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基于8031单片机温度控制系统设计

摘要

随着国民经济的发展，人们需要对各种加热炉、热处理炉、烘干箱温度进行监测和控制。

采用单片机来对他们控制不仅具有控制方便，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，从而能够大大的提高产品的质量和数量。

本设计以MCS-51单片机为基础，结合温度传感变送器、A/D转换器、LED显示器等，组成一个基于MCS-51系列中8031单片机的温度控制系统本设计，对烘干箱的温度进行检查与控制。

温度控制误差≤±2℃。

烘干时显示实时温度，显示精确到1℃。

关键词：

单片机，烘干箱，温度控制，过程控制系统

baseon8031Singlechiptemperaturecontrolsystemdesign

ABSTRACT

Withthedevelopmentofthenationaleconomy,thereisaneedfora

rietyoffurnace,heattreatmentfurnace,dryingboxtemperaturemonitoringandcontrol.Single-chipcomputertocontrolnotonlyhascontroloftheirconvenience,simplicityandflexibilityadvantages,butalsosubstantialincreaseintemperaturewaschargedwithtechnicalindicators,whichcangreatlyimprovethequalityandquantityofproducts.

TheMCS-51designisbasedonsingle-chip,combinedwithtemperaturesensingtransducer,A/Dconverter,LEDdisplayandsoon,basedontheformationofaMCS-51seriesof8031single-chiptemperaturecontrolsystemforthedesign,thetemperatureofthedryingboxtocheckandcontrol.Temperaturecontrolerror≤±2℃.Displayreal-timetemperatureofdrying,indicatingaccurateto1℃.

KEYWORDS:

microcontroller,drybox,temperaturecontrol,processcontrolsystem.

目　录

附图

前言

在工业生产中，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。

其中，温度控制也越来越重要。

在工业生产的很多领域中，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。

采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、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，从而能够大大的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控制问题。

单片机是一种集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统等部分于一体的器件，只需要外加电源和晶振就可实现对数字信息的处理和控制。

因此，单片机广泛用于现代工业控制中。

本论文侧重介绍“单片机温度控制系统”的软件设计及相关内容。

论文的主要内容包括：

采样、滤波、键盘、LED显示和报警系统，加热控制系统，单片机MCS-51的开发以及系统应用软件开发等。

作为控制系统中的一个典型实验设计，单片机温度控制系统综合运用了微机原理、自动控制原理、模拟电子技术、数字控制技术、键盘显示技术等诸多方面的知识，是对所学知识的一次综合测试。

第1章绪论

1.1概述

随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。

其中，温度是一个非常重要的过程变量。

例如：

在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。

然而，用常规的控制方法，潜力是有限的，难以满足较高的性能要求。

采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，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控制问题。

1.2单片机技术简介

1.2.1单片机技术的发展

所谓单片机是指在一个集成芯片中，集成微处理器、存储器、基本的I/0接口以及定时/计数、通信部件，即在一个芯片上实现一台微型计算机的基本功能。

1970年微型计算机研制成功之后，随着就出现了单片机（即单片微型计算机）。

美国Intel公司1971年生产的4位单片机4004和1972年生产的雏形8位单片机8008，特别是1976年MCS-48单片机问世以来，在短短的二十几年间，经历了四次更新换代，其发展速度大约每二、丁三年要更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番。

其发展速度之快、应用范围之广，己达到了惊人的地步。

尽管日前单片机的品种很多，但其中最具典型性的当数Intel公司的MCS-51系列单片机。

MCS-51是在MCS-48的基础上于80年代初发展起来的，虽然它仍然是8位的单片机，但其功能有很大的增强。

由于PHILIPS,ATMEL,WELBORD,LG等近百家IC制造商都主产51系列兼容产品，具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。

因此，MCS-51应用非常广泛，成为继MCS-48之后最重要的单片机品种。

直到现在MCS-51仍不失为单片机中的牡流机型。

国内尤以Intel的MCS-51系列单片机应用最广。

由于8位单片机的高性能价格比估计近十年内，8位单片机仍将是单片机中的主流机型。

1.2.2单片机技术的应用

随着计算机技术的发展和在控制系统中的广泛应用，以及设备向小型化、智能化发展，作为高新技术之一的单片机以其体积小、功能强、价格低廉、使用灵活等优势，显示出很强的生命力。

