(wèn)世以來(lái)已經(jīng)發(fā)展成了一個(gè)大的家 族，它的主要成員有單向晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、可關(guān) 斷晶閘管、快速晶閘管，等等。今天大家使用的是單向晶閘管，也就是人們常說(shuō) 的普通晶閘管，它是由四層半導(dǎo)體材

36、料組成的，有三個(gè) pn 結(jié)，對(duì)外有三個(gè)電極： 第一層 p 型半導(dǎo)體引出的電極叫陽(yáng)極 a，第三層 p 型半導(dǎo)體引出的電極叫控制極 g，第四層 n 型半導(dǎo)體引出的電極叫陰極 k,它和二極管一樣是一種單方向?qū)щ娖鳌?晶閘管的特點(diǎn)：是“一觸即發(fā)”。但是，如果陽(yáng)極或控制極外加的是反向電壓， 晶閘管就不能導(dǎo)通。控制極的作用是通過(guò)外加正向觸發(fā)脈沖使晶閘管導(dǎo)通，卻不 能使它關(guān)斷。那么，用什么方法才能使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷呢?使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷， 可以斷開陽(yáng)極電源或使陽(yáng)極電流小于維持導(dǎo)通的最小值(稱為維持電流)。如果晶閘 管陽(yáng)極和陰極之間外加的是交流電壓或脈動(dòng)直流電壓，那么，在電壓過(guò)零時(shí)，晶 閘管會(huì)自行關(guān)斷。 該控

37、制部分的原理框圖如圖 3.5： 圖 3.5 溫度控制原理框圖 8031 對(duì)溫度的控制是通過(guò)可控硅調(diào)功電路實(shí)現(xiàn)的，雙向可控硅觀和加熱絲串 接在交流 220v、50hz 交流市電回路中。在給定的周期 t 內(nèi)，8031 只要改變可控 硅管的接通時(shí)間便可改變加熱絲功率，以達(dá)到調(diào)解溫度的目的。可控硅在給定周 期 t 內(nèi)具有不同接通時(shí)間的情況。顯然可控硅在給定周期 t 的 100%時(shí)間內(nèi)接通 時(shí)的功率最大。 可控硅接通時(shí)間可以通過(guò)可控硅控制極上的觸發(fā)脈沖控制。該觸發(fā)脈沖由 8031 用軟件在 p1.3 引腳上產(chǎn)生，受過(guò)零脈沖同步后經(jīng)光耦管和驅(qū)動(dòng)器輸出送到可 控硅的控制級(jí)上。 過(guò)零同步脈沖是一種 50hz

38、交流電壓過(guò)零時(shí)刻的脈沖，可使可控硅在交流電 壓正弦波過(guò)零時(shí)刻觸發(fā)導(dǎo)通。過(guò)零同步脈沖由過(guò)零觸發(fā)脈沖電路產(chǎn)生，圖中電壓 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(fù)邊沿分別 220 伏交 流電 變壓 器 比較 器 雙向 可控 硅 單 穩(wěn) 態(tài) 觸 發(fā) 器 同 步 光耦 及驅(qū) 動(dòng) 單 片 機(jī) 觸 發(fā) 脈沖 加熱 絲 作為兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入觸發(fā)信號(hào)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的兩個(gè)窄脈沖經(jīng)二極 管或門混合后就可得到對(duì)應(yīng)于交流 200v 市電的過(guò)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(jì)數(shù)器脈沖加到 8031 的 t0,t1 端。 光電耦

