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1、摘要本设计是以单片机为核心,用于通过接通和关断电炉来实现温度控制。主要分为自动控制和手动控制两大部分，自动控制部分中通过软件程序来实现温度的自动显示，接通和关断电炉，手动控制部分中通过人为的需要进行按键，实现相应的功能。本文首先介绍了面漆线温度控制设计的优点；其次介绍了控制装置的系统组成及工作原理；再次介绍了面漆线温度控制装置的硬件设计和软件设计，在设计硬件时为了使系统设计得更加科学合理，并在选择了电路时对主要参数进行了详细的计算；最后介绍了控制系统的调试过程。关键词:单片机；温度控制；面漆线I目录目录第 1 章绪论 .11.1本设计的优点 .11.2本设计的主要内容及思路.11.3本设计的意
2、义 .1第 2 章控制系统的组成及工作原理.22.1控制器的组成 .22.2控制器工作原理 .2第 3 章面漆线温度控制系统的硬件设计 .63.1 电源电路.63.2 8051 单片机的时钟电路和复位电路 .63.3 温度检测电路 .73.4 电炉控制电路 .83.5键盘电路.93.6 温度显示电路 . 11第 4 章面漆线温度控制系统的软件设计 .134.1 总体设计.134.2主程序和中断服务子程序设计 .134.3 温度检测子程序 .154.4温度控制子程序 . 错误！未定义书签。4.5键盘功能处理程序 .184.6显示电路程序设计 .20第 5 章结论与展望.235.1 结论 .235
3、.2 展望 .23致谢.24参考文献 .25附录 1 硬件电路图 .26附录 2 程序清单.28II绪论第 1 章绪论温度控制是工业生产过程中重要的被控参数之一，而且温度控制系统也是比较常见的典型过程控制系统。在冶金、机械、食品、化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉，对工件的处理温度等均需要对温度严格控制。当今计算机控制技术在这方面的应用，已使温度控制系统达到自动化、智能化，比过去单纯采用电子线路进行 PID 调节的控制效果要好的多。1.1本设计的优点本设计结合实际研制出一种面漆线温度控制装置，针对MCS51型单片机在检测和过程控制方面的应用，通过集成温度传感器AD5
4、90将温度值转换为电量输出。全面分析了面漆线温度控制控制。它的设计思想是人性化和智能化，其主要优点有：1、根据室温和设置温度两个条件比较是否需要加热，若温度达到设置值时则停止加热；2、具有温度显示功能；3、具有手动和自动切换功能，当处于手动时可以人为设置温度或加温；4、本装置还具有价格低、安装维护方便、操作简单等优点。1.2本设计的主要内容及思路本设计首先介绍了控制装置的系统组成和工作原理及控制器的组成和工作流程；其次介绍了面漆线温度控制装置的硬件设计，主要有直流稳压电源设计、温度检测电路设计、键盘及显示电路设计；再次介绍了面漆线温度控制装置的软件设计，主要包括主程序设计和中断程序设计；最后介
5、绍了控制系统的调试，主要有介绍了控制面板组成和调试中遇到的问题及解决的方法，结尾论述了主要结论与展望。1.3本设计的意义本设计通过单片机对温度进行控制，主要针对 MCS-51 型单片机在检测和过程控制方面的应用。提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途。单片机的应用离不开应用行业和电子技术的专业知识，决不是单纯的编制程序。从而也说明了单片机在我们生活中应用极为广泛。1淮安信息职业技术学院毕业设计论文第 2 章控制系统的组成及工作原理2.1控制器的组成因为被控系统对升温、降温过程没有具体要求，对温度控制精度要求也不高，本例选用继电器控制方式。温度设定、温度检测作为输
6、入量，1#电炉控制、2#电炉控制、3#电炉控制、温度显示作为输出量，如图 1 所示。系统要求如下：1、要求温度分为三档：第一档为室温，第二档为 40，第三档为 50。温度控制误差不大于正负 2。2、升温由三台 1000W 电炉实现。已知三台电炉同时工作，可保证在 3 分钟内将温度提高到 60以上。3、要求温度显示位数三位。4、对升温和降温过程的时间不作要求。温 度 设 定温 度 显 示2.2控制器工作原理1、控温方案微机温 度 检 测1# 电 炉 控2# 电 炉 控3# 电 炉 控图 1 控制器的结构框图转 换结束否？本控制系统分为手动和自动两种控制方式，在系统处于自动状态下，当检测温度高于设
