8031单片机实现电阻炉温度的控制接口电路设计.docx
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8031单片机实现电阻炉温度的控制接口电路设计
本文用8031单片机实现电阻炉温度的控制，重点介绍接口电路的设计。
电阻炉是一类使用非常广泛的工业设备，利用单片机实现温度的实时控制，对提高劳动生产率和产品质量，节约能源都有着积极意义。
本控制系统是对水加热的控制过程，工作时水的温度由数字温度计和精密放大器放大至0~5v电压信
号，由ADC0809转换成单片机所能接受的数字信号，此信号与温度的给定值比较得到温度偏差，通过PID
控制算法运算得到控制量，此控制量通过对可控硅触发角的控制，来调节加在电阻炉上的电压的通断时间以达到控温的目的。
PID的参数可显示在LED上。
系统的给定值等参数可由键盘输入，并可以随时修改，给定温度和
关键词：
单片机；电阻炉；控制；接口电路
第一章概述3
1.1题目来源及意义3
1.2电阻炉温度控制系统的结构工作原理3
第二章电阻炉温度控制系统的硬件设计6
2.1硬件电路设计原则6
2.2单片机的选择6
2.2.18031芯片介绍7
2.2.28031的引脚介绍8
2.3单片机程序存储器的扩展9
2.3.1地址译码器的选择9
2.3.2程序存储器的设计9
2.4温度检测接口电路设计11
2.4.1数字温度计的选择11
2.4.2AD转换器的接口电路设计12
2.5键盘、显示器接口电路15
2.5.1显示器接口电路15
2.5.2键盘接口电路18
2.6报警接口电路19
2.7电阻炉温度控制执行机构的设计19
第三章温度控制算法21
3.1温度控制算法21
3.2采样周期T的确定24
第四章软件设计25
4.1接口软件设计25
4.2PID程序设计26
第五章结论33
第一章概述
1.1题目来源及意义
热处理设备是实现热处理工艺的基础和保证，直接关系到热处理技术水平的高低和工件质量
的好坏。
对热处理技术的基本要求是：
先进、可靠、经济、安全，能满足热处理工艺的要求，
并保证工艺的稳定和再现性，节省能源，保护环境，改善劳动环境，降低生产成本，提高机械化和自动化水平。
在工业领域，如冶金、机械、建材及化工等部门，都有大量使用各种炉窑，如用于热处理
的加热炉，用于熔化的坩埚炉等。
炉窑运行时，温度是需要测控的最基本参数。
不同的炉窑，加热方法与所用燃料有所差异，但被控对象都可归于有纯滞后的一阶惯性环节。
温度以往多采用归仪表加接触器的断续控制，存在不少固有的缺点。
为了提高产品质量与数量，节约能源，改善劳动环境，并且随着科学技术的发展，上述对设备对温度控制要求越来越高，除要求有较高的控制精度外，还要求能对温度的上升速度及下降速度进行控制，显然应用常规仪表方法难以满足这些要求。
然而，随着电子技术的发展，特别是单片机计算机的出现，对上述被控制对象采用功能强、
体积小、价格低的智能化温度控制装置进行控制成为现实。
本文将介绍用单片机对热水电阻炉进行温度控制的过程。
1.2电阻炉温度控制系统的结构工作原理
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系统原理图如图1.1所示。
整个系统由四部分组成，即：
8031单片机系统；温度检测通道；输出控制通道及报警显示系
统。
工作时，温度由集成温度传感器AD590转换成电流信号，经运放放大至0-5v的电压信号
由ADC0809转换成单片机所能接受的数字信号，此信号与温度的给定值比较得到温度的偏差，通过PID控制器运算，此控制量经可控硅控制加在电阻炉上的电压的通断时间，以达到控温目的。
LED
系统的给定值、PID参数由键盘输入，并可以随时修改，给温度和采样温度同时显示在上。
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图1.1电阻炉温度控制系统原理框图
一、输入通道
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a、温度检测及放大
在温度控制系统中，温度检测及放大任务通常用温度变送器来完成。
为了降
低成本，简化结构，本系统采用了OP07型温度变送器的输入回路部份，这输入回路是一平衡电
桥，它与AD590热电偶配合使用，实现温度零点迁移。
不平衡电桥的输出信号经精密放大器放大到A/D转换所需标准信号，根据热电偶分度号和量程的不同，可选择和调整放大器的反馈电阻以改变放大倍数，从而实现了温度标准信号的转换。
B、A/D转换
A/D转换功能由AD0809完成，它是一种逐次逼近式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。
在这里我们将D0HID7接到8031的PJHF0.7转换结束信号OEC经一个与非门接8031的INTO，置外部中断为边沿触发方式，这样，每次A/D转换结素时都将结果送入数据存贮区。
由于炉温度化缓慢，输入通道中没有设置采样保持器。
二、输出通道
