【正文】 1 基于單片機(jī)的加熱爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 目錄 一． 緒論??????????????????????? 2 二． 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案??????????????????? 3 三．硬件設(shè)計(jì) ????????????????????? 6 1. 8031 單片機(jī) ???????????????????? 6 2. 溫度測(cè)量設(shè)計(jì)??????????????????? 10 檢測(cè)元件 ??? ???????????? ???? ? 11 溫度變送器??????????????????? 12 3. 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)???????????????? ??? 17 AD574 轉(zhuǎn)換器?????????????? ??? 17 采樣保持器?????????????????? 20 4. 鍵盤(pán)及顯示的設(shè)計(jì)???????????????? 23 鍵盤(pán)電路???????????? ? ?????? 23 顯示電路??????????????? ? ? ?? 29 8255A 芯片???????????? ???? ? ? 31 5. 報(bào)警顯示電路?????????????????? 35 6. 譯碼電路???????????????????? 38 7 . D/A 轉(zhuǎn)換器??????????????????? 41 四．?dāng)?shù)學(xué)模型???????????????????? 45 五 . 結(jié)束語(yǔ)????????????????????? 48 六 .謝辭 ?????????????????????? 49 2 七．參考文獻(xiàn)及附錄 ???????????????? 49 基于單片機(jī)的加熱爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) （側(cè)重硬件設(shè)計(jì)） 一． 緒言 溫度是工業(yè)對(duì)象中最主要的被控參數(shù)之一，特別是在冶金，化工，機(jī)械各類(lèi)工業(yè)中 ，廣泛使用各種加熱爐，熱處理爐，反應(yīng)爐等。由于爐子的種類(lèi)不同，因此所采用的加熱方法及燃 料也不同，如煤氣，天然氣，油，電，等等。但是就其控制系統(tǒng)的本身的動(dòng)態(tài)特性來(lái)說(shuō)，基本上都屬于一階純滯后環(huán)節(jié)，因而在控制算法上基本相同。 隨著電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，特別是單片機(jī)的發(fā)展，微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)具有處理能力強(qiáng)，運(yùn)行速度快，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在溫度測(cè)量和控制方面，控制簡(jiǎn)單方便，測(cè)量范圍廣，精度較高。 實(shí)踐證明，控制方法的優(yōu)劣，運(yùn)行效果的好壞，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，能源的消耗，設(shè)備的生產(chǎn)效率。而用微型計(jì)算機(jī)對(duì)爐窯進(jìn)行控制，無(wú)論在提高產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量，節(jié)約能源，還是 在改善勞動(dòng)條件等方面都顯示出無(wú)比的優(yōu)越性。特別是單片機(jī)對(duì)被控對(duì)象采樣功能強(qiáng)，體積小，價(jià)格低的智能溫度控制裝置進(jìn)行控制已成為現(xiàn)實(shí)。本文將設(shè)計(jì)一種基于 8031 單片機(jī)的加熱爐爐溫控制的控制系統(tǒng)。 本文選擇的控制對(duì)象是用天然氣加熱的退火爐，天然氣燒嘴為自帶空氣式。退火爐主要用于鋼材的熱處理，以改變鋼材的物理性能。被測(cè)參數(shù)主要是溫度，測(cè)量范圍為 0~1000℃。針對(duì)加熱爐的上述特點(diǎn)，采用 8031 單片機(jī)作為主機(jī)，對(duì)其進(jìn)行智能控制的控溫系統(tǒng)。這種控制方法具有超調(diào)小，調(diào)整時(shí)間快，精度高的特點(diǎn)。系統(tǒng)通過(guò)硬件電路和軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn) 智能控制。不但資源豐富，易于擴(kuò)展以太網(wǎng)接口，并且速度快，對(duì)于溫度擴(kuò)展完全能滿足實(shí)時(shí)性要求。 設(shè)計(jì)所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)由 8031 為主控芯片構(gòu)成，由檢測(cè)與溫度變送電路， A/D 3 轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)采樣電路，鍵盤(pán)，顯示接口電路，報(bào)警顯示電路，譯碼電路等組成。 被測(cè)參數(shù)溫度經(jīng)熱電偶 WB 測(cè)量后轉(zhuǎn)換成毫伏信號(hào)，經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成 0~5V電壓信號(hào)；再經(jīng)多路開(kāi)關(guān)，把 8 座退火爐的溫度測(cè)量信號(hào)分時(shí)地送到采樣 /保持器和 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量經(jīng) I/O 接口讀入到 CPU,在 CPU 中經(jīng)數(shù)據(jù)處理（數(shù)字濾波、標(biāo)度變換和數(shù)字控制計(jì)算）后，一方 面送顯示，并判斷是否有警報(bào)，另一方面與給定值進(jìn)行比較，然后根據(jù)偏差值進(jìn)行控制計(jì)算?？刂破鬏敵鼋?jīng) D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成 4~20mA 電流信號(hào)，以帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。當(dāng)采樣值大于給定值時(shí)，把天燃?xì)忾y門(mén)關(guān)小，反之將開(kāi)大閥門(mén)，這樣通過(guò)改變進(jìn)入退火爐的天然氣的流量，達(dá)到控制溫度的目的。本系統(tǒng)不但可以進(jìn)行恒溫控制，而且可以通過(guò)軟件設(shè)計(jì)使其能按著一定的升溫曲線控制。 