7、置温度时，电炉通电开始工作，当温度高于设置温度时，电炉关闭停止工作。在系统处于手自动状态下，通过键盘的选择对温度进行设置。将检测温度与设置温度进行比较，实现电炉的通断，从而对温度进行控制。具体说明如下：室温：切除所有电炉。（1） 40：一般情况为 1#电炉工作；若高于 41，则 1#电炉停；若低于39，则再加上 2#电炉工作。2 控制系统的组成及原理（2） 50：一般情况为 1#、2#电炉同时工作；若高于 51，则 2#电炉停；若低于 49，则在加上 3#电炉工作。（3）因温度惯性较大，采样周期采取 1s，并刷新一次温度控制状态。2、温度采集信号的选择本例对控制精度要求不高，控制功能一般，温度
8、传感器选用 AD590。AD590 属于半导体集成电路温度传感器，测温范围-55到+150。3、转换器的选择由于系统的实际对象往往都是一些模拟量(如温度。压力。位移。图像等),要使计算机或数字仪表能识别。处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析。处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路-模数和数模转换器。将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器(简称 a/d 转换器或adc,analog to digital converter)；将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换
9、器(简称 d/a 转换器或 dac,digital to analog converter)；a/d 转换器和d/a 转换器已成为信息系统中不可缺俚慕涌诘缏贰？br为确保系统处理结果的精确度，a/d 转换器和 d/a 转换器必须具有足够的转换精度；如果要实现快速变化信号的实时控制与检测，a/d 与 d/a 转换器还要求具有较高的转换速度。转换精度与转换速度是衡量 a/d 与 d/a 转换器的重要技术指标。随着集成技术的发展，现已研制和生产出许多单片的和混合集成型的 a/d 和 d/a 转换器，它们具有愈来愈先进的技术指标本例选用 ADC0809 转换器，ADC0809 是带有 8 位 A/D
10、转换器、8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS 组件。它是逐次逼近式 A/D 转换器，可以和单片机直接接口。（1）ADC0809 的内部逻辑结构，如图 2 所示：3淮安信息职业技术学院毕业设计论文图 2 A/DC0809 的内部逻辑结构由上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用 A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存 A/D转换完的数字量，当 OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。则ADC0809 对输入模拟量要求：信号单
11、极性，电压范围是 05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。A/D 转换器是把数字量转换成模拟量的线性电路器件，已做成集成芯片。由于实现这种转换的原理和电路结构及工艺技术有所不同，因而出现各种各样的A/D转换器。目前，国外市场已有上百种产品出售，他们在转换速度。转换精度。分辨率以及使用价值上都各具特色。（2）A/D 转换器的主要参数：衡量一个 A/D 转换器的性能的主要参数有： a.分辨率是指 A/D 转换器能够转换的二进制数的位数，位数多分辨率也就越高。 b.转换时间指数字量输入到完成转换，输出达到最终值并稳定为
12、止所需的时间。电流型转换较快，一般在几 ns 到几百 ns 之间。电压型 A/D 转换较慢，取决于运算放大器的响应时间。4 c.精度控制系统的组成及原理指A/D转换器实际输出电压与理论值之间的误差，一般采用数字量的最低有效位作为衡量单位。 d.线性度当数字量变化时，A/D 转换器输出的模拟量按比例关系变化的程度。理想的转换器是线性的，但是实际上是有误差的，模拟输出偏离理想输出的最大值称为线性误差。5淮安信息职业技术学院毕业设计论文第 3 章面漆线温度控制系统的硬件设计3.1 电源电路直流稳压电源由变压器、单相桥式整流电路、三端集成稳压器等组成。220V 市电经过变压器降压后得到 15V 交流电
