【正文】 第一章 引言 近 幾年來(lái)， 我國(guó)的工業(yè)信息化程度不斷加深 ，溫度已成為工業(yè)對(duì)象控制中一種重要的參數(shù)， 它是一種常見(jiàn)的過(guò)程變量，因?yàn)樗苯佑绊懓l(fā)酵、烘烤、煅燒、濃度、 蒸餾、擠壓成形， 空氣流動(dòng)以及 結(jié)晶 等物理和化學(xué)過(guò)程 。本系統(tǒng) 選 用 AD590 對(duì)爐溫進(jìn)行檢測(cè)，并且 選用 OP07 低漂移高精度前置放大器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。 2021 屆 分類號(hào)： 單位代碼： 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 基于 51單片機(jī)爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓 名 學(xué) 號(hào) 年 級(jí) 2021 級(jí) 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 系（院） 信 息 學(xué) 院 指導(dǎo)教師 2021 年 4 月 摘 要 隨著電子 技術(shù)的 飛速發(fā)展，單片機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)各行業(yè)發(fā)揮了重要的作用。 在 PCF8951 完成數(shù)模轉(zhuǎn)換之后， 8051單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 溫度控制不好就可能引起 產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量， 生產(chǎn)安全 等一系列問(wèn)題。 無(wú)論是對(duì)廣大用戶還是對(duì)于 整個(gè)社會(huì)來(lái)說(shuō)都 具有 重大 的 意義 [1]。 單片機(jī)在本設(shè)計(jì)中應(yīng)用 該系統(tǒng)以 MCS51 單片機(jī)為核心構(gòu)成一個(gè) 爐溫控制系統(tǒng)， 該 系統(tǒng)具有對(duì)電爐溫度的 實(shí)時(shí)控制 ，定時(shí)檢測(cè)和調(diào)節(jié)，溫度數(shù)據(jù)顯示并打印，存儲(chǔ)必要的信息等功能。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，提供了過(guò)程裝置 與計(jì)算機(jī)之間 的接口，人們開(kāi)始用直接連接方法，使計(jì)算機(jī)與變送器和執(zhí)行部件之間的信號(hào)雙向 傳遞 無(wú)需人工干涉。近年來(lái)，隨著人工智能理論 的不斷 發(fā)展和實(shí)用化，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和檢測(cè)設(shè)備、儀表性能的提高 ， 模糊控制 、專家系統(tǒng) 等技術(shù)正在 這一領(lǐng)域 得到越來(lái)越 多的 應(yīng)用。 ③ 當(dāng)不能保證所要求的溫度時(shí)，即發(fā)生超溫，極值，和電阻絲損壞等情況時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 ④ 對(duì)于各個(gè)程序模塊，要首先畫(huà)出程序算法流程圖，說(shuō)明其功能，以便于 在編寫(xiě)子程序時(shí)對(duì)于出口參數(shù)， CPU 內(nèi)部寄存器的占用狀況更加明確。 8 圖 42 mcs51單片機(jī)引腳圖 這 40 個(gè)引腳 大致可 以 分為：電源（ VCC、 VSS、 VDD、 VPD），時(shí)鐘（ XTALXTAL2）， I/O（ P0— P3），地址總線（ P0、 P2），數(shù)據(jù)總線（ BUS）和控制總線（ ALE、RST、 PROG 、 PSEN 、 EA ） 6 大部分。此信號(hào)在每個(gè)機(jī)器周期產(chǎn)生 2次有效，在執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器取指時(shí)無(wú)效。 9 （ 3） I/O 線 P0（ BUS）：引腳號(hào) 32— 39，單片機(jī)的雙向數(shù)據(jù)總線和低 8 位地址總線。 P3 的每一根線還有特殊的第二功能，如表 41 示。如果單片機(jī)是EPROM，在編程其間， 將用于輸入編程脈沖。 RST 引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，高電平有效。 