它和一般的集成电路相比有较好的抗干扰能力，对环境的温度和湿度都有较好的适应性，可以在工业条件下稳定工作。

且单片机广泛地应用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，提高它们的测量速度和测量精度，加强控制功能。

如Mcs-51系列单片机控制的“船舶航行状态自动记录仪”、“烟叶水分测试仪”、“智能超声波测厚仪”等。

单片机也广泛地应用于实时控制系统中，例如对下SID卜各种窑炉的温度、酸度、化学成分的测量和控制。

将测量技术、自动控制技术和单片机技术相结合，充分发挥其数据处理功能和实时控制功能，使系统工作处于最佳状态，提高系统的生产效率和产品质量。

从航空航天、地质石油、冶金采矿、机械电子、轻工纺织等行业的分布系统与智能控制以及机电一体化设备和产品，到邮电通信、日用设备和器械，单片机都发挥了巨大作用。

其应用大致可分为以下儿方面:

1．机电一体化设备的控制核心

机电一体化是机械设备发展的方向。

单片机的出现促进了机电一体化技术的发展，它作为机电产品的控制器，充分发挥其自身优点，大大强化了机器的功能，提高了机器的自动化、智能化程度。

最典型的机电产品机器人，每个关节或动作部位都是个单片机控制系统。

2．数据采集系统的现场采集单元

大型数据采集系统，要求数据采集的同步性和实时性要好。

使用单片机作为系统的前端采集单元，由主控计算机发出采集命令，再将采集到的数据逐一送到主计算机中进行处理。

如有些气象部门、油田采油部门以及电厂等均可采用这样的系统。

3．分布控制系统的前端控制器

在直接控制级的计算机分布控制系统（DCS）中，单片机作为过程控制中每一分部操作或控制的控制器，进行数据采集、反馈计算、控制输出，并在上位机命令的指挥下进行相应协调工作。

第2章元器件介绍

2.1单片机系统主机的选择

2.1.1单片机的主流系列及机型选择

1．Intel公司的MCS-48（8位机）：

8位CPU，并行I/O口，8位定时/计数器寻址范围不大于4k，且无串行口，属于初级单片机，功能小，易于控制。

2．Intel公司的MCS-51（8位机）：

多级中断处理系统，8位定时/计数器。

RAM,ROM寻址范围可达64k字节，且带有串行I/O口，此类单片机应用领域极其广泛。

且货源充足，其在国内的主流的地位有可能稳定一个相当时期。

3．Intel公司的MCS-96（16位机）：

多级中断处理系统。

16位定时/计数器。

并行I/O口扩展，且带有串行口，属于高档单片机，功能强大，性能稳定，是今后单片机发展的主体方向。

因考虑频率的显示程序中需使用串行输出，而MCS-48系列无串行口，且寻址范围过小，故不易实现产品的功能，MCS-51系列单片机功能全面，可靠性高，容易达到产品的性能指标，且货源充足，性能价格比较高。

MCS-96虽功能强大，但本次设计频率计软件对单片机性能要求较低，且MCS-96价格昂贵故MCS-51系列能基本满足要求，是首要选择。

MCS-51系列中又以8031、8051、8751为代表。

它们之间最大的差别在于片内ROM的供应状态。

在8051和8751中，片内有4k字节的ROM/EPROM,而8031片内无ROM/EPROM,故如选择8031，片外必须扩展EPROM，由于8031相对8051、8751供应状态相对充足，且性价比较高，故本设计中选用8031单片机作为控制芯片。

