微機(jī)控制課程設(shè)計(jì)電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、微機(jī)控制課程設(shè)計(jì) 電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)班 級(jí)：學(xué) 號(hào)：姓 名: 完成日期：2013年5月 目錄一課程設(shè)計(jì)目的二課程設(shè)計(jì)任務(wù)三課程設(shè)計(jì)要求四. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)五.硬件電路設(shè)計(jì)六.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)七. 設(shè)計(jì)總結(jié)八. 參考文獻(xiàn)九. 附錄一 課程設(shè)計(jì)目的:大學(xué)本科學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)和提高是大學(xué)本科教育的一個(gè)重要內(nèi)容。如何讓學(xué)生在學(xué)好基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，迅速掌握應(yīng)用技術(shù)，實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)起著非常重要的作用。本課程設(shè)計(jì)的目的，是讓自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生通過課程設(shè)計(jì)，首先熟悉認(rèn)識(shí)微機(jī)控制的理論基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，掌握初步微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，從硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面得到實(shí)際的提高，為今后的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下

2、良好的基礎(chǔ)。二 課程設(shè)計(jì)任務(wù):設(shè)計(jì)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(fù)1度。選擇合適的傳感器，計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)主電路。2、 設(shè)計(jì)控制電路。3、 繪制主程序流程圖，設(shè)計(jì)主程序。4、 設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求：1.運(yùn)用微機(jī)控制理論，根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)微機(jī)控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)方框圖，繪制微機(jī)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(shè)計(jì)應(yīng)由學(xué)生本人獨(dú)立完成完成，嚴(yán)禁抄襲（對(duì)自己的設(shè)計(jì)

3、不熟悉，讀不懂設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵功能部分，對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不清楚，對(duì)設(shè)計(jì)的功能不了解等），一經(jīng)驗(yàn)收教師認(rèn)定其抄襲行為，成績(jī)即為不及格。3.認(rèn)真編寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告，按要求格式書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。四. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)：總體設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)電路，晶閘管主電路對(duì)電爐爐溫進(jìn)行控制的微機(jī)控制系統(tǒng)。本溫度控制系統(tǒng)按功能分主要包括四個(gè)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(jī)構(gòu)圖如下圖所示：圖3.1 總體結(jié)構(gòu)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(jié)

4、束后，開始爐溫控制模塊，首先讀取PT100數(shù)據(jù)，再與設(shè)定值比較，決定繼電器的通斷時(shí)間，控制加熱爐溫度及警報(bào)器超限報(bào)警。 圖3.2 數(shù)據(jù)處理流程圖五.硬件電路設(shè)計(jì)：1.單片機(jī)最小系統(tǒng):單片機(jī)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(jiǎn)單的電路就能夠獨(dú)圖1單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖立成一定的工作任務(wù)的單片機(jī)系統(tǒng)。51單片機(jī)的最小系統(tǒng)由單片機(jī)芯片、電源、時(shí)鐘電路、和復(fù)位電路組成。如圖1單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖所示，其中的晶振時(shí)鐘電路用來產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，以提供單片機(jī)片內(nèi)各種數(shù)字邏輯電路工作的時(shí)間基準(zhǔn)。按鍵S6_1能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位，電容C6_1能實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位，復(fù)位電路用來使片內(nèi)電路完成初始化的操作，具體功能是使

5、程序計(jì)數(shù)器PC=0000H，引導(dǎo)程序從0000H地址單元開始執(zhí)行； SFR中的21個(gè)特殊功能寄存器復(fù)位后的狀態(tài)是確定2.聲光報(bào)警電路:如圖2聲光報(bào)警電路所示：當(dāng)水溫高于上限溫度、低于下限溫度或者在誤輸入時(shí)，單片機(jī)P1.1口給warn一個(gè)低電平信號(hào)來導(dǎo)通三極管8550以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和LED燈，進(jìn)行系統(tǒng)聲光報(bào)警。當(dāng)溫度恢復(fù)到設(shè)置范圍內(nèi)后，聲光報(bào)警自動(dòng)撤銷。圖2聲光報(bào)警電路3.顯示電路:用于顯示用戶設(shè)定的溫度、上限溫度、下限溫度和當(dāng)前溫度值等，精確到小數(shù)點(diǎn)后一位。如圖2所示，單片機(jī)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(dāng)其中位選編碼輸出低電平時(shí)，三極管

