基于热电偶的单片机温度控制系统设计..

1、鞍山科技大学本科生毕业设计（论文）第III页温度控制系统摘要本设计是采用热电偶为温度检测元件的单片机温度控制系统，这个系统是由硬件和软件两部分组成的。硬件电路包括三个部分：温度检测及放大电路、键盘 /显示电路、温度控制电路。工 作过程如下：热电偶检测炉内温度，得到的温度值经过A/D转换后输入到8155进行显示，同时从8155键盘输入系统温度设定值，将设定值与实际测量值进行比较会得到一 个偏差值，将此偏差值进行PID处理，处理后的控制量送给双向可控硅。双向可控硅在 给定周期T内具有不同的导通时间，这是由双向可控硅控制极上的触发脉冲控制的，这个触发脉冲是8031的P1.3引脚上产生的，经过零同步脉

2、冲同步后经光耦管和驱动电路 输出到可控硅的控制极上，从而改变加热的时间，达到温度控制的目的。软件部分包括主程序、TO中断服务程序、T1中断服务程序等。关键词：单片机，温度控制，硬件，PID算法Temperature Control SystemAbstractThe design is a single chip microcomputer temperature control system adopting the electric thermocouple to measure temperature, this system is made up of hardware and sof

3、tware.The circuit of the hardware in cludes three parts: temperature measure and enl arge circuit keyboard and LED circuit and temperature con trol circuit. The worki ng course is as followi ng: the electric thermocouple measuresthe temperature of the stove, the temperature value is cha nged by A/D

4、con verter, and the n it is in put to 8155 and show n. At the same time the establishi ng value of systematic temperature is in put from 8155 keyboards , it can receive one differe nee accord ing to actual measureme nt value and the establishi ng value, this differe nee value is deal with PID, and t

5、he n give this amount to the two-way silic on con trolled rectifier. The two-way silic on con trolled rectifier has differe nt lead ing time in the give n cycle T, this time is con trolled by polarity s pulse f touch ing of the two-way silic on con trolled rectifier, this pulse of touch ing is provi

6、ded by the P1.3 of 8031, it is synchronous with the zero pulse, and the n in put to con trol polarity of silic on con trolled rectifier through the Photoelectric coupli ng and drive circuit, it can cha nge the time of heati ng, at last this system can achieve the con trol aim.The part of the softwar

7、e is made up of mai n program, T0 cutt ing off service rout ine, and T1 cutt ing off service rout ine and so on.Keywords: sin gle chip computer, temperature con trol, the hardware, PID algorithm目录摘要IABSTRACT II1绪论11.1选题的背景11.2温度控制技术的现状及其发展趋势 11.3国内温度控制技术的研究成果 21.4课题的研究内容22温度检测部分42.1热电偶简介42.2热电偶在本设计中

8、的应用 53数据采集部分73.1ADC0809 简介73.2ADC0809在本设计中的应用 73.3ADC0809转换程序 84 8155的输入与显示部分 104.1 8155 简介104.28155在本设计中的应用 114.2.1 8155的显示过程124.2.2 8155的输入过程145温度控制部分165.1双向可控硅简介165.2温度控制过程165.3温度控制的算法 185.3.1 PID控制的原理和特点185.3.2温度控制的具体算法 196 MAX232 的介绍216.1收发器的历史216.2MAX232的工作电路 216.3MAX232的详细说明226.3.1 双充电泵电压变速器

9、226.3.2 RS-232 驱动器226.3.3 RS-232 接收器227软件设计247.1主程序流程图 247.2部分程序 24错误！未定义书签3029参考文献附录A （夕卜文文献）31附录B （中文译文）37鞍山科技大学本科生毕业设计（论文）第15页1绪论1.1选题的背景随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能也不断增强，许多高性能的新型 机种不断涌现出来。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优 点，成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件， 在工业生产中成为必不可少的器件， 在日常生活中发挥的作用也越来越大。在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代 的核心作

10、用。在工业生产中如：用于热处理的加热炉、用于融化金属的钳锅电阻炉等， 在日常生活中如：热水器、电热毯等等，都用到了电阻加热的原理。随着生产的发展， 上述设备对温度的控制要求越来越高，随着人们生活水平的提高，对日常用品的自动化 也提出了更高的要求，控制理论的不断更新换代满足了上述要求，达到了自动控制品质 的目的。1.2温度控制技术的现状及其发展趋势目前我国检定装置的温度控制，已经以自动化控制仪表代替人工操作。从温度控 制方式来看，过去大部分采用单纯的两位控制转为PID控制，温度的自动控制已经普及化。从温度控制仪表的性能方面，对温度控制的现状谈上几点：1、检测元件检测元件对控温精度起着决定性作用，