2.1.28031单片机特点

8031单片机采用40引脚双列直插封装（DIP）形式，对于CMOS单片机除采用DIP形式外，还采用方形封装工艺。

MCS-51单片机引脚及总线结构如图2-1所示。

图2-1MCS-51单片机引脚及总线结构

（a）管脚图；（b）8031引脚功能分类

由于受到引脚数目的限制，所以有一些引脚具有第二功能。

在单片机的40条引脚中，有两条专用于主电源的引脚，两条外接晶体的引脚，四条控制和其它电源复用引脚，32条输入/输出引脚。

下面分别说明这些引脚的名称和功能：

1．主电源引脚：

Vcc和Vss

Vcc（40脚）：

正常操作、对EPROM编程和验证时接+5V电源。

Vss（20脚）：

接电源地。

2．时钟电路引脚：

XTAL1和XTAL2

XTAL1（19脚）：

内部晶体振荡电路的反相放大器的输入端。

使用内部振荡电路

时接外部石英晶体和微调电容的一端；使用外部时钟时，该引脚接地

XTAL2（18脚）：

内部晶体振荡电路的反相放大器的输出端。

使用内部振荡电路时，接外部石英晶体和微调电容的另一端；使用外部时钟时，该引脚用于输入外部时钟脉冲。

3．控制信号引脚：

RST/Vpd（9脚），RST为复位信号输入端，在该引脚上保持两个机器周期（24个部RAM备用电源输入端。

当主电源Vcc一旦发生掉电或电压降低到一定值时，可通过Vpd是为单片机内部RAM提供电源，以保护片内RAM中的信息不丢失，使主电源恢复后能继续正常运行。

4．ALE/（30脚）：

地址锁存器使能输出/编程脉冲端。

当CPU访问外部存储器时ALE的输出作为外部锁存地址的低位字节的控制信号，当不访问外部存储器时，ALE端仍以1/6的时钟振荡频率固定地输出正脉冲。

另外，在对MCS8051片内EPROM编程（固化）时，此引脚用于输入编程脉冲。

5．（29脚）：

程序存储允许输出。

是片外部程序存储器ROM的读选通信号。

从片外程序存储器取数时，每个机器周期内激发两次（然后，当执行片外程序存储器存取时，在每次存取片外数据存储器时，有两个脉冲是不出现的）。

从内程序存取时不激发。

对8031而言，访问外部程序存储器时，将PC的十六位地址输出到P2口和P0口外部的地址寄存储器后，产生负脉冲选通片外程序存储器。

相应的存储单元的指令字节送到P0口，供8031读取。

6．Vpp（31脚）：

外部访问允许/编程电源输入。

当端输入高电平时，CPU执行程序。

低4KB（0000H—0FFFH）地址范围内，访问片内程序存储器，在程序计数器PC的值超过4KB地址时，将自动转向执行片外程序存储器的程序。

当EA输入低电平时，CPU仅访问片外程序存储器。

7．输入/输出（I/O）引脚:

P0，P1，P2和P3。

P0口（P0.0—P0.7）：

第一功能是作8位漏极开路型的双向I/O端口；第二功能是在访问外部存储器时，分时作低8位地址总线和8位数据总线使用。

在对8031片内EPROM进行编程和效验时，P0口用于传送低8位地址和编程代码。

P0口每位都能驱动8个LSTTL负载。

P1口（P1.0—P1.7）：

作内部带上拉电阻的8位准双向I/O口线。

P1口每位能驱动4个LSTTL负载。

P2口（P2.0—P2.7）：

第一功能是作内部带上拉电阻的8位准双向I/O端口；第二功能是在访问外部存储器时，作高8位地址总线。

在对8031片内EPROM进行编程和效时,P2.7、P2.6用于操作方式控制，P2.3—P2.0接收高4位地址（4KBEPROM需12位地址P2口每位能驱动4个LSTTL负载。