13、压，该电压经过单相桥式整流后获得近 18V 的直流电压，为了不使电路中产生电路突发的情况，还要经过滤波电路，把电容和负载电阻并联以便吸收脉动电压，并使输出电压保持平稳。为了不受市电波动的影响，提高系统工作的稳定性，我们采用相应的稳压块来获得控制电路所需的电压等级，具体电路如图 3 所示。+12V 220V 15V 15V C1 C2 7812 7912 C3 C4 7805C5 +5V -12V 图 3 直流稳压电源电路3.2 8051 单片机的时钟电路和复位电路1、时钟电路单片机内有一高增益反相放大器，构成自激振荡电路，振荡频率取 6MHz，外接 6MHz 晶振，两个电容 C1、C2 取 2
14、0pF，起便于起振的作用，如图 4 所示。X1C1 20PF6HzC2 20PFGNDX280512、复位电路图 4时钟电路采用上电复位电路，R、C 构成复位电路，在上电瞬间，产生一个脉冲，AT80516面漆线温度控制系统的硬件设计将复位。为保证可靠电容，脉冲宽度应大于两个机器周期，这取决于R、C时间常数。如图 5 取电容 C=10Uf,电阻 R=10K。+5V Vcc3.3 温度检测电路R 1KC 22uF80C51 RST/VpdVss 图 5上电复位电路在单片机应用系统中，常需要将检测到得连续变化的模拟量如电压、温度压力、流量、速度等转换成数字信号，才能输入到单片机中进行处理。然后再将处
15、理结果的数字量转换成模拟量输出，实现对被控对象的控制。将模拟量转换成数字量的过程称为 A/D转换。随着单片机技术的发展，有许多新一代的单片机已经在片内集成了多路 A/D转换通道，大大简化了连接电路和编程工作，但这类 CPU 芯片大多较贵。所以本例主要使用芯片内无 A/D转换电路的 80C51 系列单片机于 A/D 芯片的接口技术。本例温度传感器选用 AD590。AD590 属半导体集成电路温度传感器，测温范围-55+150，在其二端加上一定工作电压，其输出电流与温度变化成线性关系，1uA/，误差有几种等级：1、0.5、0.3,本设计选取0.5品种。OP07 为高精度运算放大器，AD590 电流
16、流经 R7、RP3 转换为电压信号，R8、RP6 为运放负反馈电阻，组成反相比例放大器，将温度信号转换成 05V 的电压信号，ADC0809 再将其转换为数字信号，输入 CPU。图 6 为温度检测和 A/D转换电路图。计算和调试方法：考虑到计算调试和编程方便，取 00HFFH 对应 05V 和064，即每对应 1，数字量为 04H，模拟电压量约为 0.0781V/，调试时，当温度为 0时，调节 RP3，使 OP07 输出电压为 0V，0809A/D 转换后的数字量为00H；当温度为 64时，调节 RP6，使输出为 5V，0809A/D 转换后的数字量为 FFH。7淮安信息职业技术学院毕业设计论
17、文并行 A/D（ADC0809）是 8 通道 8 位 CMOS 逐次逼近式 A/D 转换器，是目前国内应用最广泛的 8 位通用并行 A/D 芯片。主要性能指标有：（1）分辨率为 8 位。（2）单电源+5V 供电，参考电压由外部提供，典型值为+5V。（3）具有锁存控制的 8 路模拟选通开关。（4）具有可所存三态输出，输出电平与 TTL 电平兼容。（5）功耗为 15mW。（6）转换时间取决于芯片的时钟，（7）是芯片时钟周期的 64 倍。时钟的频率范围为 101280kHz。P0 8 D0D7Q0Q7UREF（+）R2 RP2 +5V 8031 ALE WR P2.7 74373G 1 O ADC0
18、809 CLK D0D7START IN0 ALE 68K 10K+12v O 22kRP3 OP07 + O R1 15KRP1 4.7kAD590O RD 1 O OE UREF（）O R3-5vINT0 O 1EOC A B C -12v 10k3.4 电炉控制电路图 6温度检测和 A/D 转换电路图由 P1.4、P1.5、P1.6 分别控制 1#、2#、3#电炉，控制电路相同。在用单片机对交流强电回路进行控制的实际应用中，一般都是使用晶闸管，用单片机进行控制。由于晶闸管所在的主电路是交流强电回路，电压较高，电流较大，不宜用单片机直接控制，可用光耦合器将单片机控制信号与晶闸管触发电路进行