执行机构采用可控硅控制器，单片机只须输出能改变可控硅控制周期内的通断时间就行了，
因此省去了D/A转换器，仅用了一条I/O线，通过软件支持，在这条I/O线上输出一个高电平宽度在控制周期内随调节值变化的方波信号，从而达到控温的目的。
三、单片机基本系统及I/O扩展
16K存贮器EPROM27128）通过一片地址锁存器74LS373与数据总线与8031组成基本系统。
四、键盘与显示器
这部分由三个共阳极数码管和三个驱动器组成，其中显示器用于准备符、炉内温度、控温时间、显示以及支持键盘进行控制参数设定显示。
键盘完成控制器参数设定与控制器的启动、停止操作。
五、控制算法
为了提高系统的快速性，同时也避免运行算溢出，本控制采用了最大、最小值控制。
即在偏
差eWA（阀值A>0）时才进入PID调节。
算术表达式为：
Umax
u.
i
=UPID
umin
为了提高调节品质，选用改进PID算法之一,
ui=kp$kD（e-i_Jk|eiaUD,i_1一aUd,i_2
q二Ui_rUi
D/A转
本控制系统输入通道用测温电路和精密放大器，省去可采样保持器；输出通道取消了换器，执行机构选用了可控硅控制器。
从而使整个控制系统结构简单，操作方便，控制精度高,具有很高的性价比。
第二章电阻炉温度控制系统的硬件设计
2.1硬件电路设计原则
一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容；一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如RAM，ROM，I/O口，定时/计数器，中断系统等容量不能满足应用系统的要求时，必须在另外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。
二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘，显示器，A/D，D/A转换器等，要设计合适的接口电路。
系统的扩展和配置设计应遵循下列原则：
（1）尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规算法。
为硬件系统的标准化，模块化打下良好基础。
（2）系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发
（3）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。
硬件结构与软件方案会产生相互影响。
考虑的原则是：
软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。
但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现来得长，而且占用CPU时间。
因此，选者软件方案时，
要考虑到这些时间因素。
（4）整个系统中相关的器件要尽可能做到性能相匹配，例如，选用晶振频率高时，存储器
的存取时间有限，应该选择允许存取速度较高的芯片；选择CMO芯片单片机构成低功耗系统时，
系统中的所有芯片都应该选择低功耗的产品。
（5）可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片，器件选择，去耦滤波，印刷电路板布线，通道隔离等。
（6）单片机外接较多时，必须考虑其驱动能力。
驱动能力不足，系统工作不可靠，解决的办法是增强驱动能力，增设驱动器或者减少芯片功耗，降低总线负载。
2.2单片机的选择
在众多单片机成员中，MCS-51系列单片机以其优越的性能，成熟的技术及高可靠性和高性能
价格比。
迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。
近年来，MCS-51系列单片机以8位机，如8031/8032，8051/8052，8751/8752尤为变得热门由于MCS-51单片机的程序计数器为16位，因此，可寻址的地址空间为64K空间。
805和8751
单片机内部有4K字节ROM/EPRO程序存储器，当管脚EA=1时，低4K地址（OOOOH-OFFFH）指
向片内，而当EA=0时，低4K地址指向片外。
8052内部有8KROM程序存储器，外部同样可扩展
到64K。
对于片内无ROM/EPRO的单片机8031/8032构成应用系统时，必须使EA=0,程序存储器只能外部扩展。
另外，MCS-51系列单片机内部有128个字节的数据存储器（8052/8032内部有256个字节的RAM。
针对本系统，则只需要采用8031即可，由于EPROM勺擦写比较麻烦，给开发制造了一定的
困难，因此，我采用INTEL公司生产的新型单片机（8位），指令与8031完全兼容，但片内的4KE>ROM采用的是4K的FlashROM存储器，这种存储器可电擦写，速度快，且擦写次数1000余次，从而
缩短了开发周期，方便开发者，因此，我的最终选择是INTEL公司的8031单片机，以其高性能
价格比得到用户的信赖。
