我朋友的已經(jīng)答辯的論文
2009年06月09日
隨著現(xiàn)代工業(yè)的逐步發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度、壓力、流量和液位是四種最常見的過程變量。其中，溫度是一個非常重要的過程變量。例如：在冶金工業(yè)、化工工業(yè)、電力工業(yè)、機械加工和食品加工等許多領(lǐng)域，都需要對各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐的溫度進行控制。然而，用常規(guī)的控制方法，潛力是有限的，難以滿足較高的性能要求。采用單片機來對它們進行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大的優(yōu)點，而且可以大幅度提高被測溫度的技術(shù)指標，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的控制問題。
單片機是一種集成電路芯片,采用超大規(guī)模技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力(如算術(shù)運算,邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理)的微處理器(CPU),隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM),只讀程序存儲器(ROM),輸入輸出電路(I/O口),可能還包括定時計數(shù)器,串行通信口(SCI),顯示驅(qū)動電路(LCD或LED驅(qū)動電路),脈寬調(diào)制電路(PWM),模擬多路轉(zhuǎn)換器及A/D轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單塊芯片上,構(gòu)成一個最小然而完善的計算機系統(tǒng).這些電路能在軟件的控制下準確、迅速、高效地完成程序設(shè)計者事先規(guī)定的任務(wù).由此來看,單片機有著微處理器所不具備的功能,它可單獨地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能,這是單片機最大的特征.
本文詳細地敘述了用MCS-51單片機設(shè)計實驗室恒溫控制系統(tǒng)的硬件電路及軟件實現(xiàn)，細致地介紹了設(shè)計構(gòu)圖，各功能模塊的程序流程圖以及程序清單．該裝置控制溫度范圍廣泛，可靠性強，靈敏度高，使用靈活．
目錄．．．．．．．．．．．．．II
第一章 概述．．．．．．．．．．．．．1
第二章 系統(tǒng)的硬件電路描述．．．．．．2
2.1 主機部分．．．．．．2
2.2 電熱控制部分．．．．．．．2
2.3 溫度檢測部分．．．．．．．2
2.4 顯示與報警部分．．．．．．．2
第三章 軟件描述．
3.1 鍵盤管理模塊．．．．．4
3.2 顯示模塊．．．．．．．．．5
3.3 溫度檢測模塊．．．．．．．．5
3.4 控制模塊．．．．．．．．．．．6
3.5 溫度報警模塊．．．．．．．．．．7
3.6 主程序和中斷服務(wù)程序．．．．．．．8
第四章 結(jié)論與總結(jié)........10
參考文獻 ．．．．．．．．．．11
第1章 概述1.1在一些重點實驗室中，以及進行一些特殊實驗時，對恒溫控制系統(tǒng)的恒溫控制要求的非常嚴格，并且控制溫度范圍比較廣泛，同時要求在各個不同的實驗時間能夠?qū)囟冗M行調(diào)節(jié)，為此相繼研制出了一些恒溫控制系統(tǒng)，但都是用電子電路所構(gòu)成。本文采用單片機進行設(shè)計，使實驗室恒溫控制系統(tǒng)更可靠、更靈敏、更靈活，控制溫度范圍更廣，更具有應(yīng)用價值。本文重點論述了實驗室恒溫控制系統(tǒng)的控制電路，硬件設(shè)計及軟件實現(xiàn)，控制系統(tǒng)的溫度顯示及安全溫度。從設(shè)計要求角度考慮，該控制系統(tǒng)要具有以下功能和特點：
1） 系統(tǒng)提供電源加熱裝置。
2） 顯示設(shè)定溫度和實驗室實時溫度，控制精度誤差≤±2℃，顯示精度到1℃
3） 可隨意預(yù)置實驗室溫度。
4） 溫度超出規(guī)定范圍則需發(fā)聲報警。
即該系統(tǒng)應(yīng)具有溫度檢測、電熱控制、溫度預(yù)置、溫度顯示及報警等電路。根據(jù)設(shè)計要求可以給出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖一所示。系統(tǒng)可分為主機、顯示與報警、溫度檢測、電熱控制4個部分。
第2章 系統(tǒng)硬件描述
2.1.1主機部分用MSC–51單片機作為控制主機并選用EPROM2764芯片作為程序存儲器。用MSC–51單片機控制溫度檢測，溫度顯示，聲音報警及可控硅電熱電路。
2.2電熱控制部分
電熱控制采用可控硅來實現(xiàn)，雙向可控硅和電熱器串接在200V單相交流電路中，單片機的P1.7通過光電隔離器件和驅(qū)動電路送到可控硅的控制端，通過P1.7口控制可控硅的通斷。
