[毕业论文]基于51单片机的低温热加工系统设计.doc

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1、 毕业设计（论文） 毕业设计（论文）题目：低温热加工系统设计 姓 名 ： 系 别 ： 电子信息工程 专 业 ： 电子科学与技术 班 级 ： 2004电科（二）班 学 号 ： 指导老师 ： 目录一. 前言 1二. 系统硬件设计 1 2.1 单片机的选择 1 2.2 MCS-51单片机的功能特性和引腿信号 2 2.2.1 MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品，其主要功能如下 2 2.2.2 引脚功能说明 3 2.3 MCS-51单片机存储器配置4 2.3.1 程序存储器 42.3.2 数据存储器 52.4 系统的时序 5 2.4.1 机器周期和指令周期 6 2.4.

2、2 系统指令的取指/执行时序 6 2.5 单片机的时钟电路 6 2.5.1 内部时钟方式 6 2.5.2 外部时钟方式 7 2.6 复位电路和复位状态 7 2.6.1 复位电路 7 2.6.2 复位状态 82.7 A/D转换器的基本工作原理82.7.1 取样和保持 9 2.7.2 量化和编码 9 2.7.3 A/D转换器的主要电路形式 9 2.7.4 A/D转换器的主要技术指标 11 2.8 热电偶传感器测温系统的应用122.8.1 热电偶测温基本原理 122.8.2 热电偶的应用原理 122.8.3 热电偶的选择 13三. 系统软件设计 133.1 温度检测和变送器133.2 接口电路 14

3、3.3 温度控制电路153.4 温度控制的算法和程序框图 163.5 温度控制算法 163.6 温度控制程序框图 16 3.6.1主程序框图 17 3.6.2中断服务程序框图 17 3.6.3 主要子服务程序框图 173.7 实验程序 18 总结 20 低温热加工系统设计论文 一：前言 单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，把单片机应用于温度控制中，采用单片机做主控单元，无触点控制，可完成对温度的采集和控制的要求。所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又

4、降低了成本，简化了设计。本文主要介绍单片机在温度控制中的应用 设计的任务：设计一个 低 温200 o C 600 o C 的单片机温控系统，传感器可选接触式高温热电偶。系统要求有自动控制，显示和控制算法，画出系统的方框图，原理图。软件设计的流程图及主程序，执行元件选用进气阀门的开度设计步进电机控制。 关键字：单片机，温度，A/D转换器，芯片，89C51。 二：系统硬件设计 2.1 单片机的选择 MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，与MCS-48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达111条，MCS-51单片机可以算是相当

5、成功的产品，一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。 MCS-51以其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理，众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富的指令系统，堪称为一代“名机”，为以后的其它单片机的发展奠定了基础。正因为其优越的性能和完善的结构，导致后来的许多厂商多沿用或参考了其体系结构，有许多世界大的电气商丰富和发展了MCS-51单片机，象PHILIPS、Dallas、ATMEL等著名的半导体公司都推出了兼容MCS-51的单片机产品，就连我国的台湾WINBOND公司也发展了兼容C51(人们习

6、惯将MCS-51简称C51,如果没有特别声明，二者同指MCS-51系列单片机)的单片机品种。 近 年来C51获得了飞速的发展，C51的发源公司INTEL由于忙于开发PC及高端微处理器而无精力继续发展自己的单片机，而由其它厂商将其发展，最典型的是PHILIPS和ATML公司，PHILIPS公司主要是改善其性能，在原来的基础上发展了高速I/O口，A/D转换器，PWM(脉宽调制)、WDT等增强功能，并在低电压、微功耗、扩展串行总线(I2C)和控制网络总线(CAN)等功能加以完善。 图2-1 MCS-51的结构框图 2.2 MCS-51单片机的功能特性和引腿信号 2.2.1 MCS-51系列单片机主要

7、包括8031、8051和8751等通用产品，其主要功能如下： 8位CPU 4kbytes 程序存储器(ROM) 128bytes的数据存储器(RAM) 32条I/O口线 111条指令，大部分为单字节指令 21个专用寄存器 2个可编程定时/计数器 5个中断源，2个优先级 一个全双工串行通信口 外部数据存储器寻址空间为64kB 外部程序存储器寻址空间为64kB 逻辑操作位寻址功能 双列直插40PinDIP封装 单一+5V电源供电 2.2.2 引脚功能说明 MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线