11、目前检测元件本身还存在某些问题，例如热 电偶用于信号检测，其热电势会随时间产生漂移。2、温度设定器的稳定性问题设定器的电源必须要稳压。除此之外，对环境温度的变化也必须考虑，要使用温度 系数特别小的锰铜电阻，要消除机械形变且材料均匀等；另外，设定器最好用恒流电源 供电，以消除接触热电势，并且能使输出阻抗一定。3、偏差放大器偏差放大器的选择对温度控制器的长期稳定性和精确性来说是特别重要的，因为一般热电偶或热电阻检测的温度信号都是很微弱的，因此要有足够高的增益。设计一个性 能良好的放大器是温度控制的一个关键性问题。4、调节器调节器是控温器的另一个重要部件。精密温度自动控制一般都采用PID调节器。用运

12、算放大与阻容反馈回路构成的 PID调节器，要注意的问题是如何防止积分饱和现象。5、执行机构对于电阻炉来说，执行机构几乎都是继电器，饱和电抗器和可控硅等。检定装置的 温度控制系统大多采用可控硅的 PID控制方式。可控硅体积小，重量轻，适用大功率控 制。综上所述，只有对温度控制仪表各部件精心设计，才能获得一个高水平的、高精 度的控制效果。随着自动控制技术的发展，对精度高、可靠性好、结构简单、坚固耐 用、操作方便、维护容易、成本低廉的各种常用简易仪表和调节器的需要也是很迫切 的。因此在选择检测元件时，应根据：精度、响应特性、互换性、线性、连续测定性、 性能随时间变化的情况、输出信号大小、设备运转设备

13、低廉、结构简单和易于维修、 耐高、低温性以及各种气氛的影响等情况加以选择 。随着单片机在各行业控制系统中的普遍采用，其构成的实时控制系统日臻完善，一定会使温度控制系统的总体性能大大提高，功能更趋完善。1.3国内温度控制技术的研究成果随着科技的不断发展，新型的温度控制系统不断涌现。其中，李树华，刘超英和董辉研制的数字PID自动温度控制系统，采用8031单片机作为PID控制器，具有可编 程、控制算法可选、体积小、稳定性好、抗干扰能力强等优点。该温度控制系统体积 只有100mM 160m材220mm,控制功率达2Kw,经昼夜连续运行证明，性能稳定可靠， 另外，该系统由8031单片机的最小系统所组成，

14、EPROM选用27128,程序存储器容 量较大，因此，可以扩充多种控制模块和运算模块以备选用，同时只需使用不同类型 的传感器及执行部件即可构成不同控制功能的系统（例如：被控量为流量，压力，液 位等场合），可满足多种用户的控制要求。应如艳和杜吉全研制的微机温度控制系统控 温原理简单，简化了系统的硬件构成和软件设计，成本较低廉，采用数字PID控制，调整灵活，通过人机对话，可以实现在线调节控制方案和参数，控制平稳和准确，质 量较高，可以实现多回路的检测和控制以及多种物理量的控制。1.4课题的研究内容本文介绍了一种PID炉温控制系统。该系统利用单片机可以方便地实现对PID参数的选择与设定，也可以通过计

15、算机与单片机的串行通讯，实现工业过程中的交互式PID控制。它是用温度传感器将检测到的实际炉温进行 A/D转换，送入计算机中，与设 定值进行比较，得出偏差。对此偏差按 PID算法进行修正，求得对应的控制量控制可 控硅驱动器，调节电炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。因此采集的炉温数据精 度至关重要。利用8031单片机实现温度智能控制，能自动完成数据采集、处理、缓冲、 转换、并进行PID实施控制和键盘终端处理及显示，包括各参数数值的修正。但在控 制过程中采样周期不能太短，否则使调节过于频繁，不但执行机构不能反应，而且计 算机的利用率大为降低。采样周期太长，也是不合适，因为干扰无法及时消除，使调节