2.2.18031芯片介绍
8031是由8个部件组成，即CPU时钟电路，数据存储器，并行口（P0~P3）串行口，定时
计数器和中断系统，它们均由单一总线连接并被集成在一块半导体芯片上，即组成了单片微型计算机，8031就是MCS-51系列单片机中的一种。
1、CPU中央处理器
中央处理器是8031的核心，它的功能是产生控制信号，把数据从存储器输出口或输入口送到CPU或CPU数据写入存储器或送到输出端口。
还可以对数据进行逻辑和算术的运算。
2、时钟电路
8031内部有一个频率最大为12MHZ的时钟电路，它为单片机产生时钟序列但需要外接石英晶体做震荡器和微调电容。
3、内存
内部存储器可分做程序存储器和数据存储器，但在8031中无片内程序存储器。
4、定时/计数器
8031有两个16位的定时计数器，每个定时器和计数器都可以设置成定时的方式和计数的方式，但只能用其中的一个功能，以定时或计数结果对计算机进行控制。
5、并行I/O口
MCS-51有四个8位的并行I/O口，P0,P1,P2,P3,以实现数据的并行输出。
6、串行口
它有一个全双工的串行口，它可以实现计算机间或单片机同其它外设之间的通信，该并行口功能较强，可以作为全双工异步通讯的收发器也可以作为同步移位器用。
7、中断控制系统
8031有五个中断源，即外部中断两个，定时计数中断两个，串行中断一个，全部的中断分为
高和低的两个输出级。
2228031的引脚介绍
图2.1引脚图
8031的制作工艺为HMOS采用40管脚双列直插DIP封装，弓I脚说明如图（2.1）所示：
（1）VCC（40引脚）正常运行时提供电源，VSS（20引脚）接地。
（2）XTAL1（19引脚）在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端，该放大器构成了片内
的震荡器，可以提供单片机的时钟信号，此引脚也可以接外部的晶振的一个引脚，如采用外部振荡器时，对于8031此引脚应该接地。
XTAL2（18引脚）为输出端引脚，此引脚还能为应用系统
中的其它芯片提供时钟。
（3）RST/VPD（9引脚）在振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的高电平将单片机复
位后应使此引脚电平保持不高于0、5V低电平以保证8031正常工作。
在掉电时，此引脚接备用
电源VDD以保持RAM数据不丢失，当BVCC氐于规定的值时，而VPD在其规定的电压范围内时，VPD就向内部数据存储器日工备用电源。
（4）ALE/PRO（30引脚）当8031访问外部存储器时，包括数据存储器和程序存储器，ALE9
地址锁存允许0输入的脉冲的下沿用语锁存16位地址的低8位，在不访问外部存储器的时候，
ALE仍有两个周期的正脉冲输出，其频率为振荡器的频率的1/6，在访问外存储器的时候，在两
个周期中，ALE只出现一次，ALE断可驱动8个LSTTL负载，对于有片内EPRO啲而言，在EPROM编程期间，
此引脚输入编程脉冲PROG
（5）PSENT29引脚）此脚输出为单片机内访问外部程序存储器的读选通信号，在读取外部
指令期间，PSEN有两次在每个周期有效，在此期间，每当访问外部存储器时，两个有效的PSEN
将不再出现，同样这个引脚可驱动8个LSTTL负载。
（6）EA/VPP（31引脚）当EA非保持高电平时，单片机访问内部存储器，当PC值超过0FFFH
时，将自动转向片外存储器。
当EA非保持低电平时，则只访问（18引脚）在内部，接至上述振
荡器的反向输入端，当采用外部振荡器时，对MCS5係列该引脚接收外部震荡信号，即把该信号
直接接到内部时钟的输入端。
外部程序存储器，对8031而言，此脚必须接地。
（7）P0,P1,P2,P3,8031有四个并行口，在这四个并行口中，可以在任何一个输出数据，
又可以从它们那得到数据，故它们都是双向的，每一个I/O口内部都有一个8位数据输出锁存器和一个8位数据输入缓冲器，各成为SFR中的一个，因此CPU数据从并行I/O口输出时可以得到锁存，数据输入时可以得到缓冲，但他们在功能和用途上的差异很大，P0和P2口内部均有个受
控制器控制的二选一选择电路，故它们除可以用做通用I/O口以外还具有特殊的功能，P0口通常
用做通用I/O口为CPU专送数据，P2口除了可以用做通用口以外，还具有第一功能，除P0口以
外其余三个都是准双向口。
（8）8031有一个全双工串行口，这个串行口既可以在程序下把CPU的8位并行数据变成串
行数据一位一位的从发送数据线发送出去，也可以把串行数据接受来变成并行数据给CPU而且
这种串行发送和接收可以单独进行也可以同时进行。
（9）8031的串行发送和接收利用了P3口的第二功能，利用P3、1做串行数据接收线，串行接口的电路结构还包括了串行口控制寄存器SCON电源及波特率选择寄存器PCON和串行缓冲寄存
器SBUF他们都属于SFRPCON和SCONB于设置串行口工作方式和确定数据发送和接收，SBUF
用于存放欲发送的数据起到缓冲的作用。
2.3单片机程序存储器的扩展