8、两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明： Pin20: 接地脚。 Pin40: 正电源脚，正常工作或对片内EPROM烧写程序时，接+5V电源。 Pin19: 时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。 Pin18: 时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。 8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体(2-12MHz)和振荡电容，振荡电容的值一般取10p-30p。另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。 输入输出(I/O)引脚： Pin39-Pin

9、32为P0.0-P0.7输入输出脚，Pin1-Pin1为P1.0-P1.7输入输出脚，Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚，Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚，这些输入输出脚的功能说明将在以下内容阐述。 Pin9: RESET/V pd 复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM

10、（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态如下表： 图2-2-2 8051的初始态 Pin30: ALE/ 当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。 如果单片机是EPROM，在编程其间， 将用于输入编程脉冲。 Pin29: 当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执

11、行。 Pin31: EA/V pp 程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。 在编程时，EA/V pp 脚还需加上21V的编程电压。 2.3 MCS-51单片机存储器配置 MCS-51的存储器结构与常见的微型计算机的配置方式不同，它把程序存储器和数据存储器分开，各有自己的寻址系统、控制信号和功能。程序存储器为只读存储器（ROM），用来存放程序和

12、始终要保留的常数。数据存储器为随机存取存储器（RAM），通常用来存放程序运行中所需要的常数或变量。 2.3.1 程序存储器 程序存储器用来存放编制好的始终保留的固定程序和表格常数。 程序存储器以程序计数器 PC作地址指针，通过 16位地址总线，可寻址的地址空间为 64K字节。 在 8051/8751片内，分别驻留最低地址空间的4K字节 ROM/EPROM程序存储器（内部程序存储器），而在8031片内，则无内部程序存储器，需外部扩展EPROM 。 MCS51单片机中，64K字节程序存储器的地址空间是统一的。对于有内部ROM的单片机，在正常运行时，应把EA引脚接高电平，使程序从内部ROM开始执行。

13、当PC值超出内部ROM的容量时；会自动转向外部程序存储器空间。因此外部程序存储器地址空间为1000HFFFFH。对这类单片机，若把EA接低电平，可用于调试程序，即把要调试的程序放在与内部ROM空间重叠的外部程序存储器内，进行调试和修改。8031单片机无内部程序存储器，地址从 0000H FFFFH都是外部程序存储器空间。因此 EA应始终接低电平，使系统只从外部程序存储器中取指。 MCS51单片机复位后程序计数器 PC的内容为 0000H，因此系统从0000H单元开始取指，并执行程序，它是系统执行程序的起始地址。通常在该单元中存放一条跳转指令，而用户程序从跳转地址开始存放。 2.3.2 数据存储

14、器 MCS-51单片机的数据存储器无论在物理上或逻辑上都分为两个地址空间，一个为内部数据存储器，访问内部数据存储器用MOV指令；另一个为外部数据存储器，访问外部数据存储器用MOVX指令。 内部数据存储器是最灵活的地址空间，它分成物理上独立的且性质不同的几个区； 00H7FH（0127）单元组成的低 128字节地址空间的RAM区； 80HFFH（128255）单元组成的高128字节的 RAM区（仅在 8032/8052单片机中有这一区）； 128字节地址空间的专用寄存器（又称特殊功能寄存器）区。 在8051，8751和8031单片机中，只有低128字节的RAM区和128字节的专用寄存器区，两区地

15、址空间是相连的，专用寄存器（SFR）地址空间为80HFFH。注意： 128字节的SFR区中只有26个字节是有定义的，若访问的是这一区中没有定义的单元，则得到的是一个随机数。 当前程序使用的工作寄存器区是由程序状态字PSW（特殊功能寄存器，字节地址为D0H）中的D4，D3位（RS1和RS0）来指示的，PSW的状态和工作寄存器区对应关系见表23。CPU通过对PSW中的D4，D3位内容的修改，就能任选一个工作寄存器区。这个特点使MCS-51具有快速现场保护功能。如果用户程序不需要四个工作寄存器区，则不用的工作寄存器区单元可以作一般的RAM使用 内部RAM的20H2FH为位寻址区域，这16个单元的每一