16、品质下降。本文详细介绍了该控制系统的软、硬件实施手段及系统特点。2温度检测部分2.1热电偶简介热电偶是热电偶温度计的敏感元件，它测温的基本原理是基于热电效应。如图2.1为热电偶回路。图2.1热电偶回路经过研究分析表明，热电偶总电势与电子密度及两接点温度有关，电子密度不仅取决于 热电偶材料特性，而且随温度的变化而变化，它们并非常数，所以，当热电偶材料一定 时，热电偶的总电势Eab（T,T。）就与热端温度T和T0的函数差有关，即Eab（T, To）F（T） - F（To）（2.1）这就要求冷端温度to固定，为了保证to固定，使热电偶与被测温度间成单值函数关系， 就要对冷端温度进行补偿，本设计中采用

17、的补偿方法为补偿电桥法，如图2.2所示,图2.3为电桥等效电路：U图2.2补偿电桥图2.3补偿电桥等效电路补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿冷端温度变化而引起的热电势的变化。图中电桥由r i r2 r3 （均为锰铜电阻）和rcu （铜电阻）组成，串联在热电偶电路 中，热电偶冷端与电桥中rcu处于相同温度。当冷端TO=OC时， 気=1=2=3=1门，这时 电桥平衡，无电压输出，回路中的电势就是热电偶产生的电势，即为E （T, 0）;当T0变化时，rcu也随之改变；于是电桥两端 a、b就会输出一个不平衡的电压Uab。如适当 选择RS,可使电桥的输出电压Uab = E （TO, 0），从而使

18、回路中的总电势仍为 E （T，0）， 起到了冷端温度的自动补偿。而图中的稳压二极管，是为了保证补偿电桥两端有恒定不变的工作电压，进而保证电桥的正常工作。2.2热电偶在本设计中的应用本设计中采用的镍铬/镍铝热电偶适用于01000r的温度测量范围，相应的输出电 压为041.32mV。但是整个单片机温度控制系统需要采用 +5V的工作电压，所以要保证 系统的工作正常进行，就要将热电偶的输出电压进行放大，其放大电路如图2.4所示根据运放的两个根本特性“虚短” “虚断”,在选取Rf1 = Rf2=100K,匕=1& Rf =50K, R=1K时，根据运算RfRf1 +Rf2Uo L（1 兰）（U2ul）（

19、 2.2）RRw会得到U0的输出电压范围为0+5V,此电压值传输到ADC08093数据采集部分3.1 ADC0809 简介ADC有两大类：一类在电子线路中使用，不带使能控制端；另一类带有使能控制端,可与微机直接接口。ADC0809由 8位逐模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器SAR控制电路和三态输出锁存器等组成。ADC0809 内部有一个8位“三态输出锁存器”可以锁存 A/D转换后的数字量，故它本身既可看作一种输入设备，也可认为是并行I/O接口芯片。因此，ADC080列以直接和MCS-51接口,也可通过像8255这样的其他接口芯片连接。大多数情况下，8

20、031是和ADC08094接相连的。本设计中8031与ADC0809的接口电路如图3.1所示:图 3.1 8031 与 ADC0809的接口电路3.2 ADC0809在本设计中的应用ADC080啲START和ALE互连使ADC0809在接收模拟量路数地址时启动工作。START 启动信号由8031的WR和P2.2经过或非门产生。START!正脉冲（此时 WR和P2.2线 皆为低电平）启动ADC0809T作，地址锁存信号 ALE上正向脉冲使得 A B C上的地址 得到锁存，经过译码控制选中IN0路模拟电压送入比较器。这时 8031是把A、B、C作 为地址线处理的，8031和ADC080技口通常采用

21、查询和中断两种方式， 本设计中采用的 是查询法传送数据，其中8031应对EOC线查询它的状态：若它为低电平时，表示A/D转换开始进行，其中正在进行逐次比较，得到模拟信号转换后的数字信号，则8031应当继续查询。若查询到E0（变为高电平，则由8031的RD及P2.2通过或非门送给ENABLE 一个高电平，以便从三态输出锁存器的2-1-2-8线上提取A/D转换后的数字量。其中ADC0809所需时钟信号可以由8031的ALE信号提供。8031的ALE信号通常是每个机器 周期出现两次。故它的频率是单片机时钟频率的1/6，若8031主频是6MHZ则ALE信号频率为1MHZ若使ALE上的信号经触发器二分频

