微机控制课程设计--电阻炉温度控制系统设计.docx

微机控制课程设计 电阻炉温度控制系统设计班 级：学 号：姓 名: 完成日期：2013年5月 目录一课程设计目的二课程设计任务三课程设计要求四. 系统总体设计五.硬件电路设计六.系统软件设计七. 设计总结八. 参考文献九. 附录一 课程设计目的:大学本科学生动手能力的培养和提高是大学本科教育的一个重要内容。如何让学生在学好基础知识的同时，迅速掌握应用技术，实验与课程设计环节起着非常重要的作用。本课程设计的目的，是让自动化专业学生通过课程设计，首先熟悉认识微机控制的理论基础，根据实际的系统设计要求，掌握初步微机控制系统的设计方法，从硬件系统和软件系统设计两个方面得到实际的提高，为今后的毕业设计打下良好的基础。二 课程设计任务:设计电阻炉温度控制系统，加热炉功率为800W，要求控制温度范围50350C，保温阶段温度控制精度为正负1度。选择合适的传感器，计算机输出信号经转换后通过双向晶闸管控制器控制加热电阻两端的电压. 1、 设计主电路。2、 设计控制电路。3、 绘制主程序流程图，设计主程序。4、 设计温度采集子程序。5、 编制PID程序。6、编制显示子程序三课程设计要求：1.运用微机控制理论，根据设计要求设计微机控制系统控制结构方框图，绘制微机控制系统主电路图、控制电路图，编制系统程序流程图、根据系统程序流程图编制汇编语言程序。2.课程设计应由学生本人独立完成完成，严禁抄袭（对自己的设计不熟悉，读不懂设计中的关键功能部分，对设计的结构不清楚，对设计的功能不了解等），一经验收教师认定其抄袭行为，成绩即为不及格。3.认真编写课程设计报告，按要求格式书写实验报告。四. 系统总体设计：总体设计方案：本系统采用STC12C5A60S作为系统的主控芯片，辅以采样反馈电路，驱动电路，晶闸管主电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统。本温度控制系统按功能分主要包括四个模块：温度传感器模块、数据处理模块、温度显示/按键模块和温度控制模块。其总体机构图如下图所示：图3.1 总体结构图数据处理过程： 首先使用循环查询的方法依次读取按键的键值，判断用户的指令，并以此为依据选择LED显示的数据。输入过程结束后，开始炉温控制模块，首先读取PT100数据，再与设定值比较，决定继电器的通断时间，控制加热炉温度及警报器超限报警。 图3.2 数据处理流程图五.硬件电路设计：1.单片机最小系统:单片机最小系统指的是由最基本的电路元件组成的，外接部分简单的电路就能够独图1单片机最小系统原理图立成一定的工作任务的单片机系统。51单片机的最小系统由单片机芯片、电源、时钟电路、和复位电路组成。如图1单片机最小系统原理图所示，其中的晶振时钟电路用来产生时钟信号，以提供单片机片内各种数字逻辑电路工作的时间基准。按键S6_1能实现手动复位，电容C6_1能实现上电复位，复位电路用来使片内电路完成初始化的操作，具体功能是使程序计数器PC=0000H，引导程序从0000H地址单元开始执行； SFR中的21个特殊功能寄存器复位后的状态是确定2.声光报警电路:如图2声光报警电路所示：当水温高于上限温度、低于下限温度或者在误输入时，单片机P1.1口给warn一个低电平信号来导通三极管8550以驱动蜂鸣器和LED灯，进行系统声光报警。当温度恢复到设置范围内后，声光报警自动撤销。图2声光报警电路3.显示电路:用于显示用户设定的温度、上限温度、下限温度和当前温度值等，精确到小数点后一位。如图2所示，单片机的P2口输出段选编码，P3.0、P3.1、P3.2、P3.3分别为四位数码管的位选编码。当其中位选编码输出低电平时，三极管8550导通，使得共阳极数码管公共端得到一个高电平，同时P2口输出相应的要显示的数字共阳极字型码并通过74HC573将段码信号锁存输出。图3温度数码管显示 4.键盘电路:键盘是用来给用户提供设置设定温度上限值、下限值、显示温度等功能。如下图，功能键：选择修改温度设定值、上限值、下限值、显示温度位选键：选择修改百位、十位、个位、十分位这四位的标志加1键：每按一次键，位选标志所指的当前位的值加1减1键：每按一次键，位选标志所指的当前位的值减1确定键：保存设置值并返回到显示温度状态 图4键盘电路及功能说明当按键没有被按下时，P1.3-P1.7通过下拉电阻接地，单片机此时检测的电平是低电平，当有键按下时，对应P1.3-P1.7中的引脚与VCC接通，单片机此时检测的电平是高电平。5.温度采集电路；包括两部分电路放大电路和AD转换电路:放大电路设计：热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。通常将其放在电桥的桥臂上，温度变化时，热电阻两端的电压信号被送到仪器放大器LM741的输入端，经过仪器放大器放大后的电压输出送给A/D转换芯片，从而把热电阻的阻值转换成数字量。