16、位都有一个位地址，位地址范围为 00H7FH。位寻址区的每一位都可以视作软件触发器，由程序直接进行位处理。通常把各种程序状态标志、位控制变量设在位寻址区内。同样，位寻址区的RAM单元也可以作一般的数据缓冲器使用。 2.4 系统的时序 2.4.1 机器周期和指令周期 MCS51典型的指令周期（执行一条指令的时间称为指令周期）为一个机器周期，一个机器周期由六个状态（12个振荡周期）组成。每个状态又被分成两个时相P1和P2。所以，一个机器周期可以依次表示为S1P1，S1P2 ，S6P1，S6P2。通常算术逻辑操作在P1时相进行，而内部寄存器传送在P2时相进行。 2.4.2 系统指令的取指/执行时序

17、对于单周期指令，当操作码被送入指令寄存器时，便从S1P2开始执行指令。如果是双字节单机器周期指令，则在同一机器周期的S4期间读入第二个字节。若是单字节单机器周期指令，则在S4期间仍进行读，但所读的这个字节操作码被忽略，程序计数器也不加1，在S6P2结束时完成指令操作。 8051指令大部分在一个机器周期内执行完。乘（MUL）和除（DIV）指令是仅有的需要两个以上机器周期的指令，占用4个机器周期。 对于双字节单机器周期指令，通常是在一个机器周期内从程序存储器中读入两个字节，唯有MOVX指令例外。MOVX是访问外部数据存储器的单字节双机器周期指令。在执行MOVX指令期间，外部数据存储器被访问且被选通

18、时跳过两次取指操作。 2.5 单片机的时钟电路 MCS-51单片机内部的振荡电路是一个高增益反相放大器，引线XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。单片机内部虽然有振荡电路，但要形成时钟，外部还需附加电路。MCS-51单片机的时钟产生方式有两种。 2.5.1 内部时钟方式 利用其内部的振荡电路在XTAL1和XTAL2引线上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡，用示波器可以观察到XTAL2输出的时钟信号。最常用的是在XTAL1和XTAL2之间连接晶体振荡器与电容构成稳定的自激震荡器，如图 2-5-1 所示。 晶体可在1.212MHz之间选择。MCS-51单片机在通常应用情况下，使

19、用振荡频率为6MHz的石英晶体，而12Hz频率的晶体主要是在高速串行通信情况下才使用。对电容值无严格要求，但它的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响。C1和C2可在20100pF之间取值，一般取30pF左右。 2.5.2 外部时钟方式 在由我单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入惟一的合用外部振荡脉冲作为各单自片机的时钟。外部时钟方式中是把外部振荡信号源直接接入XTAL1或XTAL2 。由于HMOS和CHMOS单片机外部时钟进入的引线不同，其外部振荡信号源接入的方式也不同。HMOS型单片机由XTAL2进入，外部振荡信号接至XTAL2 ，而内部反相放

20、大器的输入端XTAL1应接地，如图 2-5-2 所示。由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，故还要接一上接电阻。CHMOS型单片机由XTAL1进入，外部振荡信号接至XTAL1 ，而XTAL2可不接地，如图 2-5-3 所示。 图2-5-1内部时钟电路 图2-5-2HMOS型外部时钟电路 图2-5-3外部时钟电路 2.6 复位电路和复位状态 MCS-51单片机的复位是靠外部电路实现的。MCS-51单片机工作后，只要在它的RST引线上加载10ms以上的高电平，单片机就能够有效地复位。 2.6.1 复位电路 MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按键复位两种方式。最简单的复位电路如图 2-6-1

21、 所示。上电瞬间，RC电路充电，RST引线端出现正脉冲，只要RST端保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效地复位。在应用系统中，有些外围芯片也需要复位。如果这些芯片复位端的复位电平的要求一致，则可以将复位信号与之相连 图 2-6 -1 简单的复位电路 在实际的应用系统中，为了保证单片机可靠地工作，常采用“看门狗”监视单片机的运行。采用 MAX690 的复位电路如图 2-6-2 所示，该电路具有上电复位和监视 MCS-51 单片机的 P 3.3 的输出功能。一旦 P 3.3 不输出高低电平交替变化的脉冲， MAX69 0 就会自动产生一复位信号使单片机复位。 图2- 6-2 MAX690组成