22、接到 ADC0809勺CLOCK俞出端，贝U 可获得500KHZ勺A/D转换脉冲o ADC080啲IN0和运放输出端相连，故IN0上输入的0 +5V范围的模拟电压经A/D转换后可由8031通过程序从PO口输入到它的内部RAM单元。在P2.2=0且 WR=0时，8031可使ALE和START变为高电平，从而启动 ADC0809T作；在P2.2=0 且RD =0时，8031可以从ADC0809接收A/D转换后的数字量。这就是说，ADC080列以视为8031的一个外部单元，地址为03F8H因此，8031执行如下程序可以 启动ADC0809T作：MOV DPTR #03F8HMOVX DPTFA若80

23、31改为执行：MOV DPTR #03F8HMOVX A DPTP则可以从ADC0809俞入A/D转换后的数字量。ADC0809勺CLK由8031的ALK上的信号经过2分频后提供，EOC经反相器用作8031的 丽 中断请求输入线，要求CPU从 P0 口提取A/D转换后的数字量3 o3.3 ADC0809转换程序 主程序ORG0A00HMOVR1,#30H ;输入数据区始址送R1MOVR4 ， #8;模拟量总路数送R4MOVR2，#00HIN0地址送R2SETBEA ;开CPU中断SETB EX1 ;允许INT1中断SETBIT1 ；令INT1为边沿触发MOVR0，#0F0H送端口地址F0H到R

24、0MOVA，R2；IN0地址送AMOVXR0 A ；送IN0地址并启A/DSJMP$ ；等待中断或其他 中断服务程序ORG 0013HAJMP CINT17转中断服务程序ORG 0100HCINT1: MOVR0， #0F0H端口地址送R0MOVX A，R0输入数字量送AMOV R1，A；存入输入数据区END；中断返回4 8155的输入与显示部分4.1 8155 简介TTTITNRCKrTIn tel 8155是一种对多功能的可编程常用外围接口芯片， 它具有三个可编程I/O端口, 一个可编程14位定时计数器和256字节的RAM，能方便地进行I/O扩展和RAM扩展, 芯片采用40线双列直插式封装

25、引脚配置如图 4.1所示252厂5U I 1 7 d I 于 為两阳珈阳闷州球P3旳阳P3旧斑跆raftKpcpcFC玩图4. 18155引脚图芯片引脚功能说明如下：RESET：复位输入信号。CE : 8155片选信号，低电平有效。RD :读选通信号，低电平有效。WR :写选通信号，低电平有效。IO/M : RAM 及 IO 选择。当IO/M =0，CE=0时，单片机选择8155的RAM读写，AD0AD7上地址为8155 的RAM单元地址。当IO/M =1，CE=0时，单片机选择8155的IO读写，AD0AD7上地址为8155的I/O 口地址。ALE :地址锁存信号线。8155片内有地址锁存器

26、，ALE信号的下降沿将AD0AD7上 的地址信息以及CE，IO/M的状态锁存在8155内部寄存器AD0AD7 :三态地址/数据复用线。因8155片内有地址锁存器，AD0AD7应直接 与8031的P0 口相连。PA0PA7:端口 A，I/O 线。PB0PB7:端口 B，I/O 线。PC0PC5:端口 B，I/O 线。TIMERIN :定时计数器的输入端。TIMEROUT :定时计数器的输出端。4.2 8155在本设计中的应用ADC0809把转换结束的数字量传送到 8155。这时8155向CPU发出中断请求，请求 接收数据，CPU选中8155的CE，当CE=0时，CPL允许8155工作。通过控制1

27、0/M端 口，使得该端口为零，则 CPU选中8155的RAMT作，其中RAM容量为256个字节，主 要用于存放实时数据，存储器存储单元地址由地址锁存器输出端送来。8155开启后，由管脚RD和WR来确定8155的读和写，其中RD为8155读命令输入线，WR为写命令线， 当RD =0且WR=1时，8155处于读出数据状态；相反，8155处于写入数据状态。这样8位数据就被写入8155。本设计中8155与8031的接口电路如图4.2所示21393?3635343332313C29加箔24器2221PC5RESETPC4PC3PC2TNKINdPCIPCOTMROUTPB7PB6PB5ALEPB4IOj

28、MPBSWRPB2RDPB1CEPBOPA7AD7PMAMPASAD5PA4AD4PA3ADJAI2PAIADIPJUDADOU+41110611918n16图4.2 8155 与8031接口电路ALEMO _WKMlTo)F04pooRD4.2.1 8155的显示过程其具体工作过程为：1、当ADC0809俞入数据并把它送到 A 口时,ADC0809还向8155的ASTB线上发送一 个低电平选通信号。2、 8155收到ASTB上的负脉冲信号后做两件事情：一是从PA7-PA0上把输入的数 据锁存到A 口锁存器；二是通过 A 口缓冲器触发Qbf的置位使A 口缓冲器满输出线ABF 变为高电平，以便通