P3口（P3.0—P3.7）：

P3口是8位准双向I/O端口，它是一个复用功能口。

作为第一功能使用时，为普通I/O口，作为第二功能使用时，各引脚的定义如表2-1。

表2-1P3口各线的第二功能表

P3口

特殊功能

说明

P3.0

RXD

串行输入口

P3.1

TXD

串行输出口

P3.2

外部中断0请求输入线

P3.3

外部中断1请求输入线

P3.4

定时器/计数器0外部计数脉冲输入线

P3.5

定时器/计数器1外部计数脉冲输入线

P3.6

　　　　　　　外部数据存储器写脉冲输出线

P3.7

外部数据存储读脉冲输出线

2.1.3总线结构

1．地址总线：

地址总线宽度为16位。

2．数据总线：

总线宽度为8位，由P0口提供P0.0—P0.7。

3．控制总线：

由P3口第二功能状态和4根独立控制线组成。

主要性能：

内部程序存储器：

4KB

内部数据存储器：

128B

外部程序存储器：

可扩展到64KB。

外部数据存储器：

可扩展到64KB。

并行口输入/输出线：

32根（4个端口，每个端口8根）。

定时/计数器：

2个16位可编程的定时计数器。

串行口：

全双工，二根。

寄存器区：

在内部数据存储器的128KB中划出一部分作为寄存器区，分为四个区，每个区8个通用寄存器。

中断源：

5个中断源，2个优先级别。

布尔处理机：

即位处理机，对某些单元的某位做单独处理

指令系统（系统时钟为12MHZ时）：

大部分指令执行时间为1us；少部分指令执行时间为2us;只有乘、除指令的执行时间为4us。

2.2温度传感器

在本次的设计中，我所采用的是热电阻。

热电阻测温的基础是大多数金属导体的电阻率温度升高而增大，具有正的温度系数。

在工业上广泛应用的热电阻温度计一般用来测量-200～+500℃范围的温度，随着科学技术的发展热电阻温度计的测量范围低温端可达1K左右，高温端可测到1000℃。

热电阻温度计的特点是精度高，适宜于测低温。

在560℃以下的温度测量时，它的输出信号比热电偶容易测量。

（1）纯金属是热电阻的主要制造材料，热电阻的材料应具有以下的特性：

①电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。

②电阻率高，热容量小，反应速度快。

③材料的复现性和工艺性好，价格低。

④在测温范围内化学物理特性稳定。

（2）铂电阻

目前，在工业中应用最广的铂和铜，并已制作成标准温热电阻。

铂电阻的特点是精度高，稳定性好，性能可靠。

铂在氧化性气氛中，甚至在高温下的物理、化学性质都非常稳定。

因此铂被公认为是目前制造热电阻的最好材料。

铂电阻与温度之间的关系接近于线性，在0630.74℃范围内可用下式表示:

Rt=R0（1+At+Bt^2）。

在-190～0℃范围内为Rt=R0（1+At+Bt^2+Ct^3）。

该式中，R0、Rt为温度0时铂电阻的电阻值，t为任意温度，A、B、C为温度系数，由实验确定，A=3.9684*10-3/℃，B=-5.847*10^-7/℃，C=-4.22*10^-12/℃。

由上面的两个式子可以看出，当R0值不同时，在同样的温度下，其Rt值也不同。

目前国内统一设计的一般工业用标准铂电阻值R0有100欧和500欧两种，并将电阻值Rt与温度t的相应关系统一列成表格称其为铂电阻的分度表，分度号分别用Pt100和Pt500表示。

铂电阻在常用的热电阻中准确度最高，国际温标ITS-90中还规定，将具有特殊构造的铂电阻作为13.5033K-961.78℃标准温度计来使用。

铂电阻广泛应用于-200～850℃范围内的温度测量，工业中通常在600℃以下。

2.3

2864A介绍

电擦除电可编程只读存储器是近年来被广泛应用的一种新产品。

其优点是能使CPU在线修改其中的数据，并可在断电情况下保存数据，集EPROM和RAM功能一体。

Intel2864A是8k×8位

，单±5V供电，最大工作电流为140mA，维持电流60mA，其24脚的管脚及原理图见图2-2。

由于片内设有编程所需的高压脉冲产生电路，因此无需外加编程电源和写入脉冲。

图2-22864A管脚及原理框图

（a）管脚；（b）原理图

2864A有4种工作方式，如表2-2所示。

表2-22864A工作方式

方式

控制脚

~I/

读出

输出信息

写入

数据输出

维持

高阻

禁止写

—

禁止写

—

1．维持和读出方式：

2864A的维持和读出方式与普通EPROM完全相同。

2．写入方式：

2864A提供了两种数据写入操作方式，即字节写入和页面写入。

3．数据查询方式：

数据查询方式是指用软件来检测写操作中的“页存储”周期是否完成。

在“页存储”期间，如进行写操作，读出的是最后写入的字节，若芯片的转储工作未完成，则读出数据的高位是原来写入字节最高位的反码，据此，CPU可判断芯片的编程是否结束。