當(dāng)系統(tǒng)中某座退火爐發(fā)生底限或超限報(bào)警時(shí)，將發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提醒操作人員注意，并采取相應(yīng)措施。 二． 溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 方案 以單片機(jī)位核心組成的工業(yè) 控制，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，種類(lèi)繁多，用途各異，硬件設(shè)計(jì)涉及到多方面接口電路和結(jié)構(gòu)，如模擬電路，驅(qū)動(dòng)電路等。本文設(shè)計(jì)的各種芯片的原理，結(jié)構(gòu)和應(yīng)用方法，是以 8031 單片機(jī)位最小應(yīng)用系統(tǒng)的。 在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，信號(hào)往往有數(shù)字或模擬信號(hào)混合存在。這樣，模擬部分與數(shù)字部分的功能分工是硬件設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。它涉及到應(yīng)用系統(tǒng)研制的技術(shù)水平和難度。在這種模擬，數(shù)字系統(tǒng)中，模擬電路，數(shù)字邏輯電路功能與計(jì)算機(jī)的軟件功能分工設(shè)計(jì)應(yīng)該協(xié)調(diào)好。 應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 1. 要有大量的接口。檢測(cè)，控制，驅(qū)動(dòng)的功能電路，在很大程度上決定了應(yīng) 4 用系統(tǒng)的技術(shù)性能，如 A/D,D/A 轉(zhuǎn)換器的分辨率，轉(zhuǎn)換速度等。 2. 必須適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求：如溫度，濕度及電磁干擾。其傳感器及接口可能采用數(shù)字式或數(shù)字傳感器，以利于減少干擾竄入計(jì)算機(jī)中和提高測(cè)量的精確度。 3. 單片機(jī)本身帶有一部分接口電路功能，在實(shí)際應(yīng)用中仍需擴(kuò)展一部分接口。如并行 8255A 等。擴(kuò)展的規(guī)模取自于設(shè)計(jì)要求，但在設(shè)計(jì)時(shí)要注意留有充分的余地和擴(kuò)展空間。 根據(jù)以上基于單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)該加熱爐爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，該控制系統(tǒng)的硬件是實(shí)現(xiàn)溫度控制的基礎(chǔ)，溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括溫 度測(cè)量，A/D 轉(zhuǎn)換，單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展，鍵盤(pán)操作，溫度顯示電路，報(bào)警電路， D/A 轉(zhuǎn)換電路， I/O 設(shè)備等。 整體設(shè)計(jì)原理是：被測(cè)參數(shù)溫度經(jīng)熱電偶 WB 測(cè)量后轉(zhuǎn)換成毫伏信號(hào)，經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成 0~5V電壓信號(hào)；再經(jīng)多路開(kāi)關(guān)，把 8 座退火爐的溫度測(cè)量信號(hào)分時(shí)地送到采樣 /保持器和 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量經(jīng) I/O 接口讀入到 CPU,在 CPU 中經(jīng)數(shù)據(jù)處理（數(shù)字濾波、標(biāo)度變換和數(shù)字控制計(jì)算）后，一方面送顯示，并判斷是否有警報(bào)，另一方面與給定值進(jìn)行比較，然后根據(jù)偏差值進(jìn)行控制計(jì)算?？刂破鬏敵鼋?jīng) D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成 4~20mA 電流信號(hào)，以帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。當(dāng)采樣值大于給定值時(shí)，把天燃?xì)忾y門(mén)關(guān)小，反之將開(kāi)大閥門(mén)，這樣通過(guò)改變進(jìn)入退火爐的天然氣的流量，達(dá)到控制溫度的目的。 下圖是其系統(tǒng)方框圖： 5 多路開(kāi)關(guān)采樣保持A/D鎖存器D/A鍵盤(pán)報(bào)警顯示W(wǎng)B退火爐D/AD/A鎖存器鎖存器V/IV/IV/I單片機(jī)天然氣變送器變送器變送器電動(dòng)閥 退火爐單片機(jī)控制系統(tǒng)原理圖 6 三． 硬件電路設(shè)計(jì)： 單片機(jī) 單片機(jī) (SingleChipMicroputer)又稱(chēng)微控制器 (Microcontroller)，其實(shí) 就是一個(gè)簡(jiǎn)化的微機(jī)，將微機(jī)的 CPU、存儲(chǔ)器、串行工 /0接口、并行 1/0接口、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器等集成在一片芯片上就是單 片機(jī)了，單片機(jī)雖然只是一個(gè)芯片，但無(wú)論從組成還是 從功能上來(lái)看它都具有了微機(jī)系統(tǒng)的含義。它主要用來(lái)完成各種控制功能。相對(duì)微機(jī)來(lái) 說(shuō)，單片機(jī)價(jià)格很低，非常適用于簡(jiǎn)單的控制場(chǎng)合以降低成本。另外，單片機(jī)是按照工業(yè)控制要求設(shè)計(jì)的，其可靠性很高，可以在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的環(huán)境下運(yùn)行。單片機(jī)依靠其可靠性和極高的性?xún)r(jià)比，在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、智能化儀表、家用電器等方面得到了單片機(jī)應(yīng)用在檢測(cè)、控制領(lǐng)域中具有如下特點(diǎn) : (1) 小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化。能組成各種智能式測(cè)控設(shè)備及智能儀器儀 表。 (2 ) 可靠性好，應(yīng)用范圍廣。單 片機(jī)芯片本身是按工業(yè)控制環(huán)境設(shè)計(jì)的，抗干擾 能力強(qiáng)，能適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，這是其他機(jī)種無(wú)法比擬的。 (3 ) 易擴(kuò)展，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，控制功能強(qiáng)。單片機(jī)的邏輯控制 功能很強(qiáng)，指令系統(tǒng)有各種控制功能指令，可以對(duì)邏輯功能比較復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行控制。 (4 ) 具有通訊功能，可以很方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制，形成控制網(wǎng)絡(luò) 7 和遠(yuǎn)程 控制。 單片機(jī)以其高可靠性、高性能價(jià)格比、控制方便簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制系統(tǒng)、智能化儀器儀 表等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用單片機(jī)進(jìn)行爐溫控制，可以提高控制質(zhì)量和自動(dòng)化水平 。 8031 單片機(jī)的引腳及功能 8031 是 INTEL 公司 70 年代末發(fā)展的高性能 8 位單片機(jī)， 8031 內(nèi)部有128KBRAM， 2個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器， 5個(gè)可屏蔽的中斷源，帶有 32 個(gè)并行 I/O口， 1 個(gè)串行 I/O 口。此外 8031 的片外程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址空間都為 64KB，且可完全重疊，均為 0000H— FFFFH,這在絕大多數(shù)工業(yè)控制場(chǎng)所都能滿足要求。 8 E A / V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E / P30T X D11R X D10U?8 03 1 （ 1）電源引腳 Vcc 和 Vss Vcc（ 40 腳）：接 +5V 電壓。 Vss（ 20 腳）：接地。 （ 2）外接晶體引腳 XTAL1 和 XTAL2（共兩根） XTAL1（ 19 腳）和 XTAL2（ 18 腳）引腳接外部振蕩器的信號(hào)，即把外部振蕩器的信號(hào)直接連到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 （ 3）控制和復(fù)位引腳 ALE、 /PSEN、 /EA 和 RST（共四根） ALE （ 30 腳）：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器， ALE 端仍以不變得頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)。需要注意的是， 每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。 ALE 端可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸 9 出電流） 8 個(gè) TTL 門(mén)電路。 /PSEN（ 29 腳）：此腳的輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。在從外部程序存儲(chǔ)器取出指令（或常數(shù)）期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。但在此期間，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 /PSEN 同樣可以驅(qū)動(dòng) 8個(gè) TTL 門(mén)電路。 /EA（ 31 腳）：當(dāng) /EA 端保持高電平時(shí)，訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，但在 PC（程序計(jì)數(shù)器）值超過(guò)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器容量時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器。當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器，不管是否有 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。對(duì)于常用的 8031 來(lái)說(shuō)，無(wú)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，所以 /EA 腳必須常接地這樣才能選擇外部程序存儲(chǔ)器。單片機(jī)只在復(fù)位期間采樣 /EA 腳的電平，復(fù)位結(jié)束以后 /EA 腳的電平對(duì)程序存儲(chǔ)器的訪問(wèn)沒(méi)有影響。 RST（ 9腳）：當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。建議在此引腳與 Vss 引腳之間連接一個(gè)約 千歐的下拉電阻，與Vcc引腳之間連接一個(gè)約 10uF 的電容，以保證可靠復(fù)位。 （ 4）輸入 /輸出（ I/O）引腳 P0、 P P P3 （共 32 根） P0 口（ 32 腳 — 39腳）：是雙 向 8 位三態(tài) I/O 口，在外接存儲(chǔ)器時(shí)，與地址總線的低 8位及數(shù)據(jù)總線復(fù)用，能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng) 8個(gè) TTL負(fù)載。 P1 口（ 1 腳 — 8 腳）：是 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口。由于這種接口輸出沒(méi)有高阻狀態(tài)，輸入也不能鎖存 ，故不是真正的雙向 I/O 口。 P1 口能驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4個(gè) TTL 負(fù)載。 P2 口（ 21 腳 — 28 腳）：是 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口。在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，它可以作為高 8 位地址總線送出高 8 位地址。 P2 口可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4個(gè) TTL 負(fù)載。 P3 口（ 10 腳 — 17腳）：是 8位準(zhǔn)雙向 I/O 口，在 MCS51中，這 8個(gè)引腳除用于普通輸入、輸出外，還可用于專(zhuān)門(mén)功能，它是一個(gè)復(fù)用雙功能口。 P3 能驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 負(fù)載。 P3 口作為第一功能使用時(shí)，即作為普通I/O 口用，功能和操作方法與 P1 口相同。作