29、知 ADC0809 8155已从A 口收到了它的输入数据。3、8155在ASTB上升沿检测到Qbf和A 口中断允许触发器 Qa都为1状态时，使A INTR 中断输出线变为高电平，从而向 CPU青求中断。4、CPU响应中断后进入相应中断程序。当执行到从A 口锁存器读取输入数据时，RD 上升沿一方面撤消A INTR线上的中断请求（A INTR变为低电平），另一方面使Qbf触发 器复位，从而使ABF输出线变为低电平，通知 ADC080列以输入下一个数据。当8031的引脚P2.0=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选中片内三个I/O端口。相应

30、地址分配为：0000FH00FFH 8155 内部 RAM0100H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8155接收到ADC080S传来的数据后，要通过其外设LED来显示。其中LED有七段和 八段之分，也有共阴和共阳两种。LED数码显示原理如下：图4.3示出了八段LED数码显示管的结构和原理图：鞍山科技大学本科生毕业设计(论文)第13页共阴LED结构(b)共阴LED共阳LED(c)图4.3八段LED数码显示管原理和结构图4.3(a)为八段共阴数码显示管结构图，图 4.3(b)为它的原理图，图4.3(c)为八 段共阳L

31、ED显示管原理图。八段LED显示管由八只发光二极管构成，编号是a、b、c、d、 e、f、g和SP分别与同名管脚相连。七段LED显示管比八段LED显示管少一只发光二极 管SP,其他与八段LED相同。八段LED数码显示管原理很简单，是通过同名管脚上所加电平的高低来控制发光二 极管是否点亮从而显示不同字型的。图4.3(b)中，所有发光二极管阴极共连后接到引脚 G, G脚为控制端，用来控制LED是否点亮。若G脚接地、则LED被点亮；若G脚接TTL 高电平，则它被熄灭。图4.3(c)为共阳八段LED数码显示管原理图。图中，所有发光二 极管阳极共连后接到G脚。正常显示时G脚接+5V,各发光二极管取决于a至

32、SP各引脚 上是否是低点平0V。单片机控制系统在显示时通常采用动态扫描方式显示。动态显示采用软件法把预显示的十六进制数(或BCD码)转换为相应字形码，故它通常需要在RAM区建立一个显示缓冲区。显示缓冲区内包含的存储单元个数常和系统中LED显示器的个数相等。显示缓冲区的起始地址很重要，它决定了显示缓冲区在RAM中的位置。显示缓冲区中的每个存储单元用于存放相应 LED显示管欲显示字符的字形码地址偏 移量，故CPU可以根据这个地址偏移量通过查字形码表找出需显示字符的字形码，以便 送到字形口显示。本设计采用的是八段LED共阳极显示，其驱动电路如图4.4所示鞍山科技大学本科生毕业设计（论文）第19页图4

33、.4 LED驱动电路4.2.2 8155的输入过程本系统是通过测量实际温度与给定温度之间的差值来实现温度控制的，所以只知道被测温度是不够的，需要通过键盘向系统输入一个设定值，这就考虑8155的外设键盘输入。本设计系统中采用的是行列式非编码键盘输入。行列式非编码键盘是一种所有按 键排列成行列矩阵的键盘。在这种键盘中，每根行线和列线的交叉处都接有一个按键， 当某个按键被按下时，与这个按键相连的行线和列线都会接通， 否则是断开状态。因此, 一个M*N的行列式非编码键盘只需 M条行线和N条列线共占用M+N条单片机的I/O端口 线。设计中应用的是A 口和C口的低四位端口共十二位。下面对行列式非编码键盘的

34、工 作原理和键盘识别程序进行介绍。 监视键盘的方法：采用非编码键盘，CPU必须对所有 按键进行监视。一旦发现有键按下，CPU应通过程序加以识别，并转入相应键的处理程序，实现该键功能。1、键值表CPU扫描键盘可以通过程序读取被按键的行首键号和列值，并求出被控 键的键号，然后，再查键值表即可知道什么键被按下。2、判断是否有键按下 CPU只要把全零送到8155的PA7-PA0就可以在所有列线 R7-R0上得到TTL低电平，然后读取PC3-PC（上的行值就可以判断是否有键按下。若无 键按下，则所读值必为0FH若有键按下，则行值必因被按按键的行、列线接通不等于 OFH3、被按键行首键号和列值的读取 若C

