电热锅炉温度控制器__AD590__MCS-51单片机

摘要：本文介绍了以MCS-51单片机为核心的温度控制器的设计,在该设计中采用高精度的温度传感器AD590对电热锅炉的温度进行实时精确测量,用超低温漂移高精度运算放大器OP07将温度-电压信号进行放大,再送入12位的AD574A进行A\D转换,从而实现自动检测,实时显示及越限报警。

控制部分采用PID算法,实时更新PWM控制输出参数,控制可控硅的通断时间,最终实现对炉温的高精度控制。

关键词：MCS-51单片机；温度；软硬件；硬件原理图；程序框图；设计目录一、任务（2）二、工艺要求（2）三、本系统的性能指标（2）四、系统组成和总体控制方案（2）五、硬件设计（3）六、软件设计（8）七、程序说明（16）八、调试方法及结果分析（18）九、对象特性的测量和识别（21）十、设计总结（22）电热锅炉温度控制器的设计一、任务：用单片机自动控制电热锅炉温度调节系统。

二、工艺要求：1．系统应有良好的操作性能，为了使用方便和维修，系统控制开关要少。

2．通用性好，便于扩充。

3．系统可靠性要高。

三、本系统的性能指标：输出功率：20KW温度设定：键盘温度显示：4位LED数码管显示误差：±5°C控制温度：500℃-1000℃四、系统组成和总体控制方案。

系统设计总体框图如下：A.初步选定系统采用单闭环控制。

因为所带负载是阻性元件，其线性度比较好，温度变化不太高，但对控制精度有一定的要求。

B.执行机构采用三相电热丝，我们用控制电流的变化来控制温度的变化。

C.计算机部分起巡回检测、闭环调节和计算推理的作用。

五、硬件设计：1、MCS-51电源引脚Vcc 和Vss ： Vcc ，电源端，接＋5V ；Vss ，接地端。

时钟电路引脚：XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，若使用外部TTL 时钟时，该引脚必须接地。

XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出，若使用外部TTL 时钟时，该引脚为外部时钟的输入端。

地址锁存允许ALE ：系统扩展时，ALE 用于控制地址锁存器锁存P0口输出的低8位地址，从而实现数据和低位地址的复用外部程序存储器读选通信号/PSEN ：是读外部程序存储器的选通信号，低电平有效。

程序存储器地址允许输入端/EA ：当为高电平时，CPU 执行片内程序存储器指令，但当PC中的值超过0FFFH 时，将自动转向执行片外程序存储器指令。

当为低电平时，CPU 只执行片外程序存储器指令。

复位信号RST ：该信号高电平有效，在输入端保持两个机器周期的高电平后，就可以完成。

输入/输出口引脚P0、P1、P2和P3：P0口（P0.0～P0.7）：该端口为漏极开路的8位双向口，负载能力为8个LSTTL 负载，2.3/0P INT 6.3/P WR3.3/1P INT 0.1P 1.1P 2.1P 3.1P4.1P5.1P6.1P7.1P PD V RST /0.3/P RXD 1.3/P TXD 4.3/0P T 5.3/1P T 7.3/P RD 2XTAL 1XTAL Vss1234567891011121314151617181920Vcc 0.0P 1.0P 2.0P 3.0P 4.0P 5.0P 6.0P 7.0P Vpp EA /PROG ALE /PSEN 7.2P 6.2P 5.2P 4.2P 3.2P 2.2P 1.2P 0.2P 2122232425262728293031323334353637383940803180518751Vcc Vss PD V RST /1XTAL 2XTAL Vpp EA /PSEN PROGALE /P3口第二功能P0口P1口P2口地址数据总线地址总线803180518751它是8位地址线和8位数据线的复用端口。

P1口（P1.0～P1.7）：它是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P1口的驱动能力为4个LSTTL负载。