22、的复位电路 2.6.2 复位状态 复位电路的作用是使单片机执行复位操作。复位操作主要是把PC初始化为0000H，使单片机从程序存储器的0000H单元开始执行程序。程序存储器的0003H单元即MCS-51单片机的外部中断0的中断处理程序的入口地址。留出的0000H0002H 3个单元地址，仅能够放置一条转移指令，因此，MCS-51单片机的主程序的第一条指令通常情况下是一条转移指令。 2.7 A/D转换器的基本工作原理 A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过取样、保持、量化和编码四个步骤完成 2.7.1 取样和保持 取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号，即将时

23、间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。 在取样脉冲作用期内，取样开关接通，使在其它时间（TS-）内，输出=0。因此，每经过一个取样周期，对输入信号取样一次，在输出端便得到输入信号的一个取样值。为了不失真地恢复原来的输入信号，根据取样定理，一个频率有限的模拟信号，其取样频率fS必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率fmax的两倍，即取样频率必须满足： 模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之后须加保持电路。 2.7.2 量化和编码 输入的模拟电压

24、经过取样保持后，得到的是阶梯波。由于阶梯的幅度是任意的，将会有无限个数值，因此该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量。另一方面，由于数字量的位数有限，只能表示有限个数值(n位数字量只能表示2n个数值)。因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类似于四舍五入的近似问题。必须将取样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为量化。指定的离散电平称为量化电平。用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为编码。两个量化电平之间的差值称为量化间隔S，位数越多，量化等级越细，S就越小。取样保持后未量化的Uo值与量化电平Uq值通常是不相等的，其差值称为量化误差， 即=Uo-Uq。量化的方法一般有两种

25、：只舍不入法和有舍有入法。 2.7.3 A/D转换器的主要电路形式 ADC电路分成直接法和间接法两大类。 直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从而直接转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。 间接法是将取样后的模拟信号先转换成时间t或频率f, 然后再将t或f转换成数字量。其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强，一般在测试仪表中用的较多。 逐次逼近式A/D转换器 图 2.7.3 逐次逼近式ADC 这种转换器是将转换的模拟电压Ui与一系列的基准电压比较。比较是从高位到低位逐位进行的，并依次确定各位数码是 1 还是 0。 转换开始前， 先将

26、逐位逼近寄存器（SAR）清 0， 开始转换后，控制逻辑将逐位逼近寄存器（SAR）的最高位置 1，使其输出为 100000，这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压Uo，送至比较器与输入Ui比较。若UoUi，说明寄存器输出的数码大了，应将最高位改为0（去码），同时设次高位为 1；若UoUi，说明寄存器输出的数码还不够大，因此，需将最高位设置的 1 保留（加码），同时也设次高位为 1。然后，再按同样的方法进行比较，确定次高位的1是去掉还是保留（即去码还是加码）。这样逐位比较下去， 一直到最低位为止，比较完毕后，寄存器中的状态就是转化后的数字输出。例如，一个待转换的模拟电压Ui=163mV, 逐位

27、逼近寄存器（SAR）的数字量为八位。 双积分型A/D转换器 双积分型ADC的转换原理是先将模拟电压Ui转换成与其大小成正比的时间间隔T，再利用基准时钟脉冲通过计数器将T变换成数字量。图 9.3.4是双积分型ADC的原理框图，它由积分器，零值比较器，时钟控制门G和计数器（计数定时电路）等部分构成。 图 2.7.3 双积分ADC原理框图 积分器：由运算放大器和RC积分网络组成，这是转换器的核心。它的输入端接开关S，开关S受触发器Fn的控制，当Qn=0 时，S接输入电压+Ui，积分器对输入信号电压+Ui（正极性）积分（正向积分）；当Qn=1 时，S接基准电压-UR（负极性），积分器对基准电压-UR积

28、分（负向积分）。 因此，积分器在一次转换过程中进行两次方向相反的积分。 积分器输出Uo接零值比较器。 零值比较器：当积分器输出Uo0时，比较器输出UC=1；当积分器输出Uo0时，比较器输出UC=0。零值比较器输出UC作为控制门G的门控信号。 时钟控制门G：时钟控制门G有两个输入端，一个接标准时钟脉冲源CP，另一个接零值比较器输出UC。当零值比较器输出UC=1 时，G门开，标准时钟脉冲通过G门加到计数器；当零值比较器输出UC=0时，G门关，标准时钟脉冲不能通过G门加到计数器，计数器停止计数。 计数器（计数定时电路）： 它由n+1个触发器构成，触发器Fn-1F1F0构成n位二进制计数器，触发器Fn