35、PL发现有键按下，则获取被按键的行首键号和列值。CPU获取被按键的行首键号和列值只需逐列对键盘的扫描（即轮流的使8155的A 口中每条列线变为低电平）以读取和判断 PC3-PC0H的行值即可。若行值为0FH 则表明被按键不在本列；若行值不为 OFH则判断处于零状态的行即可获得行首键号， 以及判断处于零状态的列（设置一个列值计数器 R0,并在列扫描前清零）即可得到列值。4、求键值 由于键盘上所有按键的键值都存放在键值表中，因此预求被按键的键值 必须先求出被按键键值在键值表中的地址偏移量。求取公式为：被按键的键号=亍首键号+列值CPU求得被按键的键号N后，就可以利用查表指令求得被按键的键值了。本设

36、计中键盘的接口电路如图 4.5所示S e 3T.图4.5键盘接口图5温度控制部分5.1双向可控硅简介双向可控硅元件，又称双向晶闸管，它是可控硅的主要派生元件之一。可控硅是一 种直流电力元件，在用于交流电力控制时，需要用一对反并联的可控硅。如果在交流电 路中用双向可控硅元件代替一组反串联的可控硅，便可以简化线路，减小装置的体积和 重量，节省投资。双向可控硅元件是五层三端的硅半导体闸流元件，它有三个引出端，即T1、T2和GT1和T2是主端，G是门极端（控制极）。门极G和T2是从兀件的同一侧引出的，兀件 的另一侧只有一个引出端，即 T1。双向可控硅元件的表示符号如图 5.1所示图5.1双向可控制硅示

37、意图欲使双向可控硅元件中通过交流电流，必须在半个电流周期对元件进行一次触发； 只有在元件中通过的电流大于擎住电流后，才能在去掉触发脉冲后维持元件继续导通； 只有当元件中通过的电流下降到维持电流以下时，元件才能关断，并恢复阻断能力；元 件过零关断后，必须再次进行触发才能重新导通。5.2温度控制过程当把设定温度值和实际测量温度输入到8031时，经过计算一定会存在一个差值，这个差值经过PID控制算法对可控硅调功率电路实现的，双向可控硅管和加热丝串接在交流220V、50Hz交流市电回路中。可控硅接通时间可以通过可控硅控制极上的触发脉 冲控制。该触发脉冲由8031用软件P1.3引脚上产生，经过零同步脉冲

38、同步后经光耦管 和驱动器输出送到可控硅的控制极上。其中过零触发电路电路如图5.2所示,温度控制电路如图5.3所示图5.2过零触发电路图5.3温度控制电路过零同步脉冲是一种50Hz交流电压过零时刻的脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波过零点时触发通导。如图5.4所示图5.4过零触发脉冲过零同步脉冲由过零触发产生，电压比较器LM311用于把50Hz正弦交流电压变成方波。方波的正边沿和负边沿分别作为两个单稳态触发器的输入触发信号，方波的正负 边沿在每个周期内都有两次过零机会，且 74LS123是双向单稳态触发器，根据其过零触 发的特性，即每次遇到零点都会产生一个触发脉冲，其输出脉冲频率将是交流电压输出

39、频率的二倍，从而使得工作频率从 50HZ变成100HZ从而得到对应于交流220V市电的 过零同步脉冲。此脉冲一方面作为可控硅的触发同步脉冲加到温度控制电路，另一方面 还作为计数脉冲加到8031的T0和T1端。当从P1.3输出的触发脉冲和从74LS123输出的触发脉冲经过与门加到光电偶上， 在给定周期T内，8031只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝功率，以达到调节温度的目的。其中在给定的周期内，其高低电平的占空比是通过PID算法所得值的范围与给定范围值的对照得到的。占空比越大加热时间越长，反之，加热时间越短，从而达 到控制炉温的目的。5.3温度控制的算法5.3.1 PID控制的原理和特点在

40、工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、 稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和 参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系 统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统 参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就 是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制

41、量进行控制的1、比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。 当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state erro）。2、积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制 系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差 系统（System with Steady-stateError）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入积分项”积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便 误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使

42、稳态误差进 一步减小，直到等于零。因此，比例 +积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳 态误差。3、微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关 系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于 存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是 落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够 的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是微分项”它能预测误差变化的趋势，这