39、合器，是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種半導(dǎo)體光電器件，把電子信號(hào)轉(zhuǎn)換成 為光學(xué)信號(hào)，然后又回復(fù)電子信號(hào)的半導(dǎo)體器件。由于它具有體積小、壽命長(zhǎng)、 抗干擾能力強(qiáng)、工作溫度寬及無(wú)觸點(diǎn)輸入與輸出及在電氣上完全隔離等特點(diǎn)，被 廣泛地應(yīng)用在電子技術(shù)領(lǐng)域及工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中，它可以代替繼電器、變壓器、 斬波器等，而用于隔離電路、開關(guān)電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換、邏輯電路、過(guò)流保護(hù)、長(zhǎng)線 傳輸、高壓控制及電平匹配等。 具體接法如圖 3.6 圖 3.6 溫度控制電路 4 溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 4.14.1 主程序設(shè)計(jì)及中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)主程序設(shè)計(jì)及中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì) 4.1.1 溫度控制主程序流程簡(jiǎn)圖 溫度控制程序

40、的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮如下問(wèn)題： 1 爐溫采樣，數(shù)字濾波程序 2 鍵盤掃描，鍵碼識(shí)別和溫度顯示程序 3 溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換程序 4 pid 計(jì)算程序（雙字節(jié)加法程序 dsum，雙字求補(bǔ)程序 cpl1，雙字節(jié)帶符 號(hào)乘法程序 mult1） 為簡(jiǎn)化起見，本設(shè)計(jì)思想只給出有關(guān) 8031 本身的初始化，8155 初始化，標(biāo) 志、暫存單元和顯示緩沖單元區(qū)清零、t0 初始化，斷開 cpu 中斷、溫度顯示和 鍵盤掃描等程序，詳細(xì)見附錄源程序清單，程序框圖如圖 4.1 所示。 開 始 8031 系統(tǒng)初始化 輸入被控參數(shù) 8155 初始化 鍵盤顯示器監(jiān)控程 序 運(yùn) 行 嗎？ n 開中斷 y 圖 4.1 主程序流程簡(jiǎn)圖 在主程序

41、設(shè)計(jì)中，由于 t0 被設(shè)定為計(jì)數(shù)器方式 2，初值為 06h，故它的溢 出中斷時(shí)間為 250 個(gè)過(guò)零同步觸發(fā)脈沖。為了保證系統(tǒng)正常工作，t1 中斷服務(wù)程 序的執(zhí)行時(shí)間必須滿足 t0 的這一時(shí)間要求，因?yàn)?t1 的中斷是嵌套在 t0 中斷之 后的。 4.1.2 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì) 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中 t1 的中斷是嵌套在 t0 中斷之后的，而 t0 中斷是溫度控制系 統(tǒng)的主程序，用于啟動(dòng) a/d 轉(zhuǎn)換、讀入采集數(shù)據(jù)、數(shù)字濾波、越限溫度報(bào)警和越 限處理、pid 計(jì)算輸出可控硅的同步觸發(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 溢出中斷的時(shí)間完

42、成 把本次采樣值轉(zhuǎn)換成顯示值放入顯示緩沖區(qū)和調(diào)用溫度顯示程序。8031 從 t1 中 斷服務(wù)程序返回后便可恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)和返回主程序，以待下次 t0 中斷。 在 t0 中斷服務(wù)程序中，還需要用到一系列程序，例如：采樣溫度子程序、 數(shù)字濾波子程序、越限處理程序、pid 計(jì)算程序、標(biāo)度轉(zhuǎn)換程序和溫度顯示程序。 pid 計(jì)算程序中，也需要用到雙字節(jié)加法程序 dsum，雙字求補(bǔ)程序 cpl1，雙字 節(jié)帶符號(hào)乘法程序 mult1。t1 中斷服務(wù)程序流程圖如圖 4.2 ，t2 中斷程序流程 圖如圖 4.3. t1 中斷程序 清標(biāo)志位 d5h 停止輸出 返回 圖 4.2 t1 中斷程序流程圖 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) 采樣爐溫