电路原理图如图5所示。图5信号采集与放大电路A/D电路的设计:A/D转换采用芯片ADC0809，ADC0809是带有8位A/D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，可以和单片机直接连接。电路原理图如图6。图6 A/D转换电路原理图由图6可以看出A、B、C都接地（都为0），故信号输入口选IN0。6.温度控制电路：电热炉的温度取决于电热元件消耗的电能。由电热炉的数学模型可知，温度的增量与它消耗的电能成正比 ，而电热炉消耗的电能与单位采样周期内导通的波头数成正比。电阻丝由过零触发型的双向晶闸管整流电路驱动，通过控制一个采样周期内可控硅导通波头数，就可控制电热元件消耗的电能，从而达到控制其温度的目的。单片机对温度的控制通过可控硅调功器电路来实现可控硅控制加热电路如图所示。本系统采用双向可控硅控制电热元件消耗电能。双向可控硅由于其能够双向导通，因此可看作“双向闸流管”。采用可控硅的驱动电路是其主电路与控制电路之间的接口。驱动电路为双向晶闸管提供开通控制信号，它还提供了控制电路与主电路的电气隔离，一般采用光耦合器，提高系统的抗干扰能力。双向可控硅管和加热丝接在220V、50HZ的交流电回路。如图7所示图7 晶闸管电路六.系统软件设计：任务重点在这个部分，内容是整个系统的程序设计。该部分涉及面广，贯穿整个系统，是整个系统工作的中枢和灵魂所在。它涉及到的程序有：监控程序，即整个系统的主程序，相当于微机系统中的操作系统；键盘输入程序及键处理程序；LED显示程序；数据采样输入程序；数据处理程序（非线性处理、PID计算、标度变换、数字滤波等）；控制信号输出程序等。这里仅给出主程序和三段子程序，这三段子程序分别是：ADC转换子程序、PID计算程序、显示子程序.1. 主程序:系统控制程序采用两次中断嵌套方式来设计。首先，使T0定时器产生每秒一次的定时中断。作为本系统的采样周期在其中断服务程序中启动A/D，读入采样资料，进行数字滤波，上下报警处理，PID计算等，然后输出控制脉冲信号。脉冲的宽度则由T1计数器溢出中断决定。在等待T1中断时，将本次样数值转换成对应的温度值放入显示区。然后调用显示子程序。 从T1中断返回后，再从T0中断返回主程序，并继续显示本次采样温度，等待下次T0中断。 其系统原理方框流程图如图8：主 程 序设 堆 栈清 标 志清暂存单元T1中断程序清显示缓冲区清标志D5T0 初 始 化停止输出CPU 开中断显示温度返 回 图8 (a) 主 程 序(b) T1中断程序主程序清单：MAIN：ORG 0000H ； LJMP MAIN ； ORG 000BH ； LJMP INTO ； ORG 001BH ； LJMP TPL1 ； ORG 0030H ；MOVSP，#50H；设堆栈CLR5EH；清本次越取标志CLR5FH；清上次越限标志CLA A； 0（A）MOV 2FH，A； MOV 30H，A ； 清暂存单元MOV 3BH，A ； MOV 3DH，A ；MOV 44H，A；MOV DISM0，A ； MOV DISM1，A ；MOV DISM2，A ； 清显示缓冲区MOV DISM3，A ；MOV DISM4，A ；MOV TMOD，#56H ；T0方式2计数，T1 方式计数 CLR PT0；T0优先级中断SETB TR0；启动T0SETB ET0；允许T0中断SETB EA；CPU开中断 LOOPACALL DISPLAY ；调显示子程序AJMP LOOP；等待中断2.ADC转换子程序: 开 始延 时 设采样值地址首址转换结束？ N 设计数器结果送内存 选通IN0 计数器为0N 启动ADC结 束 图9 ADC转换子程序流程图根据流程图编写程序如下：SMAP： ORG 0100H ； MOV R0， #2CH ；采样值首址 MOV R1， #03H ；计数器赋值SAM1： MOV DPTR，#03F8H ； MOVX DPTR，A ；启动ADC MOV R2，#20H ；延时DLY： KJNZ R2，DLY ；结束HERE： JB P3.3，HERE ；等待ADC结束 MOVX A，DPTR ； MOV R0，A ；存放采样值 DJNI R1，SAM1 ； RET3. PID计算程序:此程序流程图如图10： 开 始输入Ui(k)，UR计算E(k)= UR=Ui(k) 计算PI(k)=KI I(k)计算PP(k)=KP E(k)I(k1) 计算 PI + PP 计算PD(k)=KD E(K)2E(K1)+E(K+2) P(k) = PD + PP +P(K1)P(K)P(K1) , E(K1) E（K2）,E（K）E（K1） 返回图10 PID计算程序流程图 根据流程图编写程序如下：ORG 0340H ；MOV R5 ，31H；取UR MOV R4 , 32H； MOV R3 ， 2AH；取Ui(k) MOV R2 ， #00H； ACALL CPL1；取Ui(k)的补码 ACALL DSUM ；计算E（k） MOV 39H ，R7；存E（k）MOV 3AH ，R6；MOV R5 ，35H；取KI MOV R4 ，36H； MOV R0 ，#4AH； ACALL MULT1；计算PI = KIE（K） MOV R5 ，39H；取E（K） MOV R4 ，3AH； MOV R3 ，3BH；取E（K1） MOV R2 ，3CH； ACALL CPL1； ACALL DSUB；求E（K）E（K1） MOV R5 ，33H；取Kp MOV R4 ，34H； MOV R0 ，#46H； ACALL MULT1；求KpE(K)E(K1) MOV R5 ，49H； MOV R4 ，48H； MOV R3 , 4DH； MOV R2 , 4CH； ACALL DSUM；求KpE(K)E(K1)K1E(K) MOV 4AH , R7；保存和数 MOV 4BH , R6； MOV R5 , 39H； MOV R4 , 3AH； MOV R3 , 3DH； MOV R2 , 3EH； ACALL DSUM；计算E（K）E（K2） MOV R5 , R7； MOV R4 , R6； MOV R3 , 3BH； MOV R2 , 3CH； ACALL CPL1； ACALL DSUP； MOV R5 , R7； MOV R4 , R6； MOV R3 , 3BH； MOV R2 , 3CH； ACALL CPL1；ACALL DSUP；求出E（K）E（K2）2E（K 1） MOV R5 , 37H；取KD MOV R4 , 38H； MOV R0 , #46H； ACALL MULT 1 ；求出PD=KDE（K）E（K2） 2E（K1） MOV R5 , 49H； MOV R4 , 48H； MOV R3 , 4AH； MOV R2 , 4BH； ACALL DSUM； MOV R3 , R7； MOV R2 , R6； MOV R5 , 29H； MOV R4 , 30H； ACALL DSUM；求出Pk MOV 29H , R7；存PkP（K1） MOV 30H , R6； MOV 3DH , 3BH；E（K1）E（K2） MOV 3EH , 3CH； MOV 3BH , 39H；E（K）E（K1） MOV 3CH , 3AH； RET ； 4. 显示子程序：动态显示程序框图如图11所示。显示程序的要点有两个：一是代码转换。因为直接驱动LED显示器的是字形码，而人们习惯的是0、1、2、F等字符，因此，必须将待显示的字符转换成字形码。转换用查表的方法进行。二是通过软件实现逐位轮流点亮每个LED。为了实现代码转换，首先开辟一个显示缓冲区，将待显示的字符预先存放在缓冲区中。由于有4位LED显示器，故不妨假设显示缓冲区长度为4个字节。显示缓冲区地址为DIS0DIS3 ，DIS0单元与最左边一位LED相对应，DIS3单元与最右边一位LED相对应。开 始8155初始化动态显示初始化送位选字（R3） 8155A口查段选表段选码送8155B口延时1mS指向下个显示缓冲单元显示下一位4位显示完？结 束 图11 显示子程序方框图程序清单如下：DIS： ORG 0500H MOV A，#00000011BMOV DPTR，#7F00HMOVX DPTR，AMOV R0，#78HMOV R3，#7FHMOV A，R3LD： MOV DPTR，#7F01HMOVX DPTR，AINC DPTRMOV A，R0ADD A，#0DHMOVC A，DPTRACALL DLYMOV A ，R3JNB A，R0RR A，LD1MOV R3，AINC R0AJMP LD0LD1： SJMP LD1DSEG：DB 3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH 7DH，07H，7FH，6FHDLY： MOV R7，#02HDL： MOV R6，#0FFHDL1： DJNZ R6，DL1 DJNZ R7，DL RET七. 设计总结：这次微机控制课程设计，我们的主要任务是对电阻炉温度控制的系统设计，采用PT100温度传感器经过放大和A/D转换器送到单片机进行温度控制，通过外接电路扩展实现温度报警和温度显示功能。这次课程设计历时一周，从一开始的课题确定，到后来的资料查找、理论学习，方案确定，这一切都使我的分析能力和理论知识进一步得到提升。虽然在设计过程中遇到很多问题，但是最后还是在老师以及同学的帮助下圆满解决了这些问题，实现了整个系统设计，很好地完成了本次设计任务。通过本次课程设计，我对温度控制系统有了进一步的熟悉和更深入的学习，了解并掌握了传感器的基本理论知识，更深入的掌握单片机的开发应用和编程控制。为以后从事单片机软硬件产品的设计开发、打下了良好的基础，树立独立从事产品研发的信心，并在这种能力上