19、隔离驱动。P1.4、P1.5、P1.6 输出的控制信号控制 1KW 电加热器的通断，输出低电平时，双向晶闸管导通，经 U4、U5、U6 光耦，自动过零触发可控硅导通，接通 1KW 电加热器电源。为了减少晶闸管控制时的误触发，提高抗干扰性能，在晶闸管的阴极和门极之间增加了R30、R31、R32，为了防止负载在通断时产生的过电压冲击8 0.01uF 100uF面漆线温度控制系统的硬件设计损坏电路，电路中利用了 R33、R34、R35 和 0.1uF 电容串联电路来吸取。图 7 为电炉控制电路。R26 +5V R23 330 P1.4 U4 330 R27 330 V1 R28 100 C6 0.1
20、u -220V 3.5键盘电路1、键盘的选择图 7电炉控制电路1000W 键盘于 CPU 的连接方式可分为独立式按键和矩阵式按键。本设计选用独立式键盘，独立式按键相互独立，每个按键占用一根 I/O 口线，每根 I/O 口线上的按键工作状态不会影响其它 I/O 口线上的按键工作状态。如图7 所示。独立式按键电路配件灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根 I/O 端线，在按键量较多时，端线耗费较多，且电路结构繁杂。故这种形式适用于按键数量较少的场所。矩阵式键盘又称行列式键盘，I/O端线分为行线和列线，按键跨接在行线和列线上。按键按下时，行线和列线连通。无论是按键式还是矩阵式键盘，于 80C51
21、I/O 口直接连接和扩展 I/O 口连接，与 I/O 连接又可分为与并行扩展 I/O 口连接和与串行扩展 I/O 口连接。P1.0- P1.3 口作为按键的输入信号，键按下，就执行该键的功能。如图 8 所示：+5V R3 R4 R5 R6 S1 S2 S3 S4 GND 10K 10K 10K 10K P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 图 8键盘电路9淮安信息职业技术学院毕业设计论文2、键盘扫描控制方式在单片机应用系统中，对键盘的处理工作仅是CPU工作内容的一部分，CPU还要进行数据处理、显示和其他输入输出工作，因此键盘处理工作既不能占用 CPU太多时间，又要对键盘操作能及时做出反应。C
22、PU 对键盘处理方式有以下几种。（1）程序控制扫描方式程序控制扫描方式是在CPU工作空余，调用键盘扫描子程序，响用键输入信号要求。程序控制扫描方式的键处理程序固定在主程序的某个程序段。当主程序运行到该程序段。执行相应键功能子程序。这种工作方式，对 CPU 工作影响小，但应考虑键盘处理程序的运行间隔周期不能太长，否则会影响对键输入响应的及时性。（2）定时控制扫描方式定时扫描方式是利用定时、计数器每隔一段时间产生定时中断，CPU响用中断后对键盘进行扫描，并在有键时转入该键的功能子程序。定时控制扫描方式与程序控制扫描方式的区别是，在扫描间隔时间内，前者用 CPU 工作程序填充，后者用定时计数器定时控
23、制。定时控制扫描方式也应考虑定时时间不能太长，否则会影响对键输入响用的及时性。 (3)中断控制方式中断控制方式是利用外部中断源，响应键输入信号。当无按键按下时，CPUCPU执行正常工作程序。当有按键按下时，CPU立即产生中断。在中断服务子程序中扫描键盘，判断是哪一个键被按下，然后执行该键的功能子程序。这种控制方式克服了前两种控制方式可能产生的空扫描和不能及时响应键输入的缺点，既能及时处理键输入，又能提高CPU运行效率，但要占用一个宝贵的中断资源。3、按键功能的介绍S1键：显示/设置键，用于实现温度的显示或者设置温度的值。S2键：选位键，用于选择数码管百位、十位、个位，还是十分位的值。S3键：上
24、调键，用于使设置的温度值向上增加。S4键：下调键，用于使设置的温度值向下减小。4、上拉电阻本电路采用 10K 的电阻为上拉电阻，键未按下时，P1 口电平被电阻上拉为高；键按下时，P1 口电平被拉为低。10 3.6 温度显示电路面漆线温度控制系统的硬件设计温度采用 LED 数码显示，每 10S 秒刷新一次显示值。数码管的段用 P0 控制，P2.0P2.3 作为数码管的位控制。采用动态扫描电路，并把显示程序作为主程序。图 9 为温度显示电路。动态扫描的频率有一定的要求，频率太低，LED将出现闪烁现象。如频率太高，由于每个 LED 点亮的时间太短，LED 的亮度太低，肉眼无法看清，所以一般均取几个