43、數(shù)字濾波 上限？ 上限處理 清本次越限標(biāo)志 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)返回 上限？ 清上次越限標(biāo)志 下限？ 下限？ 上次越限？ t1 中斷完？ y n y 置本次越限標(biāo)志 計(jì)算 pid y y 取最大 pid 值輸 出 下限報(bào)警 求 補(bǔ) 求 補(bǔ) 從 p1.3 輸出 t1 初始化 溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換 越限計(jì)數(shù)器+1 越限 n 次？ 溫度顯示 上限報(bào)警 清越限標(biāo)志 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)返回 圖 4.3 t0 中斷服務(wù)程序流程圖 4.24.2 溫度控制程序子程序溫度控制程序子程序 4.2.1 鍵盤掃描和溫度顯示程序設(shè)計(jì) 1 為了簡(jiǎn)化電路，降低成本，將所有的段選線并聯(lián)在一起，由一個(gè) 8 位 i/o 口控制，而選通斷采用分時(shí)選通，led

44、顯示器工作于共陰極動(dòng)態(tài)顯示，逐位輪流 點(diǎn)亮各個(gè) led，每一位保持 1ms，在 10ms20ms 內(nèi)再一次點(diǎn)亮重復(fù)不止，這樣 利用人的視覺暫留，好像 6 位 led 同時(shí)點(diǎn)亮了，顯示子程序流程圖如圖 4.4。 dis 指向顯示緩沖區(qū)末址 7eh 先點(diǎn)亮最右邊的 led 送位控制信號(hào) 查表取字形碼 送出一位顯示 延時(shí) 1ms 指向下一格緩沖單元 r0-1 最左邊一位 顯示嗎？ 位控制信號(hào)左移一位 結(jié)束 y n lp0 圖 4.4 顯示程序流程 2 本設(shè)計(jì)采用行列式矩陣鍵盤，單片機(jī)對(duì)它的控制采用程序掃描即中斷查詢 方式，a 口為選通口，b 口為顯示口，c 口為查詢輸入口。 鍵盤掃描子程序功能如下：

45、 （1）判斷鍵盤上有無(wú)鍵按下，方法為：pa 口輸出全掃描字 00h，讀 pc 口 狀態(tài)，若 pc0pc1 口全為 1，則鍵盤無(wú)鍵按下，若不全為 1 則有鍵按下。 （2）去鍵的機(jī)械抖動(dòng)影響：在判斷有鍵按下后，軟件延時(shí)一斷時(shí)間（5ms 10ms）后再判斷鍵盤狀態(tài)，如果仍為有鍵按下狀態(tài)，則認(rèn)為確實(shí)有鍵被按下；否 則，按照鍵抖動(dòng)處理。 （3）判別閉合鍵的鍵號(hào)：對(duì)鍵盤的列線進(jìn)行掃描，掃描口為 pa0pa7，依 次輸出掃描字為 feh，fdh，fbh，f8h，efh，dfh，bfh，7fh，讀出 pc 口 的狀態(tài)，若全為 1 則列線輸出為 0 的 這一列上沒有鍵閉合；否則，這一列有鍵閉 合。閉合鍵的鍵號(hào)等

46、于處于低電平的列號(hào)加上低電平的行的首鍵號(hào)，例如：pa 口 的輸出為 11111101，讀出 pc1pc0 為 01，則 1 行 1 列的鍵閉合， （4）cpu 對(duì)鍵的一次閉合僅作一次處理，采用的方法是等待鍵釋放后再將 鍵號(hào)送入累加器 a 中。 鍵盤掃描子程序流程圖如圖 4.5 調(diào)用子程序延遲 12ms 開始 有鍵閉合否？ 有鍵閉合否？ 閉合鍵釋放？ 判斷閉合鍵鍵號(hào)棧 鍵入鍵號(hào)a 返回 y y y n n n 圖 4.5 鍵盤掃描子程序流程圖 4.2.2 爐溫采樣、數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì) 采樣子程序 samp：流程圖如圖 4.6 采樣值起始地址送 r0 采樣次數(shù)送 r2 選通 in0 啟動(dòng) ad574