由于本系统的功能需求片内的程序存储器的资源还不能满足需要，还需要外扩存储器。
又由
于8031单片机的引脚有限，数据线和地址线需重复使用，由P0口兼用。
为了将它们分离出来，
以便同单片机外扩的扩展芯片27128正确连接，需要在单片机外部增加地址锁存器74SL373。
2.3.1地址译码器的选择
由于单片机本身不能成为系统，需外扩一些芯片，对于众多的扩展元件，必须进行地址分配——译码（即以一列二进制代码作输入）得到唯一的一位输出。
地址译码有两种方式：
线选法和片选法。
本系统中选用片选法。
利用译码电路将地址空间划分成若干块，用来分别选通各扩展芯片，如此就可以充分地利用地址空间。
本系统选用74LS373译码器，三—八线译码器，包含三个
允许输入端，因而能简化级联和数据接收，延迟时间22秒。
2.3.2程序存储器的设计
8031片内无程序存储器，所以必须进行程序存储器的扩展。
紫外线擦除电可编程的只读存储器的扩展可作为8031的外部程序存储器，电路片的玻璃窗口在紫外线光下照射20分钟左右，存储器的各位信息全变为1，通过相应的编程器将工作程序固化到这些芯片中，使可作为8031
的外部程序存储器使用。
本设计采用27128（16K*8）作为外扩程序存储器芯片。
8031的P0口经地址锁存器74LS373与27128的A〜A相连，P2口的低5位〜Rr接27128的A8〜A12,PSEN与OE相连，27128的片选信号来自与8031的P2。
7,当P。
7=0时，27128的片选信号有效。
27128共有13根地址线，分别与地址总线A〜A2相连，因此，27128所占地址空间为0000H〜1FFFH。
8031与27128接口电路图如图（2.2）所
图2.28031与27128的接口电路图
A0〜A12地址线、CE片选线、OE输出允许端、PGM编程控制信号
程序存储器扩展电路芯片一74LS373简介：
程序存储器扩展时，除必须有EPROMS片外，还必须有锁存器芯片。
程序存储器扩展时，地址锁存信号为ALE,故本系统的地址锁存器可使用带清除端的八D锁
存器74LS373。
74LS373是透明的带有三态门的八D锁存器。
其引脚芯片如图（2.3）所示
u:
-^-w
Pidphi屮
PI2
PM
PiliPH
8031
L£
741s373
图2.38031单片机与74LS373接口
当三态门的使能信号线CE为低电平时，三态门处于导通状态，允许Q端输出；当CE为高电
平时，输出三态门断开，输出端对外电路呈高阻状态。
因此74LS373用作地址锁存器时，首先应
使三态门的使能信号端CE为低电平，这时，当G输入端为高电平时，锁存器输出（1CH8Q）状
态和输入端（1D〜8D）状态相同，当G端从高电平逐回低电平时，输入端（1D〜8D）的数据锁入1CH8Q中。
地址所存器74LS373与8031接口电路如图（2.3）所示。
2.4温度检测接口电路设计
2.4.1数字温度计的选择
一、传感器的性能指标
对传感器的精度高低，性能好坏直接影响到整个自动测试系统的品质和运行状态。
一般说来,
对传感器的要求是全面的，严格的，它们是选用传感器的数据。
1、技术指标要求
（1）静态特性要求：
线性度及测量范围、灵敏度、分辨率、精确度和重复性等；
（2）动态特性要求：
快速性和稳定性等；
（3）信息传递要求：
形式和距离等；
（4）过载能力要求：
机械、电气和热的过载。
2、使用环境要求
温度、湿度、大气压力、振动、磁场、附近有无大功率用电设施、加速度、倾斜、防火、防爆、防化学腐蚀以及不含有害于周围材料寿命及操作人员的身体健康等。
二、本系统选用的是集成芯片下面介绍AD590芯片
AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。
它的主要特性如下：
1、流过器件的电流（」A）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：
丄二WA/K
T
式中：
二一流过器件（AD590）的电流，单位为」A;
T—热力学温度，单位为K。
2、AD590的测温范围为-55C〜+150C。
3、AD590的电源电压范围为4V〜30V。
电源电压可在4V〜6V范围变化，电流」-变化1」A,
相当于温度变化1K。
AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。
三、AD590的应用电路
1、基本应用电路
AD590的封装形式和AD590用于测量热力学温度的基本应用电路如图
（2.4）所示。
因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R和电位器F2的电阻之和
为你门时，输出电压Vo随温度的变化为1mV/K。
但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。
调整的方法为：
把AD590放于冰水混合物中，调整电位器使3=273、
2mV。
或在室温下（25C）条Y
不得用于商业用途z_.