29、实现对S的控制。 计数定时电路在启动脉冲的作用下，全部触发器被置0，触发器Fn输出Qn=0，使开关S接输入电压+Ui，同时n位二进制计数器开始计数（设电容C上初始值为0，并开始正向积分， 则此时Uo0，比较器输出UC=1，G门开）。当计数器计入 2n个脉冲后，触发器Fn-1F1F0状态由 11111回到00000，Fn-1(Qn-1)触发Fn，使Qn=1，发出定时控制信号，使开关转接至-UR，触发器Fn-1F1F0再从00000开始计数，并开始负向积分，Uo逐步上升。当积分器输出Uo0时，零值比较器输出UC=0，G门关，计数器停止计数，完成一个转换周期，把与输入模拟信号+Ui平均值成正比的时间

30、间隔转换为数字量。 2.7.4 A/D转换器的主要技术指标 分辨率 分辨率指A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个n位二进制数输出的A/D转换器应能区分输入模拟电压的2n个不同量级，能区分 输 入模拟电压的最小差异 例如，A/D转换器的输出为 12 位二进制数，最大输入模拟信号为 10V，则其分辨率为 转换速度 转换速度是指完成一次转换所需的时间，转换时间是从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型A/D转换器的转换速度相差很大。双积分型A/D转换器的转换速度最慢，需几百毫秒左右；逐次逼近式A/D转换

31、器的转换速度较快，转换速度在几十微秒；并联型A/D转换器的转换速度最快，仅需几十纳秒时间。 相对精度 在理想情况下，输入模拟信号所有转换点应当在一条直线上，但实际的特性不能做到输入模拟信号所有转换点在一条直线上。相对精度是指实际的转换点偏离理想特性的误差，一般用最低有效位来表示。例如，10 位二进制数输出的A/D转换器AD571，在室温（+25）和标准电源电压（U+=+5V，U- =-15V）的条件下，转换误差 当使用环境发生变化时，转换误差也将发生变化，实际使用中应加以注意。 2.8 ： 热电偶传感器测温系统的应用 2.8.1 热电偶测温基本原理 热电偶是一种感温元件 , 它把温度信号转换成

32、热电动势信号 , 通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路 , 当两端存在温度梯度时 , 回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在 Seebeck 电动势热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端， 温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系 , 制成热电偶分度表 ; 分度表是自由端温度在 0 时 的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时 , 只要该材料两个接点的温度相同 , 热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三

33、种金属接入回路中的影响。因此 , 在热电偶测温时 , 可接入测量仪表 , 测得热电动势后 , 即可知道被测介质的温度。热电偶是工业中常用的温度测温元件，具有如下特点： 测量精度高：热电偶与被测对象直接接触，不受中间介质的影响。 热响应时间快：热电偶对温度变化反应灵敏。 测量范围大：热电偶从 -40+ 1600 均可连续测温。 性能可靠， 机械强度好。 使用寿命长，安装方便。 2.8.2热电偶的应用原理热电偶属于接触式温度测量仪表是工业生产中最常用的温度检测仪表之一。其特点为测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可连续测量，某些特

34、殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。 构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。热电偶是一种感温元件, 它能将温度信号转换成热电势信号, 通过与电气测量仪表的配合, 就能测量出被测的温度。热电偶测温的基本原理是热电效应。在由两种不同材料的导体 A 和 B 所组成的闭合回路中 , 当 A 和 B 的两个接点处于不同温度 T 和 To时, 在回路中就会产生热电势。这就是所谓的塞贝克效应。导体 A 和 B 称为热电极。温度较高的一端 (T 叫工作端 ( 通常焊接在一起 )；温度较低的一端 (T

35、o 叫自由端 ( 通常处于某个恒定的温度下。根据热电势与温度函数关系。可制成热电偶分度表。分度表是在自由端温度 To=00C 的条件下得到的。不同的热电偶具有不同的分度表。 图2-8-2 热电偶工作原理图2.8.3 热电偶的选择 本系统使用K 型（镍铬 - 镍硅） WRN 系列镍铬镍硅热电偶，被测温度范围为0655，冷端补偿采用补偿电桥法，采用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。不平衡电桥由电阻R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、Rcu(铜丝绕制)四桥臂和桥路稳压源组成，串联在热电偶回路中。Rcu与热电偶冷端同处于0,而R1=R2=R3=1，桥路电源电压为4V，由稳