47、 延時(shí) a/d 完成？ 所有采樣結(jié)束 返回 y n n 圖 4.6 采樣子程序流程圖 一般微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)前向通道中，輸入信號(hào)均含有個(gè)中噪音和干擾，它們來(lái)自 被測(cè)信號(hào)源、傳感器、外界干擾。為了進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量和控制，必須消除被測(cè)信 號(hào)中的噪音和干擾，噪音有兩大類：一類為周期性的，另一類為不規(guī)則隨機(jī)的 。 前者的典型代表為 50hz 的工作干擾。對(duì)于這類信號(hào)要采用硬件濾波電路能有效 地消除影響。后者為隨機(jī)信號(hào)，可采用數(shù)字濾波方法予于消除。所謂數(shù)字濾波， 就是通過(guò)程序計(jì)算或判斷來(lái)減少干擾在信號(hào)中的比重，故實(shí)際上它是一中程序?yàn)V 波。經(jīng)常采用的是中值濾波、去極值法可對(duì)采樣的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，以消除常 態(tài)干擾

48、。 數(shù)字濾波子程序 filter：用濾波來(lái)控制對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的采樣值的干擾。數(shù)字濾波程 序的算法很多，現(xiàn)以中值濾波為例作說(shuō)明。 中值濾波原理得很簡(jiǎn)單，只需對(duì) 2ch 、2dh 2eh 中三次采樣值進(jìn)行比較， 取中間值存放到 2ah 單元內(nèi)，以作為溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換時(shí)使用。圖 4.7 為數(shù)字濾波程 序流程圖。 （2ch）送 a （2ch） （2dh）？ （2ch） （2dh）？ （2eh）（2ch）？ （2dh） （2eh）？ （2dh） （2eh）？ （2ch）（2eh）？ （2ch）和（2dh）互 換 2（ch）送 2ah 返 回 y n y y n （2dh）送 2ah 2dh n n （2dh）送 2

49、ah 2dh （2eh）送 2ah 2dh （2eh）送 2ah 2dh y n n y y 圖 4.7 數(shù)字濾波程序流程 4.2.3 溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換算法 a/d 轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)碼雖然代表參數(shù)值的大小，但是并不代表有量綱的參數(shù) 值，必須轉(zhuǎn)換成有量綱的數(shù)值才能進(jìn)行顯示，標(biāo)度轉(zhuǎn)換有線性轉(zhuǎn)換和非線性轉(zhuǎn)換 兩種，本設(shè)計(jì)使用的傳感器線性好，在測(cè)量的量程制內(nèi)基本能與溫度成線性關(guān)系。 溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換程序 trast：目的是要把實(shí)際采樣的二進(jìn)制值轉(zhuǎn)換的溫度值轉(zhuǎn) 換成 bcd 形式的溫度值，然后存放到顯示緩沖區(qū) 78h7dh。對(duì)一般的線性儀表 來(lái)說(shuō)，標(biāo)度轉(zhuǎn)換公式為： =+ ax 0 a) aa0m nn nn 0m

50、 0x （4.1） 式中，為一次儀表的下限， 0 a 為一次量程儀表的上限；為實(shí)際測(cè)量值（工程量） ； am 為儀表下限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量； n0 為儀表上限所應(yīng)的數(shù)字量； nm 為測(cè)量所得數(shù)字量。 nx 例如：若某熱處理儀表量程為 200800，在某一時(shí)刻計(jì)算機(jī)采樣得到的二 進(jìn)制值 u(k)=cdh 則相應(yīng)的溫度值為： =+=200+（800-200）=682 ax 0 a) aa0m nn nn 0m 0x 255 205 根據(jù)上述算法，只要設(shè)定熱電偶的量程，則相應(yīng)的溫度轉(zhuǎn)換子程序 tarst 很 容易編寫，只要把這一算式變成程序，將 a/d 轉(zhuǎn)換后經(jīng)數(shù)字濾波處理后的值代入， 即可計(jì)算出真實(shí)的