—
一硕
lr筍二
rz
件下调整电位器，使Vo=273.2+25=298.2（mv）。
但这样调整只可保证在0C或25C附近有较高
精度。
2、摄氏温度测量电路
-SUV2
—f1-4——|*1—r
-I36ESOK
A^814
vs
彳-15Y
图2.5摄氏温度测量电路
如图（2.5）摄氏温度测量电路所示，电位器Ra用于调整零点，F4用于调整运放AD301的增
益。
调整方法如下：
在0C时调整Ra,使输出Vo=0,然后在100C时调整R4使Vo=100mV。
如
此反复调整多次，直至0C时，VO=0mV,100C时VO=100mV为止。
最后在室温下进行校验。
例如，若室温为25C，那么V。
应为25mV。
冰水混合物是0C环境，沸水为100C环境。
要使图（2.5）中的输出为200mV/C，可通过增大反馈电阻（图中反馈电阻由R与电位器F4
串联而成）来实现。
另外，测量华氏温度（符号为F）时，因华氏温度等于热力学温度减去255.4再乘以9/5，故若要求输出为1mV/F,则调整反馈电阻约为180k」使得温度为0C时，V。
=17.8mV;温度为100C时，V°=197.8mV。
AD581是高精度集成稳压器，输入电压最大为40V,输出10V。
2.4.2AD转换器的接口电路设计
本系统选择A/D芯片时，考虑到芯片的性能结构及应用的特性，在性能上满足A/D转换的技
术要求；在结构上和应用上接口电路方便外围电路简单价格低廉。
A/D转换器的功能是将模拟量电信号转换成数字量。
1、A/D转换器的主要参数
（1）分辨率：
是指A/D转换器可转换成二进制数的位数。
例：
若一个10位A/D转换器，去转换一个满量程为5V的电压，则它能分辨的最小电压为
10
5000mV/2〜5mV
（2）转换时间
指从输入启动转换信号开始到转换结束，得到稳定的数字输出量为止的时间。
其他参数与D/A转换器类似。
2、A/D转换器与CPU的接口方法
（1）A/D转换器与CPU连接应注意以下几点：
1ADC转换好的数据必须经过三态缓冲器件与CPU数据总线相连接（在芯片内部没有三态输
出缓冲器时）；
2为了输入正确的转换结果，必须解决好A/D转换器和CPU取数之间的时间配合问题。
（2）ADC芯片的控制信号
1启动转换信号（START:
是由CPU提供给ADC芯片的，在正脉冲的下降沿转换开始；
2转换结束信号（EOC:
一旦启动转换，EOC立即变低，直至转换结束，EOC俞出高电平,
通知CPU专换已结束；
3允许输出信号（OE:
ADC专换结束后，转换结果存放在输出锁存器中，并没有送入数据总线上。
CPU取数时，发出OE信号选通芯片内部三态输出缓冲器将数据输出。
（3）A/D转换器与CPU之间传送数据的方法
1
延时等待法（2.6）所示：
是利用CPU执行一条输出指令，启动ADC专换，然后CPU执行延时程序，延时时间大于所选用的ADC芯片转换时间，延时结束，CPU执行输入指令，打开三态门获取ADC
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