基于8031单片机温度控制系统设计.docx
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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
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。
4．智能化仪表的机芯
自动化仪表的智能化程度越来越高。
采用单片机的智能化仪表可具有自整定、自校正、自动补偿和自适应功能，还可进行数字PID调节，软件消除电流热噪声等等，解决传统仪表所不能解决的难题。
单片机的应用使这种性能如虎添翼，如自动计费电度表、燃气表中己有这方面的应用。
许多工业仪表中的智能流量计，气体分析仪、成分分析仅等也采用了这项技术。
甚至有的保健治疗仪中也采用了单片机控制。
5．消费类电子产品控制
该应用主要反映在家电领域，如洗衣机、空调器、保安系统、VCD视盘机、电子秤、IC卡、手机、BP机等。
这些设备中使用了单片机机芯后，大大提高了其控制功能和性能，并实现了智能化、最优化控制。
6．终端及外围设备控制
计算机网络终端设备，如银行终端、商业POS（自动收款机）以及计算机外围设备如打印机、通信终端和智能化UPS等。
在这些设备中使用单片机，使其具有计算、存储、显示、输入等功能，具有和计算机连接的接口，使计算机的能力及应用范围大大提高。
本课题以单片机作为控制器之一，进一步研究单片机在自动化检测领域中的应用。
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。
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。
2.2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2-1。
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2-12864A管脚及原理框图
（a）管脚；（b）原理图
2864A有4种工作方式，如表2-1所示。
表2-12864A工作方式
方式
控制脚
I/
~I/
读出
L
L
H
输出信息
写入
L
H
L
数据输出
维持
H
X
X
高阻
禁止写
X
L
X
—
禁止写
X
X
H
—
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2-2所示。
图2-22864A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2-3所示。
图2-3ADC0809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2-4所示ADC0809与8031的接口电路。
图2-4ADC0809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2-5图所示。
图2-5ADC0809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表2-2下:
表2-2A、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
C
0
0
0
0
1
1
1
1
B
0
0
1
1
0
0
1
1
A
0
1
0
1
0
1
0
1
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转换结束信号。
当ADC0809启动A/D转换后，EOC输出低电平，转换结束后，EOC输出高电平，表示可以读取A/D转换的结果。
该信号取反后若与MCS-51型单片机引脚INT0或INT1连接，可引发CPU中断，在中断服务程序中读A/D转换的数字信号，若与MCS-51型单片机两个中断源已用完，则EOC也可与P1口或P3口的一条端线相连，不采用中断方式，采用查询方式，查得EOC为高电平后，再读入A/D转换的值。
9.VREF+，VREF-
正负基准电压输入端。
正基准电压的典型值为+5V，可与电源电压+5V相连，但电源电压往往有一定的波动，将影响A/D转换的精度。
因此，精度要求较高时，可用高稳定基准电源输入。
当模拟信号电压较低时，基准电压也可取低于5V的数值。
10.VCC，GND
VCC，GND：
正电源电压端和地端。
2.5七段码LED显示器
LED数码管是由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。
图2-7（a）为0.5inLED数码管的外形和引脚图，其中七只发光二极管分别对应a～g笔段构成八字形另一只发光二极管Dp作为小数点。
因此这种LED显示器称为七段数码管或八段数数码。
LED数码管按电路中的连接方式可以分为共阴型和共阳型两大类。
共阳型是将各段发光二极管的正极连在一起，作为公共端COM，公共端COM接高电平，a~g、Dp各笔段通过限流电阻接控制端。
某笔段控制端低电平时，该笔段发光，高电平时不发光。
控制某几段笔段发光，就能显示出某个数码或字符。
LED的共阴极和共阳极的结构图如图2-5（a）、（b）、（c）所示。
（a）（b）（c）
图2-57段LED数码显示器
（a）符号和引脚；（b）共阴极；（c）共阳极
LED数码管按其外形尺寸有多种形式，使用较多的是0.5in和0.8in；按显示颜色也有多种形式，主要有红色和绿色；按亮度强弱可分为高亮和普亮，指通过同样的电流显示亮度不一样，这是因发光二极管的材料不一样而引起的。
LED数码管的使用与发光二极管相同，根据其材料不同正向压降一般为1.5~2V额定电流为10mA，最大电流为40mA。
静态显示时取10mA为宜，动态扫描显示可加大，可脉冲电流，但一般不超过40mA。
2.5.1LED数码管编码方式
当LED数码管与单片机相连时，一般将LED数码管的各笔段引脚a、b、…、g、Dp按某一顺序接到MCS－51型单片机某一个并行I/O口D0、D1、…、D7，当该I/O口输出某一特定数据时，就能使LED数码管显示出某个字符。
例如要使共阳极LED数码管显示“0”，则abcdef各笔段引脚为低电平，g和Dp为高电平，如2-2表所示。
表2-2共阳极LED数码管显示数字“0”时各管段编码
CD7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
字段码
显示数
Dp
G
f
e
D
C
b
a
1
1
0
0
0
0
0
0
C0H
0
C0H称为共阳LCD数码管显示“0”的字段码，不计小数点的字段码称为七段码，包括小数点的字段称为八段码。
LED数码管编码方式按小数点计否可分为七段码和八段码；按共阴共阳可分为共阴字段码和共阳字段码，不计小数点的共阴字段码与共阳字段码互为反码；按a、b、…、g、Dp编码顺序是高位在前，还是低位在前，又可分为顺序字段码和逆序字段码。
甚至在某些特殊情况下将a、b、…、g、Dp顺序打乱编码。
下表2-3为共阴和共阳LED数码管几种八段编码表。
表2-3共阴和共阳LED数码管几种八段编码
共阴顺序小数点暗`
共阴逆序小数点暗
共阳顺序
小数点亮
共阳顺序
小数点暗
Dpgfedcba
16进制
abcdefgdp
16进制
0
00111111
3FH
11111100
FCH
40H
C0H
1
00000110
06H
01100000
60H
79H
F9H
2
01011011
5BH
11011010
DAH
24H
A4H
3
01001111
4FH
111100
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