51、溫度值。具體算法如圖 4.8 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) r0, r1 am 0 a 計(jì)算 - nxn0 r0, r1 nmn0 計(jì)算 - am 0 a 計(jì)算/ ) aa0mnn0m r0, r1 nxn0 計(jì)算 - nmn0 計(jì)算) aa0m nn nn 0m 0x r2 0 a =+ ax 0 a) aa0m nn nn 0m 0x （data） ax 返 回 圖 4.8 標(biāo)度轉(zhuǎn)換程序 線性刻度標(biāo)度變換子程序 4.34.3 pidpid 控制算法控制算法 4.3.1 pid 算法基本原理 通常，電爐爐溫的控制采用偏差控制算法。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)偏差處理，從而獲得控制信

52、號(hào)去調(diào)節(jié)電爐的加熱 功率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。 在工業(yè)上，偏差控制又稱為 pid（proportional integral and differential,比例積 分與微分） 。這是工業(yè)控制過(guò)程中應(yīng)用廣泛的一種控制形式，一般都能收到令人滿 意的效果。 控制論告訴我們，pid 控制的理想微分方程為： u（t）= （4.2） dt ) t (de t dt) t ( e t 1 ) t ( e k t 0 d i p 其中 e(t)=r(t)-y(t)稱為偏差值，可作為溫度調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)，其中 r(t)為給 定值，y(t)為被測(cè)變量的值；為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間 kptitd

53、常數(shù)；u(t)為調(diào)節(jié)器的輸出控制器輸出控制信號(hào)。 但計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，故上述數(shù)學(xué)方程必須加以變換。若設(shè)溫度的采 樣周期為 t，第 n 次的采樣得到的輸入偏差為，調(diào)節(jié)器輸出為 ，則有： enun （微分用差分代換） t ee dt ) t (de 1nn （積分用求和代替）tdt) t ( e n 0k k t 0 e 這樣式 4.2 便可寫為： （4.3） t ee t t e t 1 eku 1 -nn n 0k dk i npn 寫成遞推式為： ee 2 e t t e t t eeku 2-n1 -nn d n i 1 -nnpn + t ee t t e t 1 e 2-n1 -

54、n 1n 0k dk i 1 -nkp = e2ee t t e t t eeku 2-n1 -nn d n i 1 -nnp1 -n 把上式改寫為： u（n）=u（n-1）+e(n)-e(n-1)+ kp )2n(e) 1n(2e)n(e k )n(e kdi =u(n-1)+ (4.4) pppdip1 式 4.4 可以改寫成：ppp) 1k(pp dipk 計(jì)算 ke ki 根據(jù) e（k）= 計(jì)算 e（k） k uu ir 計(jì)算 1 kp keke 計(jì)算 1 kp keke 計(jì)算 ke k keke i 1 kp 計(jì)算+ ke k keke i 1 kp 212kekeke kd 計(jì)算

55、p（k） 返 回 圖 4.9 pid 算法流程圖 4.3.2 pid 算法及子程序 pid 控制算法要用到雙字節(jié)加法程序 dsum，完成 r4r5+r3r2r7r6。 雙字節(jié)求補(bǔ)程序 cpl1 對(duì) r3r2 求補(bǔ)，雙字節(jié)帶符號(hào)乘法子程序 mult1，因 加法和求補(bǔ)算法比較簡(jiǎn)單，僅對(duì)雙字節(jié)帶符號(hào)乘法作詳細(xì)介紹。 入口條件：r7r6=被乘數(shù) r5r4=乘數(shù) 出口條件：積為 32 位，按 r0 存入 標(biāo)志位 ：sign1 為地址 5ch sign2 為地址 5dh 具體算法如圖 4.10 帶符號(hào)雙字節(jié)乘法程序 被乘符號(hào)送 cy cy=1？ 對(duì) r7r6 求補(bǔ) 乘數(shù)符號(hào)送 cy cy=1？ 調(diào)用無(wú)符號(hào)