6、8550導(dǎo)通，使得共陽極數(shù)碼管公共端得到一個(gè)高電平，同時(shí)P2口輸出相應(yīng)的要顯示的數(shù)字共陽極字型碼并通過74HC573將段碼信號(hào)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(shè)置設(shè)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(shè)定值、上限值、下限值、顯示溫度位選鍵：選擇修改百位、十位、個(gè)位、十分位這四位的標(biāo)志加1鍵：每按一次鍵，位選標(biāo)志所指的當(dāng)前位的值加1減1鍵：每按一次鍵，位選標(biāo)志所指的當(dāng)前位的值減1確定鍵：保存設(shè)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(dāng)按鍵沒有被按下時(shí)，P1.3-P1.7通過下拉電阻接地，單片機(jī)此時(shí)檢測(cè)的電平是低電平，當(dāng)有鍵按下

7、時(shí)，對(duì)應(yīng)P1.3-P1.7中的引腳與VCC接通，單片機(jī)此時(shí)檢測(cè)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(zhuǎn)換電路:放大電路設(shè)計(jì)：熱電阻測(cè)溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測(cè)量的。通常將其放在電橋的橋臂上，溫度變化時(shí)，熱電阻兩端的電壓信號(hào)被送到儀器放大器LM741的輸入端，經(jīng)過儀器放大器放大后的電壓輸出送給A/D轉(zhuǎn)換芯片，從而把熱電阻的阻值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。電路原理圖如圖5所示。圖5信號(hào)采集與放大電路A/D電路的設(shè)計(jì):A/D轉(zhuǎn)換采用芯片ADC0809，ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近

8、式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接連接。電路原理圖如圖6。圖6 A/D轉(zhuǎn)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(hào)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(xué)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(nèi)導(dǎo)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(qū)動(dòng)，通過控制一個(gè)采樣周期內(nèi)可控硅導(dǎo)通波頭數(shù)，就可控制電熱元件消耗的電能，從而達(dá)到控制其溫度的目的。單片機(jī)對(duì)溫度的控制通過可控硅調(diào)功器電路來實(shí)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?qū)?，因?/p>

9、可看作“雙向閘流管”。采用可控硅的驅(qū)動(dòng)電路是其主電路與控制電路之間的接口。驅(qū)動(dòng)電路為雙向晶閘管提供開通控制信號(hào)，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(shè)計(jì)：任務(wù)重點(diǎn)在這個(gè)部分，內(nèi)容是整個(gè)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。該部分涉及面廣，貫穿整個(gè)系統(tǒng)，是整個(gè)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(gè)系統(tǒng)的主程序，相當(dāng)于微機(jī)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(jì)算、標(biāo)度變換、數(shù)字濾波等）；控制

10、信號(hào)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(zhuǎn)換子程序、PID計(jì)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(shè)計(jì)。首先，使T0定時(shí)器產(chǎn)生每秒一次的定時(shí)中斷。作為本系統(tǒng)的采樣周期在其中斷服務(wù)程序中啟動(dòng)A/D，讀入采樣資料，進(jìn)行數(shù)字濾波，上下報(bào)警處理，PID計(jì)算等，然后輸出控制脈沖信號(hào)。脈沖的寬度則由T1計(jì)數(shù)器溢出中斷決定。在等待T1中斷時(shí)，將本次樣數(shù)值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度值放入顯示區(qū)。然后調(diào)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。 其系統(tǒng)原理方框流程圖如圖8：主 程 序設(shè) 堆 棧清 標(biāo) 志