2846A与8031的接口电路如图2-3所示。

图2-32864A与8031的接口电路

2.4ADC0809介绍

A/D转换电路很多,选择A/D转换器件主要从速度.精度和蔼价格等方面行考虑,根据A/D转换器的工作原理，可以分为下面的三种类型：

①并行A/D变换器：

速度高，价格也很昂贵，用于高速（如视频处理场合）。

②逐次逼近型A/D转换器：

精度速度价格方面比较折衷，是最常用的一种A/D转换器。

③双积分型A/D转换器：

精度高，抗干扰能力強，价格低，但是速度慢，常用于測量仪表等场合。

2.4.1ADC0809转换器及其接口电路

ADC0809是8位CMOS逐次逼近式A/D转换器。

内部有8路模拟量输入通道和8位数字量输出的A/D转换器，它是美国国家半导体公司的产品，是目前国内最广泛的8位通用的A/D转换的芯片。

启动信号为脉冲启动方式，最大可调误差为±1LSB。

ADC0809内部设有时钟电路，故CLK时钟需由外部输入。

其内部结构图如下图2-4所示。

图2-4ADC0809的内部结构

片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路输入模拟信号分时转换，具有多路开关的地址译码和锁存电路、8位A/D转换器和三态输出锁存器等。

在时钟脉冲的同步下,控制逻辑先使N位寄存器的D7位置1（其余位为0）,此时该寄存器输出的内容为80H,此值经DAC转换为模拟量输出VN,与待转换的模拟输入信号VIN相比较,若VIN大于等于VN,则比较器输出为1.于是在时钟脉冲的同步下,保留D7=1,并使下一位D6=1,所得新值（C0H）再经DAC转换得到新的VN,再与VIN比较,重复前述过程.反之,若使D7=1后,经比较,若VIN小于VN,则使D7=0,D6=1,所得新值VN再与VIN比较,重复前述过程.依次类推,从D7到D0都比较完毕,转换便结束.转换结束时,控制逻辑使EOC变为高电平,表示A/D转换结,此时的D7~D0即为对应于模拟输入信号VIN的数字量。

如图2-5所示ADC0809与8031的接口电路。

图2-5ADC0809与8031的接口电路

2.4.2ADC0809引脚介绍

ADC0809采用双列直插式封装，共有28条引脚，如2-6图所示。

图2-6ADC0809引脚图

1.IN0--IN7

IN0—IN7为8路模拟电压输入线，用于输入被转换的模拟电压

2.ADDA，ADDB，ADDC

三位地址输入端。

八路模拟信号转换选择同由ABC决定。

A为低位，C为高位。

A、B、C三位地址的输入与8路通道的对应关系如下:

表2-3A、B、C三位地址的输入与8路通道的对应关系

ABC三位地址的输入与8路通道的对应关系

地址

编码

选中通道

IN0

IN1

IN2

IN3

IN4

IN5

IN6

IN7

3.CLK

外部时钟输入端，时钟频率高，A/D转换速度快。

允许范围为10--1280KHZ，典型值为640KHZ，此时，A/D转换时间为10us。

通常由MCS-51型单片机ALE端直接或分频后与其相连。

当MCS-51型单片机无读写外，RAM操作时，ALE信号固定为CPU时钟频率的1/6，若单片机外接的晶振为6MHZ，则1/6为1MHZ，A/D转换时间为64us。

4.D0--D7

数字量输出端，A/D转换的结果由这几个端口输出。

5.OE

A/D转换结果输出允许控制端，当OE端为高电平时，允许将A/D转换结果从D0--D7端输出。

通常由MCS-51型单片机的RD端和ADC0809片选端（例如P2.0）,通过或非门与ADC0809的OE端相连接。

当DPTR为FEFFH，且执行“MOVXA，@DPTR”指令后，RD和P2.0均有效，或非后产生高电平，使ADC0809的OE端有效，ADC0809将A/D转换的结果送入数据总线P0口，CPU在读入中。

6.ALE

地址锁存允许信号。

八路模拟通道地址由A，B，C输入在ADC0809的ALE信号有效时，将该八路地址锁存。

7.START

启动A/D转换信号。

当START端输入一个正脉冲时，立即启动ADC0809进行A/D转换。

START端与ALE端连在一起，由MSC-51型单片机WR和ADC0809片选端（例如P2.0）。

通过或非门连接，当DPTR为FEF8H时，执行“MOVX@DPTR,A”指令后，将启动ADC0809模拟通道0的A/D转换。

FEF8H~FEFFH分别为八路模拟输入通道的地址。

执行MOVX写指令，并非真的将A中的内容写进ADC0809中，ADC0809中没有一个寄存器，能容纳的A中的内容。

ADC0809的输入通道是IN0~IN7，输出通道是D0~D7，因此，执行：

“MOVX@DPTR,A”指令与A中内容无关，但DPTR地址应指向当前A/D的通道地址。

8.EOC

A/D转换结束

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