56、乘法程 序 兩乘數(shù)符號(hào)皆負(fù)？ 兩乘數(shù)符號(hào)皆正？ 對(duì)積高 16 位求補(bǔ) 返 回 n 對(duì) r5r4 求補(bǔ) n y y n n 圖 4.10 帶符號(hào)雙字節(jié)乘法程序流程圖 5 結(jié)論與展望結(jié)論與展望 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，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。 本設(shè)計(jì)僅以爐溫度為例進(jìn)行恒溫控制，稍加改動(dòng)后，可以廣泛應(yīng)用于鑄造、 熱處理等電熱恒溫及保溫控制場(chǎng)合。 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了溫度實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示、控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)溫度控制電路具有較高 的抗干擾性，實(shí)時(shí)性；在使用鍵盤與顯示器接口時(shí)，為了節(jié)省 i/o 口線常常把鍵

57、盤和顯示電路接在一起，構(gòu)成實(shí)用鍵盤和顯示電路；控制算法采用傳統(tǒng)的 pid 控 制算法。方案具有較高的測(cè)量精度，溫度控制實(shí)時(shí)性更高，更加適合對(duì)溫度精度 要求較高的化工生產(chǎn)、電力工程等行業(yè)，并希望通過(guò)本設(shè)計(jì)收到舉一反三和觸類 旁通的效果。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先在老師的指導(dǎo)下熟悉了系統(tǒng)的工藝，進(jìn)行對(duì)象的分析， 按照要求確定方案。然后進(jìn)行硬件和軟件的設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)計(jì)使我掌握了微型機(jī)控 制系統(tǒng) i/o 接口的擴(kuò)展方法，模擬量輸入/輸出通道的設(shè)計(jì)，常用控制程序的設(shè)計(jì) 方法，數(shù)據(jù)處理及線性標(biāo)度技術(shù)，pid 算法的設(shè)計(jì)思想。 在領(lǐng)到課題時(shí)，本人對(duì)單片機(jī)的基本知識(shí)了解甚少，而匯編語(yǔ)言也是剛接觸， 所以花了大量的時(shí)間

58、去做準(zhǔn)備工作。在老師的指導(dǎo)和幫助下，克服了一系列困難 終于完成了本設(shè)計(jì)，基于本人能力有限，該設(shè)計(jì)還有許多不足之處有待改進(jìn)。 針對(duì)本課題目前的研究進(jìn)展，作以下幾點(diǎn)展望： 1、本課題所設(shè)計(jì)的硬件電路和軟件程序，目前還處于理論設(shè)計(jì)階段，所有的 功能模塊有待實(shí)驗(yàn)室調(diào)試通過(guò)。 2、本設(shè)計(jì)的所用到的 pid 控制算法有待優(yōu)化?；?pid 控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控 制，模糊控制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊 pid 控制算法對(duì)存在滯后性、非線性、時(shí)變性、不 確定隨機(jī)干擾的系統(tǒng)的控制將會(huì)收到良好的效果。 3、為了能實(shí)現(xiàn)更精確的控制，可設(shè)置多個(gè)溫度采樣點(diǎn)。 附錄附錄 a：系統(tǒng)總電路圖：系統(tǒng)總電路圖 附錄附錄 b：鍵盤：鍵盤/led

59、接口圖接口圖 附錄附錄 c：系統(tǒng)源程序：系統(tǒng)源程序 org 0000h ajmp main org 0100h ajmp ct0 org 00bh ajmp ct1 org 001b main:dism0 data 78h dism1 data 79h dism2 data 7ah dism3 data 7bh dism4 data 7ch dism5 data 7dh mov sp, #50h ； 50h 送 sp clr 5eh ； 清本次越限標(biāo)志 clr 5fh ； 清上次越限標(biāo)志 clr a ； 清累加器 a mov 2fh， a ； mov 30h， a ； mov 3bh， a ；

60、 mov 3ch， a ； 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 ； mov dptr，#7f00h mov a， #07h ， movx dptr, a ； 8155 初始化 mov tmod， #056h ； mov tl0, #06h ； t0 賦初值 mov th0， #06h ； clr pt0 ； 令 t0 為底中斷優(yōu)先級(jí) setb tr0 ； 啟動(dòng) t0 工作 se