11、清暫存單元T1中斷程序清顯示緩沖區(qū)清標(biāo)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(shè)堆棧CLR5EH；清本次越取標(biāo)志CLR5FH；清上次越限標(biāo)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(jì)數(shù)，T1 方式計(jì)數(shù) CLR PT0；T0優(yōu)先級(jí)中斷SETB TR0；啟動(dòng)T0SETB ET0；允許T0中斷SETB EA；CPU開中斷 LOOPACALL DISPLAY ；調(diào)顯示子程序AJMP LOOP；等待中斷2.ADC轉(zhuǎn)換子程序: 開 始延 時(shí) 設(shè)采樣值地址首址轉(zhuǎn)換結(jié)束？ N 設(shè)計(jì)數(shù)器結(jié)果送內(nèi)存 選通IN0 計(jì)數(shù)器為0N 啟動(dòng)ADC結(jié) 束 圖9 ADC轉(zhuǎn)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(jì)數(shù)器賦值SAM1： MOV DPTR，#03F8H ； MOVX DPTR，A ；啟動(dòng)ADC MOV R2，#20H ；延時(shí)DLY： KJNZ R2，DLY ；結(jié)束HERE： JB P3.3，HERE ；等待ADC結(jié)束 MOVX A，DPTR ； MOV R0，A ；存放采樣值 DJNI R1，SAM1 ； RET3. PID計(jì)算程序:此程序流程圖如圖10： 開 始輸入U(xiǎn)i(k)，UR計(jì)算E(k)= UR=Ui(k) 計(jì)算PI(k)=KI I(k)計(jì)算PP(k)=KP E(k)I(k1) 計(jì)算 PI + PP 計(jì)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(jì)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(bǔ)碼 ACALL DSUM ；計(jì)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(jì)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(jì)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(dòng)態(tài)顯示

18、程序框圖如圖11所示。顯示程序的要點(diǎn)有兩個(gè)：一是代碼轉(zhuǎn)換。因?yàn)橹苯域?qū)動(dòng)LED顯示器的是字形碼，而人們習(xí)慣的是0、1、2、F等字符，因此，必須將待顯示的字符轉(zhuǎn)換成字形碼。轉(zhuǎn)換用查表的方法進(jìn)行。二是通過軟件實(shí)現(xiàn)逐位輪流點(diǎn)亮每個(gè)LED。為了實(shí)現(xiàn)代碼轉(zhuǎn)換，首先開辟一個(gè)顯示緩沖區(qū)，將待顯示的字符預(yù)先存放在緩沖區(qū)中。由于有4位LED顯示器，故不妨假設(shè)顯示緩沖區(qū)長(zhǎng)度為4個(gè)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(duì)應(yīng)，DIS3單元與最右邊一位LED相對(duì)應(yīng)。開 始8155初始化動(dòng)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(shí)1mS指向下個(gè)顯示緩沖單元

19、顯示下一位4位顯示完？結(jié) 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(shè)計(jì)總結(jié)：這次微機(jī)控制課程設(shè)計(jì)，我們的主要任務(wù)是對(duì)電阻爐溫度控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用PT100溫度傳感器經(jīng)過放大和A/D轉(zhuǎn)換器送到單片機(jī)進(jìn)行溫度控制，通過外接電路擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警和溫度顯示功能。這次課程設(shè)計(jì)歷時(shí)一周，從一開始的課題確定，到后來的資料查找、理論學(xué)習(xí)，方案確定，這一切都使我的分析能力和理論知識(shí)進(jìn)一步得到提升。雖然在設(shè)計(jì)過程中遇到很多問題，但是最后還是在老師以及同學(xué)的幫助下圓滿解決了這些問題，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，很好地完成了本次設(shè)計(jì)任務(wù)。通過本次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)溫度控制系統(tǒng)有了進(jìn)一步的熟悉和更深入的學(xué)習(xí)，了解并掌握了傳感器的基本理論知識(shí)，更深入的掌握單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用和編程控制。為以后從事單片機(jī)軟硬件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)、打下了良好的基礎(chǔ)，樹立獨(dú)立從事產(chǎn)品研發(fā)的信心，并在這種能力上