P2口（P2.0～P2.7）：同P1口。

在访问外部程序存储器时，它作存储器的高8位地址线。

P3口（P3.0～P3.7）：P3口同样是内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P3口除了作为一般的I/O口使用之外，还具有其它特殊功能。

2、铂热电阻：铂热电阻是电阻体采用铂金属、具有正的温度系数的一种电阻，广泛用作稳定温度系数的电阻以及温度传感器。

铂热电阻的端子有不同的联结方式，如图（1）既2线式，3线式和4线式。

它虽是一种阻值随温度改变的温度传感器，但实际上使用时要把引线电阻记算在内。

因此2线式适用于传感器在印制板上。

图（1）（a）2接线（b）3接线（c）4接线测量铂热电阻的阻值大致有二种方法即恒压法和恒流法。

恒压法就是加在铂热电阻两端电压保持恒定，测量电流变化的方法。

若有恒压源（标准电池），恒压法的电路就非常简单，另外，组成桥就可进行温漂补偿，因此，这种方法被广泛使用。

但电流和铂热电阻的阻值变化成反比，用于很宽的温测范围，进行线性时要特别注意。

恒流法就是流经铂热电阻的电流保持恒定，测量其两端电压的方法。

对于恒流法，电流和铂热电阻的阻值变化成正比，因此，线性化简便，但要获得准确的恒流源时电路比较复杂。

图（2）是2线式的铂热电阻接线图，它是一种检测温度的电路。

这种接法属于恒压法，但实际选用的R1阻值比RT高很多，因此RT阻值变化引起的测量电流变化不大，获得近似恒流的线性输出。

图（2）3、模拟量输入电路1）8155（b）引脚图主要接口信号：AD0～AD7地址数据复用线ALE 地址锁存信号，它除进行AD0～AD7的地址锁存控制外，还用于片选信号CE和等信号锁存控制读选通信号写选通信号片选信号I/O和RAM选择信号RESET 复位信号，81A 、B 、C 口均为输55以600ns 的正脉冲进行复位，复位后入方式4．模拟量输出电路引脚功能：D 0～D 7 数字量数据输入线，ILE 为数据锁存允许信号，高电平有效；CS 为输入寄存器选择信号，低电平有效。

输入寄存器的“写”选通信号，负脉冲有效，当、ILE=1、时，D 0～D 7的数据被锁存至输入器；为数据转移控制信号线，低电平有效V ref 其准电压输入线RFb 反馈信号输入线，芯片内已有反馈电阻I OUT1和I OUT2 电流输出线，I OUT1和I OUT2的和为常数，I OUT1随DAC 寄存器的内容线性变化 V CC 工作电源，DGND 为数字地，AGND 为模拟信号地，由于D/A 转换芯片输入是数字量，输出为模拟量，模拟信电源和数字信号的干扰而引起波动。

5、 光电耦合输出电路如下图：工作状况：当单片机引脚为低电平时： a. 光电耦合器的发光二极管承受正向电压，导通，有电流流过，发光b. 光电耦合器的光敏三极管受到光照，进入导通状态，其集电极处于零电位c. 继电器线圈得电，闭和，接通外部电路当单片机引脚为高电平时：a. 光电耦合器的发光二极管承受反向电压，截止，无电流流过，不发光b. 光电耦合的光敏二极管末受到光照，进入截止状态，其集电极处于高电位c. 线电器线圈失电，断开外部电路6. 键盘和显示电路（1） 4×4键盘工作原理由图可见：16个键分两部分，十个数字键0～9；六个命令键A ～F 。

CPU 每次通过接口对某一行X i 输出扫描信号0、列线Y j 的状态来确定键闭合的位置。

列线Y 接+5v/无安键时，行X 和列Y 线断开，列线Y 1～Y 4呈现高电平。

当某一按键闭合时，该键所在行、列线短接。

若该行线输出为0，则该列线电平被拉成0（其余3根列线仍为1），此时CPU 可判断出按键闭合所在行、列及键号。

为了便于CPU 处理。

将行、列信号拼装成一个字节，然后求反得到4号键对应的“特征字”，也叫键值。

即：列线Y 行线XCPU 操作时，先输出行有效信号，再输入列信号，经过拼装、求反得到键值，由于这种对应是唯一的，所以根据上述关系可求出其他键值如下：CPU 得到键值后，，很容易判断按键闭合号码。