2.3 溫度檢測部分
溫度檢測部分包括溫度傳感器、變換器和A/D轉(zhuǎn)換3部分。用于溫度檢測的傳感器有性能穩(wěn)定、抗氧能力強和檢測精度高等特點�？紤]到應(yīng)用范圍要求廣泛，這里選用鉑熱電阻，要求其檢測范圍在0—500℃之間。變送器將溫度變化引起的鉑熱電阻值變化轉(zhuǎn)化成電壓信號，當溫度在0—500℃時變送器輸出0-5V左右電壓。
A/D轉(zhuǎn)換部分采用ADC0809組成A/D轉(zhuǎn)換電路，ADC0809是一種8路模擬輸入的8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器件。由于溫度的控制精度要求≤±2℃顯然采用8位A/D轉(zhuǎn)換器完全可以達到要求的精度。ADG0809的EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號接MSC–52的外部中斷1上，MSC-51通過地址P2.0和讀寫信號來控制轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入通道地址鎖存、啟動和輸出允許，如圖2.因為0809內(nèi)部有地址鎖存器，所以不需另加鎖存器。當電路設(shè)計好后，調(diào)整變換器輸出，當溫度為0℃時變化器輸出0V，AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)果為00H；當溫度為500℃時變換器輸出5V，AD轉(zhuǎn)換器結(jié)果為FAH（250）。也就是說，溫度在0~500℃時，AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)果為00H—FAH(0~250),顯然轉(zhuǎn)化結(jié)果乘以2正好是溫度值，這樣一方面可以方便標度轉(zhuǎn)換，另一方面可以避免轉(zhuǎn)換時帶來的誤差。
2.4顯示和報警部分
顯示器設(shè)有3位LED數(shù)碼顯示器，當停止加熱時顯示設(shè)定溫度啟動加熱時用于顯示定時溫度。為了充分利用MSC—51的資源，節(jié)省并行I/O口線，因此采用串行口，工作方式O作LED顯示器的接口，采用了74LS164移位寄存器構(gòu)成顯示器接口電路，如圖2.
為了結(jié)語資源不擴展并行I/O口，鍵盤只設(shè)置4個按鍵，由I/O的低4位作為鍵盤接口，4個鍵分為啟動、“+100”、“+10”和“+1”鍵，其中后3個鍵可以分別對百位、十位和各位進行加1，再按會再加1，若連續(xù)按該鍵，十位數(shù)就會在0~9之間循環(huán)，從而實現(xiàn)呢置數(shù)功能。除上述4個鍵以外還設(shè)有復(fù)位/停止鍵，系統(tǒng)復(fù)位后處于停止加熱狀態(tài)。因此要停止加熱則按復(fù)位鍵。報警采用蜂鳴器作為發(fā)生器件，將P1.6與之相連，當溫度超過警戒溫度時，實現(xiàn)報警，并關(guān)閉電熱器。圖2是系統(tǒng)的硬件電路圖。
圖2控制系統(tǒng)電路圖
第3章 軟件描述在軟件設(shè)計時，必須先弄清恒溫控制系統(tǒng)的操作過程和工作過程，加熱器開始時處于停止狀態(tài)，首先設(shè)定溫度，顯示器顯示溫度，溫度設(shè)定后則可以啟動加熱。溫度檢測系統(tǒng)不斷檢測并顯示系統(tǒng)中的實時溫度，當達到設(shè)定值停止加熱，當溫度下降到下限（小于設(shè)定值2℃）時再自動啟動加熱，這樣不斷的循環(huán)，使溫度保持在設(shè)定范圍之內(nèi)。啟動加熱以后就不能再設(shè)定溫度，因為溫度的設(shè)定可以根據(jù)實驗要求改變，若要改變設(shè)定的溫度，可以先按復(fù)位鍵/停止鍵再重復(fù)上述過程。
根據(jù)以上操作和工作過程的分析，程序應(yīng)分為兩個階段：一是通電或復(fù)位后到啟動加熱，程序主要是鍵盤管理、顯示器顯示設(shè)定溫度；二是檢測并顯示系統(tǒng)的實時溫度，并根據(jù)檢測的結(jié)果控制電熱器，這時系統(tǒng)不接受鍵盤的輸入。因此，程序可以分為以下幾個功能模塊：溫度設(shè)定和接收啟動；顯示；溫度檢測；溫度變換；溫度控制儀以及報警。
3.1鍵盤管理模塊
鍵盤管理模塊子程序流程如圖3所示。當通電或復(fù)位以后，系統(tǒng)進入鍵盤管理狀態(tài)，鍵盤只接收設(shè)定溫度和啟動。當檢測到有鍵閉合時先去除抖動，這里采用軟件延時的方法，在確定是否有鍵閉合，然后將設(shè)定好的值送入預(yù)置溫度數(shù)據(jù)區(qū)并調(diào)用溫度合法檢測報警程序，當設(shè)定溫度超過最大值如500℃時就會報警，并將溫度設(shè)定在500℃，最后當啟動鍵閉合是啟動加熱。
3.2顯示模塊
顯示子程序的功能是將緩沖區(qū)的二進制數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)換成3個BCD碼，再將其存入另外3個存儲單元，這3個單元分別對應(yīng)百位、十位、個位3個顯示緩沖區(qū)，最后通過串行口送出顯示。
3.3 溫度檢測模塊