6 M H Z2 0p F2 0p F2 2u F1K2 00+ 5V+ 5V+ 5V+ 5VV c c40X T A L 119X T A L 28R E S E T9EA31V s s20P S E N29A L E30P 0. 039P 0. 138P 0. 237P 0. 336P 0. 435P 0. 534P 0. 633P 0. 732P 2. 324P 2. 223P 2. 021P 2. 1228031U1 單片機(jī) 8 03 1A 1121A 1019A922A823A71A62A53A44A35A26A17A08O717O616O515O414O313O211O110O09O E / V p p20V c c24CE18G N D122732A4 K * 8U3 2 73 2A 4 K * 8Q719Q616Q515Q412Q39Q26Q15Q02D718D617D514D413D38D27D14D032011110V c cG \ O E G N D7 4 L S373U2 7 4L S 3 73 圖 43 主機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖 11 第五章 人機(jī)接口電路設(shè)計(jì) 溫度設(shè)定電路設(shè)計(jì) 數(shù)字撥碼盤(pán) 本設(shè)計(jì)采用 十進(jìn)制數(shù)輸入， BCD 碼輸出的 BCD 撥碼盤(pán) 。發(fā)光二極管導(dǎo)通壓降為 ～、正向工作電流為 2mA～ 15mA。當(dāng)接通電源后（ ～ 15V直流工作電壓） ,多諧振蕩器起振 ,輸出 頻率為 ～ 的音頻信號(hào)，阻抗匹配器推動(dòng)壓電蜂鳴片發(fā)聲。這樣就 需 要運(yùn)用一些模擬電路技術(shù)。此類放大器經(jīng)常使用 的有隔離放大器 、測(cè)量放大器、可編程放大器 。 一類為模擬量輸出，如應(yīng)變片、流 量計(jì) 、 熱電偶、熱電阻及各種氣敏元件等； 根據(jù)在選擇傳感器時(shí)所要注意的事項(xiàng)，如 工作范圍、環(huán)境條件、靈敏度與精度和可靠性。輸入端 INH 被 禁止用于芯片的擴(kuò)展，當(dāng) INH為低電平時(shí)，某組 A，B， C 三個(gè)信號(hào)組合將對(duì)應(yīng)的通道開(kāi)關(guān)接通，將 通道輸入端和輸出端接通；當(dāng) INH為高電平時(shí)，無(wú) 論 A， B， C 為何值， 8個(gè)通道開(kāi)關(guān)都不通。 C L K24C ou t23V + (V re f)22G N D21V20R 2619R 2518+ IN17R 2816R 2715E O C (O C )14S T A R T (S C )132 1212 1122 1032 942 852 762 672 582 492 3102 2112 112A DC 1 2 1 0 圖 66 ADC1210 引腳圖 因?yàn)?ADC1210 輸出鎖存器并不是三態(tài)的，所以需要經(jīng)緩沖器接到 P0 口。 74LS240 的輸出電流為 24mA。 圖 610 三端雙向晶閘管 這種可控硅具有雙向?qū)üδ?，其通斷狀態(tài)由控制極 G 決定。由于光隔離的電氣絕緣性極為良好，并且不易受外界的影響，所以是一種比較理想的隔離方法，這種方法在計(jì)算機(jī)控制 方面廣泛的應(yīng)用。 通過(guò)這次對(duì)課 題的完成，使我對(duì)自己所學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)有了更加 系統(tǒng)而且 深入的理解和認(rèn)識(shí)，學(xué)會(huì)了如何更好的將理論與實(shí)踐相結(jié)合 ，提高了我各方面的能力，為今后的工作和學(xué)習(xí)作了充分準(zhǔn)備。在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我對(duì)單片機(jī)的功能有了更加深入的認(rèn)識(shí)，了解到單片機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中起到了舉足輕重的作用 ；了解了單片機(jī)系統(tǒng)在工業(yè) 自動(dòng)化 控制過(guò)程中的重要作用及其發(fā)展的廣闊前景。 光電隔離器的選擇 選擇光電隔離器件可以實(shí)現(xiàn) STD 總線與數(shù)字儀表和被測(cè)工業(yè)設(shè)備之間完全的電隔離以消除公共地線和電源的干擾，從而使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和工業(yè)設(shè)備可靠地工作。 雙向晶閘管也叫三端雙向可控硅。 1E 為其輸出使能端。 它是 12 位逐次逼近型 A/D轉(zhuǎn)換器。此次設(shè)計(jì)中，采用型號(hào)為 CD4051 的 模擬開(kāi)關(guān)。 