不同的接线方式，得到键值可能不同，但键号和键值的对应关系是唯一的。

（2） L ED 动态显示方式按图从左向右轮流显示8位LED 的位选码为键盘上的字符0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F键值 81H 82H 42H 22H 84H 44H 24H 88H 48H 28H 18H 14H 12H 11H 21H 41H六、软件设计：系统软件采用模块化程序结构，主要由主程序、控制算法程序、系统初始化子程序、A\D 转换程序、显示键盘子程序等组成。

（一）主程序流程图（图1） （二）中断服务流程图（图2）（图1）（图2）开始关中断设堆栈指针 有关寄存器清零 允许定时器益出中断 允许定时器T2益出中断设中断服务程序首址HSI1输入为T2时钟源8155初始化：A 口为输入，B口为输出，设定时器及常数开中断等中断中断返回（三）数据处理和温度判断子程序（图3）否是否是 否① 保护现场 设数据个数设数据存放区首址取出数据右移6次累加数据数据取完否？ 计算平均值设数据暂存左移6次U ik →REGA设P k =00H调清零子程序 调显示子程序恢复现场 返回U ik >6AH?U ik >80H?①是（图3） 设定保温值 算E K =U OK -U IK E K -YY ≥0?调PD 子程序调清零子程序调显示子程序恢复现场返回设P K =0F0H清零子程序调调显示子程序恢复现场返回（四）乘法子程序流程图（五）、程序清单1）主程序清单ORG 2000HDCW INT-TORG 4080HMAIN： LD SP，#060H ；设堆栈指针DI ；关中断CLRB AD-COMMAND ；清有关寄器CLRB INT-PENDCLR AXCLRB BXCLR EXCLRB DLCLRB ELCLR FXCLR GLCLR GHCLR HXLDB INT-M，#01H ；允许定时器溢出中断 LDB ICO1，#08H ；允许定时器T2溢出断 LD AX，#4100H ；中断服务程序首址ST AX，#2000H[0] ；中断矢量LDB IOCO，#86H ；设HSI1输入为T2LD REG1，T2M1： LDB AL，#0CFH ；设8155工作方式：A口为输入B口为输出C口为输出定时器工作为１１STB AL，#1800H[0]LD AX，#0003HST AX，#1804H[0]LCALL REG ；调用PD参数子程序 E1 ；开中断SJMP M12）中断服务程序清单ORG 4100HINT-T： PUSHF ；保护现场LDB PORT2，#0FHLDB PORT2，#00HLDB BL，#05H ；设置通道采样次数LD CX，00A0H ；数据存放首址送CX寄存器SAPE： LDB DL，#04H ；从ACH4开始采样LDB EL，#04H ；一次采集通道数LD FX，CX ；转存地址LOOP1： ADDB AD-COMMAND，；启动A/D转换器DL，#08HNOPNOP ；等待LOOP2: JBS AD_RES_LO,3, LOOP2LDB AL,AD_RES_LO ；转换结果低位送AL LDB AH,AD_RES_HI ；高位送AHSTB AL,[CX]+ ；存放数据STB AH,[CX] ；ADD CX,#0009H ；求下一个通道地址INCB DL ；通道号加1DECB EL ；通道号减1JNE LOOP1 ；EL≠0时，继续采样 DJNZ BL,ADDR ；BL≠0时，继续采样 SCALL DMR4 ；调用处理子程序POPF ；恢复现场RET ；返回ADDR: LD CX,FX ；恢复CX内容INC CX ；CX内容加2INC CX ；SJMP SAPE ；3）数据处理和温度判断程序清单ORG 4150HDMR4： PUSHF ；保护现场LDB BL，#05H ；置数据个数LD CX，#00A0H ；取数据LOOPD： LDB AL，[CX]LDB