溫度檢測子程序流程如圖4所示，鉑熱電阻檢測到溫度變化引起的電阻的變化經(jīng)變送器轉(zhuǎn)化成電壓信號送至A/D轉(zhuǎn)化器。A/D轉(zhuǎn)化采用查詢方式。為了防止各種干擾帶來誤差，要對數(shù)據(jù)進行平滑加工，以保證溫度檢測的真實性，這種算法就是數(shù)字濾波。
數(shù)字濾波的算法有很多種，這里我們采用取平均值的方法。即將4次采樣的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果相加再除以4就是采樣值。又由于A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果乘以2正好是溫度的實際值，因此對4次采樣的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果相加后再除以2正好是溫度的實際值。每次采樣后將A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果累加，直到采樣結(jié)束，最后將累加的值除以2即為溫度實際值。
3.4控制模塊
溫度控制子程序流程如圖5所示，將當前溫度與設(shè)定好的溫度比較，當當前溫度小于設(shè)定溫度時，開啟電熱器；當當前溫度大于設(shè)定溫度時，關(guān)閉電熱；當二者相等時電熱器保持這一狀態(tài)。
3.5溫度報警模塊
報警子程序流程如圖6所示。當檢測到當前溫度高于設(shè)定溫度2℃時報警，報警的同時關(guān)閉電熱器。為了防止誤報，設(shè)置了報警允許標志，只有在允許報警的情況下，溫度高于設(shè)定溫度時才報警。
3.6主程序和中斷服務(wù)程序
主程序和中斷程序流程如圖7所示，主程序采用中斷嵌套方式設(shè)計，各功能模塊可以直接調(diào)用，主程序完成系統(tǒng)的初始化、溫度設(shè)置、設(shè)定溫度的顯示以及定時器的設(shè)定。溫度的檢測、控制以及報警由中斷服務(wù)程序完成。中斷由定時器T0產(chǎn)生，根據(jù)需要應(yīng)每隔15s中斷一次，但是MCS—51的8031所用的6MHz的晶振最大定時為130ms，為實現(xiàn)15s定時而另外設(shè)定了一個軟計數(shù)器。
第四章 結(jié)論與總結(jié)
本文結(jié)合實際應(yīng)用介紹了用MSC-15單片機實現(xiàn)實驗室恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計的工作原理，以及硬、軟件的設(shè)計方法及實現(xiàn)過程。本文重點論述實驗室恒溫控制系統(tǒng)控制電路的設(shè)計，主要是硬件電路的設(shè)計過程及軟件的實現(xiàn)。對于單片機應(yīng)用與控制領(lǐng)域，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動化和管理現(xiàn)代化有一定的普遍意義。當然本文也存在著一些問題，比如說由于單片機本身晶振的限制使得在設(shè)計中斷的是時候必須加一個軟計數(shù)器。還有在進行A/D轉(zhuǎn)換的時候也會帶來一定的誤差，從而對溫控產(chǎn)生 一定的影響，等等。
當然，單片機以其獨特的優(yōu)勢備受控制領(lǐng)域的青睞�？v觀我們現(xiàn)在生活的各個領(lǐng)域，從導 彈的導航裝置，到飛機上各種儀表的控制，從計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，到工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，以及我們生活中廣泛使用的各種智能IC 卡、電子寵物等，這些都離不開單片機。而且隨著計算機系統(tǒng)的發(fā)展，單片機的技術(shù)也在不斷的提高。單片機在內(nèi)部已集成了越來越多的部件，這些部件包括一般常用的電路，例如：定時器，比較器，A/D轉(zhuǎn)換器，D /A轉(zhuǎn)換器，串行通信接口，Watchdog電路，LCD控制器等。很多單片機都設(shè)置了多種工作方式，這些工作方式包括等待，暫停，睡眠，空閑，節(jié)電等工作方式，這使得單片機的功耗越來越小。并且采用低頻時鐘以及低噪聲布線技術(shù)及驅(qū)動技術(shù) 和 EFT（Ellectrical Fast Transient）技術(shù) 等使得單片機的可靠性越來越高。
總之單片機是目前控制系統(tǒng)采用最多的器件和芯片，單片機的廣泛應(yīng)用及其產(chǎn)生的效益令人矚目，在將來的各個領(lǐng)域里，將有著廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻
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。北京，清華大學出版社，2004.
[2]曹琳琳，曹巧媛。單片機原理及接口技術(shù)
。長沙，國防科技大學出版社，2000.
[3]李曉荃，單片機原理及應(yīng)用
。北京，電子工業(yè)出版社，2000.