43、样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于 零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象， 比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性 。5.3.2温度控制的具体算法通常，电阻炉炉温控制采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出实测炉温对所需 炉温的偏差值，然后对偏差值处理，从而获得控制信号去调节电阻炉的加热功率，以实 现对炉温的控制。控制论告诉我们，PID控制的理想微分方程为:鞍山科技大学本科生毕业设计（论文）第23页(5.1)1 tde(t)u(t)二kje(t) e(t)dtT idt式(6.1)中，e(t)=r(t)-y(t

44、)称为偏差值，可作为温度调节器的输入信号，其中r(t)为给定值，y(t)为测量值；kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数；u(t)为调 节器的输出控制电压信号。但计算机只能处理数字信号，故上述数学方程必须加以变换。若设温度的采样周期为T，第n次采样得到的输入偏差为en，调节器输出为q，则有: 用差分代替微分:(5.2)de(t) en - en jdt用求和代替积分:t0etdtn八ek Tk=0(5.3)这样，式(6. 1)便可改写为:(5.4)Un =kp |enek T +Td nTi k=ST写成递推形式为:en 4.匚也TiT广1 nd(01 2en 4 + en _

45、2 )* en4 * J ek，T + TdITi心en -1 _ en -2TUn 4TTkp en -en4 丁編 e2en4 e-TiT(5.5)改写成:u(n) =u(n -1) kpE(n) -E(n -1) KI E(n) KDE(n) -2E(n -1) E(n -2)=u( n-1)+ Pp+P+P(5.6)6 MAX232的介绍6.1收发器的历史早期的RS-232接口功率消耗很大。大约20年前，一系列接口都用具有4个发送器 的MC1488以及4个接受器的MC1489MC1488/MC148消耗功率超过700mW当发送数据 的时候，由于驱动电流以及电缆充电的影响，消耗功率达到

46、1W以前，发送器的一个很 大的缺点是需要土 12V对称的电压供电。接收器工作在单一 +5V,这样一个RS-232端口 需要3个供电电压。对于台式电脑来说，它的两个 COM接口通常采用标准的SN75185攵 发器。它有3个发送器和5个接受器。即使是在不用的时候，功率消耗也有 1.2W。RS-232标准的电压输出是这样规定的：在 TTL 一边发送逻辑高电平，在 RS-232发 送器产生一个小于或是等于-5V的电压：在TTL一边发送逻辑低电平，在RS-232发送器 产生一个大于或是等于+5V的电压。接收器的阈值规定为土 3V,增加了通过长电缆传输 数据的抗干扰能力。如果输出电压达到最少5V，那么RS

47、-232接口就符合标准规定。对于在输出端有很 小的电压下降的发送器来说，5V电压就够了。另一方面， 2V能增加数据在工业环 境中传输的抗干扰能力。6.2 MAX232的工作电路C2+1(JVTO-10VC2- VOLTAGE INvERCU +5V T0+1WCl- V0L1AGE DOUELfFd=02TTL1CM0SINPUTSFFLCMOS OUTPUTS,5V INPUT v16图6.1 MAX232工作电路F?S-232 OUTPUTSRS235INPLTL6.3 MAX232的详细说明6.3.1双充电泵电压变速器双充电泵电压变速器的设计基本思想是在内部集成充电泵。第一个充电泵变压器

48、由片内开关和电容器C1和C3组成。通过在C3充上5V电压，将C3上电压加上VCC得至U V+输出。第二个充电泵包括开关和电容器 C2和C4,电容器C2把+10V在C4上反向为-10V, 加到输出端。实际上，由于电阻以及开关的损失，使MAX232的输出摆动为大约土 8V。+10V和-10V两个输出端可以输出少量的电流供给外部电路。V+和V-未经稳定，当负载电流增加时输出电压将会降低。当V+和V-输出电流加到外部电路时，不应使V+和V-的负载过大以至驱动器的输出电压摆幅小于EIA/TIA-232E规定的最小值5。6.3.2 RS-232 驱动器当负载为额定输入电阻5k的RS-232接收器，电源电压