36、压电源供电，Rs为限流电阻，其阻值因热电偶不同而不同，电桥通常取在20时平衡，这时电桥的四个桥臂电阻R1=R2=R3=Rcu，a、b端无输出。当冷端温度偏离20时，例如升高时，Rcu增大，而热电偶的热电势却随着冷端温度的升高而减小。Uab与热电势减小量相等，Uab与热电势迭加后输出电势则保持不变，从而达到了冷端补偿的自动完成。 三： 系统软件设计 以热电偶为检测元件的单片机温度控制系统电路原理图如图1所示 。 3.1 温度检测和变送器 温度检测元件和变送器的类型选择与被控温度的范围和精度等级有关。镍铬/镍铝热电偶适用于0-1000的温度检测范围，相应输出电压为0mV-41.32mV。 变送器由

37、毫伏变送器和电流/电压变送器组成：毫伏变送器用于把热电偶输出的0mV-41.32mV变换成4mA-20mA的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的4mA-20mA电流变换成0-5V的电压。 为了提高测量精度，变送器可以进行零点迁移。例如：若温度测量范围为500-1000，则热电偶输出为20.6mV-41.32mV，毫伏变送器零点迁移后输出4mA-20mA范围电流。这样，采用8位A/D转换器就可使量化温度达到1.96以内。 3.2接口电路 接口电路采用MCS-51系列单片机8031，外围扩展并行接口8155，程序存储器EPROM2764，模数转换器ADC0809等芯片。 由图1可见，在P2

38、.0=0和P2.1=0时，8155选中它内部的RAM工作；在P2.0=1和P2.1=0时，8155选中它内部的三个I/O端口工作。相应的地址分配为： 0000H - 00FFH 8155内部RAM 0100H 命令/状态口 0101H A 口 0102H B 口 0103H C 口 0104H 定时器低8位口 0105H 定时器高8位口 图1 单片机温度控制系统电路原理图 8155用作键盘/LED显示器接口电路。图2中键盘有30个按键，分成六行（L0-L5）五列（R0-R4），只要某键被按下，相应的行线和列线才会接通。图中30个按键分三类：一是数字键0-9，共10个；二是功能键18个；三是剩余

39、两个键，可定义或设置成复位键等。为了减少硬件开销，提高系统可靠性和降低成本，采用动态扫描显示。A口和所有LED的八段引线相连，各LED的控制端G和8155C口相连，故A口为字形口，C口为字位口，8031可以通过C口控制LED是否点亮，通过A口显示字符。 图2 8155用作键盘/LED显示器接口电路2764是8K EPROM型器件。8031的PSEN和2764的OE相连，P2.5和CE相连，所以2764的地址空间为：0000H-1FFFH，ADC0809的0通道（IN0 其他输入端可作备用）和变送器的输出端相连，所以从通道0（IN0）上输入的0V-+5V范围的模拟电压经A/D转换后可由8031通

40、过程序从P0口输入到它的内部RAM单元，在P2.2=0和WR=0时，8031可使ALE和START变为高电平而启动ADC0809工作；在P2.2=0和RD=0时，8031可以从ADC0809接收A/D转换后的数字量。也就是说ADC0809可以视为8031的一个外部RAM单元，地址为03F8H（地址重复范围很大），因此，8031执行如下程序可以启动ADC0809工作。 MOV DPTR，#03F8H MOVX DPTR,A 若8031执行下列程序： MOV DPTR，#03F8H MOVX A，DPTR 则可以从ADC0809输入A/D转换后的数字量。 3.3温度控制电路 8031对温度的控制是通过双向可控硅实现的。如图1所示，双向可控硅管和加热丝串接在交流220V、50Hz市电回路。在给定周期T内，8031只要改变可控硅管的接通时间即可改变加热丝的功率，以达到调节温度的目的。 可控硅接通时间可以通过可控硅控制极上触发脉冲控制。该触发脉冲由8031用软件在P1.3引脚上产生，在过零同步脉冲同步后经光电耦合管和驱动器输出送到可控硅的控制极上。 3.4 温度控制的算法和程序框图 图3 主程序框图 3.5温度控制算法