基于8031单片机温度控制系统设计.docx

1、基于8031单片机温度控制系统设计基于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base on 8031 Singl

2、echip temperature control system designABSTRACT With the development of the national economy, there is a need for a riety of furnace ,heat treatment furnace, drying box temperature monitoring and control. Single-chip computer to control not only has control of their convenience, simplicity and flexi

3、bility advantages, but also substantial increase in temperature was charged with technical indicators, which can greatly improve the quality and quantity of products. The MCS-51 design is based on single-chip, combined with temperature sensing transducer, A / D converter, LED display and so on, base

4、d on the formation of a MCS-51 series of 8031 single-chip temperature control system for the design, the temperature of the drying box to check and control. Temperature control error 2 . Display real-time temperature of drying, indicating accurate to 1 . KEY WORDS: microcontroller, dry box, temperat

5、ure control, process control system.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

6、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

7、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

8、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

9、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。

10、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

11、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

12、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1Intel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。2Intel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。3Intel公司的MCS-96（16

13、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

14、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。2.1.2 8031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2-1 MCS-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

15、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XTAL2XTAL1（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/Vp

16、d（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。4ALE/ （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

17、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。6Vpp（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（0000H0FFFH）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

18、序存储器。7输入/输出（I/O）引脚:P0，P1，P2和P3。P0口（P0.0P0.7）：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（P1.0P1.7）：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（P2.0P2.7）：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.

19、7、P2.6用于操作方式控制，P2.3P2.0接收高4位地址（4KB EPROM需12位地址P2口每位能驱动4个LSTTL负载。P3口（P3.0P3.7）：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2-1 P3口各线的第二功能表P3口特殊功能说明P3.0RXD串行输入口P3.1TXD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P3.4T0定时器/计数器0外部计数脉冲输入线P3.5T1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

20、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P0.0P0.7。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

21、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：电阻温度系数要大而

22、且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。电阻率高，热容量小，反应速度快。材料的复现性和工艺性好，价格低。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+Bt2) 。在-1900范围内为 Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3)。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

23、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-200850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

24、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8k8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2-2 2864A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2-2 2864A工作方式方 式控 制 脚I/I/读 出LLH输出信息写 入LHL数据输出维 持HXX高 阻禁止写XLX禁止写XXH1维持和读出方式：2864A的维持和

25、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2-3 2864A与8031的接口电路2.4 ADC0809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：并行A/D变换

26、器：速度高，价格也很昂贵，用于高速（如视频处理场合）。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。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。2.4.1 ADC0809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2-4 A

27、DC0809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

28、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D7D0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2-5 ADC0809与8031的接口电路2.4.2 ADC0809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2-6 ADC0809引脚图1. IN0-IN7IN0IN7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

29、址的输入与8路通道的对应关系如下:表2-3 A、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C00001111B00110011A01010101选中通道IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN73. 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6

30、4us。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. OEA/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“MOVX A，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

31、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。FEF8HFEFFH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IN0IN7，输出通道是D0D7，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. EOCA/D转换结束