49、VCC=+5V时，驱动器输出 电压摆幅的典型值为土 8V。这个输出摆幅保证满足 EIA/TIA-232E和V.28的技术规格。 EIA/TIA-232E和V.28规定驱动器在最恶劣的条件下最小输出为土 5V电压。这些条件包 括一个最小的3k负载，VCC=+4.5V以及最高的工作温度。无负载时驱动器输出电压摆 幅从 V(+)=-1.3V 至 V(-)=+0.5V。输入门限是与TTL和CMO两者兼容的。未使用的驱动器输入端可以不连续，因为 在芯片内，输入端由400k。上拉电阻接到VCC由于所有的驱动器是反相的，上拉电阻 迫使未使用的驱动器输出端为低。输入端上拉电阻电流的典型值为12uAo输出端允许

50、被 驱动到土 15Vo三态方式是指驱动器被禁止，输出端处于高阻状态。驱动器输出端的转 换速率被限制在小于30V/us,以满足EIA/TIA-232E和V.28技术规格的要求。6.3.3 RS-232 接收器EIA/TIA-232E和V.28的技术规格规定大于3V电压时为逻辑0,因此所有接收器是 反相的。输入门限被设置为0.8V和2.4V，所以接收器适应了 TTL电平输入及EIA/TIA-232和V.28技术规格规定的电平。接收器输入端可承受最高为土 25V的输入电压，并提供典型值为 5k的输入电阻。 接收器执行V.28和EIA/TIA-232规定的故障条件的第一类解释。接收器输入端迟滞的典型值

51、为0.5V，最小保证为0.2V。这为消除输出跃变提供条件，即使是在有适当数量干扰和瞬时扰动的慢上升和下降的输入信号的情况下也是如此。接收器传输延迟的典型值为 600ns,并且与输入信号的摆动方向无关。鞍山科技大学本科生毕业设计（论文）第39页7软件设计7.1主程序流程图图7.2主程序流程图7.2部分程序ORG 0400HDISM0DATA78HDISM1DATA79HDISM2DATA7AHDISM3DATA7BHDISM4DATA7CHDISM5 DATA 7DHMOVSPCLR AMOV2FHMOV30HMOV3BHMOV3CHMOV3DHMOV3EHMOV44HMOVDISM0MOVDI

52、SM1MOVDISM2MOVDISM3MOVDISM4MOVDISM5MOVTMODMOVTL0MOVTH0CLRPT0SETBTR0SETBET0SETBEALOOP : ACALLDISPLYACALLSCANAJMPLOOP,#50H，A；清暂存单元，A，A，A，A，A，A，A；清显示缓冲区，A，A，A，A，A，#56H;设TO、T1为计数器方式2、1，#06H，#06H；令T0为低中断优先级调用显示程序 调用扫描程序 等待中断T0中断服务程序ORG000BHAJMPCT0ORG 0100HCT0 : PUSHACC ；保护现场PUSHDPLPUSHDPHSETBD5H；置标志ACALL

53、SAMP；调用采样子程序ACALLFILTER；调用数字滤波程序POPPOPDPHDPLACCPOPRETINM :SETBP1.3;令P1.3输出高电平脉冲MOVTL1，AMOVTH1， #0FFHSETBPT1；T1高优先级中断SETBTR1SETBET1ACALLTRASTLOOP：ACALLDISPLY ；显示温度JBD5H，LOOPPOPDPHPOPDPLPOPACCRETIPOPDPH；恢复现场POPDPLPOPACCRETIT1中断子程序ORG001BHAJMPCT1ORG0200HCT1: CLRD5H ;CLRP1.3RETI清标志结论我所做的毕业设计是利用单片机来实现温度控

54、制。通过设计电路，参考相关的书籍,我对温度控制系统有了全新的认识，掌握了8155、ADC0809双向可控硅等电子器件的工作原理及应用，明白了什么是 PID算法，对单片机原理及其接口技术也有了进一步的 了解。通过软件编程，我的汇编语言编程的能力也有了进一步的提高。在对软件进行调试的过程中，当出现与自己的设计意愿不符的情况时，利用机器中 的单步执行查找原因，提高了自己解决问题的能力。在整个设计过程中，由于粗心和不 熟练出现了许多错误，后经老师指点和同学的帮助，得到了令人满意的结果。致谢本人在毕业设计工作期间的工作自始至终都是在曲强老师认真、详细、具体、耐心 的指导下进行的。曲强老师学识渊博、思维敏锐、作风严谨，我从中学到了做人和做学 问的很多道理，使我受益匪浅，终生难忘。感谢资料室各位老师的关心和帮助。感谢实验室老师，在设计过程中所给予的帮助。感谢我的同学和朋友们对我的关心和