25、ms 左右为宜，这就要求在编写程序时，选通某一位 LED 使其点亮并保持一定的时间，程序上常采用的是调用延时子程序。在 C51 指令中，延时子程序是相当简单的，并且延时时间也很容易更改，可参见程序清单中的 DELAY 延时子程序。为简单起见，我们只是编写了 8 位 LED 同步显示0000000011111111直到99999999数字，并且反复循环。+5V 1 1 1 1 1 11 19 RP 10P0.1 2 3 4 5 6 7 8 R15-R1 a 1 a 1 a 1 a P0.P0.39 38 37 2 b a 3 c f b 2 b 3 c 4 f a b 2 b 3 c a b 2
26、 b 3 c a 最 P0.P0.36 4 d 5 e g d 5 e g 4 d f 5 e g 4 d f 5 e g 小P0.35 34 6 f e c 6 f e c 6 f e c 6 f e 系 P0.P0.33 7 g 8 cod 7 g 8 cod 7 g 8 cod 7 g 8 cod 统 P2. 32 P2.P2.P2.21 22 23 24 R1-R4VT2 PNP +5V VT3 PNP VT4 PNVT5 PNP 图 9温度显示电路LED数码管分共阳极与共阴极两种，其工作特点是，当笔段电极接低电平，11淮安信息职业技术学院毕业设计论文公共阳极接高电平时，相应笔段可以发
27、光。共阴极LED数码管则与之相反，它是将发光二极管的阴极(负极)短接后作为公共阴极。当驱动信号为高电平、?端接低电平时，才能发光。LED 的输出光谱决定其发光颜色以及光辐射纯度，也反映出半导体材料的特性。常见管芯材料有磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)、磷砷化镓(GaAsP)、氮化镓(GaN)等，其中氮化镓可发蓝光。发光颜色不仅与管芯材料有关，还与所掺杂质有关，因此用同一种管芯材料可以制成发出红、橙、黄、绿等不同颜色的数码管。其它颜色LED数码管的光谱曲线形状与之相似，仅入，值不同。LED数码管的产品中，以发红光、绿光的居多、这两种颜色也比较醒目。LED数码管等效于多只具有发光性能的PN结。
28、当PN结导通时，依靠少数载流子的注人及随后的复合而辐射发光，其伏安特性与普通二极管相似。在正向导通之前，正向电流近似于零，笔段不发光。当电压超过开启电压时，电流就急剧上升，笔段发光。因此，LED数码管属于电流控制型器件，其发光亮度L(单位是cdm2)与正向电流IF有关，用公式表示：L=KIF12 淮安信息职业技术学院毕业设计论文第 4 章面漆线温度控制系统的软件设计4.1 总体设计主程序首先进行初始化。包括 I/0 口、定时器、中断系统的初始化，然后等待定时器中断。在定时器中断服务子程序中，先判断 10s 到否？若未满 10s，则返回。若到10s，则进行一系列操作：检测设定值，检测温度并进行标
29、度变换，刷新显示温度，输出温度控制。系统程序结构属中断方式，系统功能均在中断服务子程序中完成，10s完成一次。根据总体结构，可将程序划分为几个功能模块：温度设定输入、温度检测、温度值标度变换、温度显示、温度控制。图 10 为系统程序总体结构图 10 系统程序总体结构4.2主程序和中断服务子程序设计在列出程序清单之前，先说明 10s 定时的实现方法。当晶振采用 6MHz 时，每机器周期2us，定时器方式 1 最大定时时间为 131ms。要实现 10s 定时，还需要外围设备置一个软件计13淮安信息职业技术学院毕业设计论文数器，对定时时间计次，累加后实现 10s。为了便于计算，取定时时间为 100m
30、s，100 次，合计10s 。 按 图 9主 程 序 流 程 图 可 编 写 出 主 程 序 和 中 断 服 务 子 程 序 。 时 间 常 数 ：T=216-100*103/2=65536-50000=15536=3CB0H。1、主程序ORG 0000HLJMP MAIN ；转主程序ORG 000BHAJMP CT0 ；转定时器 T0 中断服务程序ORG 0030HMAIN： MOV SP,#60H ；置堆栈指针 MOV P1，#0F0H ；置 P1.0P1.3 为输入态,P1.4P1.6 关电炉 SETB EA ；开中断 SETB ET0 ；允许 T0 中断 MOV TMOD,#01H；T0 方式 1 定时，T1 工作于方式 1 计数 MOV TH0,#3CH ；定时常数 MOV TL0,#0B0H SETB TR0 ；启动定时定时器 0 MOV R7，#100 LMO：AJMP LMO ；等待 T0 中断2、定时器 T0 中断服务子程序ORG 0200HTOINT： MOV TH0，3CH ；重置 T0 常数 MOV