AH，[CX]SHR AX，#06H ；调整CX内容ADD GX，AX ；累加数据INC CX ；修改地址DJNZ BL，LOOPD ；BL≠0时，继续累加 DIVU GX，#05H ；取平均值LD HX，#00D6H ；存放数据SHL GX，#01HST GX，[HX]SHL GX，#05HST GX，REGA ；温度反馈值送REGAAND AX，AXCMP CL，#6A00H ；超温判断JGT CC ；是，转CCJV CC ；判断Pk是否有溢出，是转CC LD MX，#6400H ；设温度给定值ST MX，REGCLD AX，AXSUBC MX，GX ；计算偏差值EkLD REG4，MX ；Ek→REG4LD DX，REG1E ；是否进入保温段NOPAND AX，AXSUBC MX，DXJGE AA ；否，转AANOPLCALL PD ；是，调PDSCALL CLR ；调CLR子程序LCALL LEDSHOW ；调显示子程序POPF ；恢复现场RET ；返回ORG 41B0HAA： LDB QL，#0F0H ；输出最大值STB QL，1801H[00]SCALL CLRLCALL LEDSHOW ；调显示子程序POPF ；恢复现场RET ；返回ORG 41C0HCC： LDB QL，#00H ；输出00HSTB QL，1801H[00]SCALL CLRLCALL LEDSHOW ；调显示子程序POPF ；恢复现场RET ；返回ORG 41D0HCLR： CLR GL ；清有关寄存器CLR GHCLR AXRET ；返回4）显示子程序清单ORG 41E0HLEDSHOW: LD SHOWADDR，#SHOWBUFFLD BX，#00HLD AX，[HX]SHR AX，#03HDIVU BA，1000ORB AL，#20HSTB AL，00H[SHOWADDR]DIVUB BX，#100LDBZE AX，BLLD REG16， #6000H ；设KD值LD REG1E， #1400HRETORB AL, #30HSTB AL, 01H[SHOWADDR] LDBZE AL, BHDIVUB AX, #10ORB AL, #40HSTB AL, 02H[SHOWADDR] ORB AH, #50HSTB AH, 03H[SHOWADDR] LD SHOWADDR, #SHOWBUFFSCALL DELAYSCALL DELAYLDB CL, #04HLSHOW: LDB AL, [SHOWDDR]+STB AL, 1802H[00H]ORB AL, #0F0HSTB AL, 1802H[00]DJNE CL, LSHOWRET5）延时子程序清单ORG 4300HDELAY： PUSHFLDB AL， #OFFHDELAY1： LDB HSOC， #39HADD HSOT， TIMER1，EXLDB AH， #080HDELAY2： NOPNOPEIDJNZ AH， DELAY2NOPNOPDJNZ AL， DELAY1POPERET6）乘法子程序清单ORG 4300HMUL LD CL，#10H ；设循环次数LD AX，#0000H ；AX清零SHAR DX，#01H ；DX算术右移1次L2： SHAR AX，#01H ；AX算术右移SHR BX，#01H ；BX逻辑右移JC L ；有进位转DECB CL ；没有，循环次数减1CLRC ；进位标志清零JE L1 ；循环次数为零转L1SJMP L2 ；L： DECB CL ；CL-1送CLJE L1 ；循环次数为零转L1ADD AX，DX ；AX+BX送AXSJMP L2L1： JNC L3 ；进位标志为零转AND CL，CLSUBC AX，DX ；AX-DX送AXL3： SHL BX，#01H ；AX，BX算术左移SHL AX，#01HRET ；返回七、程序说明在程序清单中左边第一列是内存地址，第二列是机器码，存放内存地址的内容，在数据区则是参数和数的代码。