然后 根據(jù)輸出信號(hào)的不同，傳感器 大致可分成兩類 ：一類為開(kāi)關(guān)量，如各種感應(yīng)開(kāi)關(guān)。 本設(shè)計(jì)中的模擬量輸入通道 ,即單片機(jī)爐溫控制系統(tǒng) 溫度檢測(cè)和 A/D 轉(zhuǎn)換電路 ， 為 2 路輸入，由放大器、多路模擬開(kāi)關(guān)、熱電偶、 A/D轉(zhuǎn)換器、及接口電路組成。 它 主要用來(lái)把現(xiàn)場(chǎng)的物理信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣、放大、 A/D 轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，然后送計(jì)算機(jī)去進(jìn)一步處理。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。 當(dāng) 撥碼盤(pán)撥到不同位置時(shí)， 4 根輸出線中的 1 根或幾根 就會(huì)與輸入控制線 A 相連接， 由撥碼盤(pán) 對(duì)所輸出的數(shù)據(jù) 作出相應(yīng)的指示。所以選用 8031 作為 CPU，選用 2732（ 4KB）作為 EPROM。為 擺脫困境，須將單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位 ，以重新啟動(dòng)。 當(dāng)訪問(wèn)外部程序器時(shí)， ALE(地址鎖存 )的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，用作高 8 位地址總線；在作編程校驗(yàn)時(shí)，用于輸入高 8 位地址和控制信息。當(dāng)為高電平且 PC 值小于 0FFFH 時(shí)， CPU 執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器程序。在 8751 片內(nèi) EPROM 編程時(shí)，此段輸入編程脈沖信號(hào)（ PROG ）。 目前，市場(chǎng)上使用 MCS51單片機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)，由于 8031 在市場(chǎng)上的價(jià)格很低，雖然其片內(nèi)沒(méi)有 EPROM，但只需在片外擴(kuò)展 一片 EPROM 就可構(gòu)成 8751，所以使用非常廣泛。比如要采取一定的抗干擾措施。 C（例如 1000176。 爐溫控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 隨著人工智能概念的提出， 爐溫 控制 領(lǐng)域出現(xiàn)了 另一條理想的途徑 就是 人工智能化直接監(jiān)測(cè)火焰性能控制 燃燒的方法 ，類似人工燒鋼通過(guò)觀察火焰顏色判斷 4 燃燒情況。 3 D c d t控 制 器可 控 硅 輸出 部 分電 加 熱 爐溫 度 變 松 器 溫 度 檢 測(cè) 部 件設(shè) 定 值CuI 圖 21 單片機(jī)爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 爐溫控制的發(fā)展 爐溫控制的發(fā)展現(xiàn)狀與方向 50 年代， 由于 計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，人們開(kāi)始在 實(shí)驗(yàn)室、工廠 或其它 條件中使用用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展， 用于工業(yè)生產(chǎn)中 爐溫控制的微機(jī)控制系統(tǒng) 更加成熟。 如今 ， 隨著以微機(jī)為核心的溫度控制技術(shù)不斷發(fā)展 ， 用微機(jī)取代常規(guī)控制 的方式 已成必然，因?yàn)?它確保了生產(chǎn)過(guò)程的正常進(jìn)行，提高了產(chǎn)品的 質(zhì)量與 數(shù)量， 節(jié)約了能源 ， 減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度， 并且能夠使加熱對(duì)象的溫度按照某種指定規(guī)律變化。Temperature control。 本文 主要涉及到控制系統(tǒng)的硬件 設(shè)計(jì) 和單片機(jī)的控制軟件編程。 它 因?yàn)榧啥雀?、體積小、運(yùn)行可靠、應(yīng)用靈活、價(jià)格低、面向控制等特點(diǎn)得到了廣大工程技術(shù)人員和客戶的好評(píng)。 采用 分段方法控制三 臺(tái)電阻爐溫度。 特別是在 食品， 冶金、 機(jī)械 、化工 等各類工業(yè)中，廣泛使用各種 熱處理爐、 加熱爐、 反應(yīng)爐等。 本設(shè)計(jì) 通過(guò)對(duì) 基于 MCS51 單片機(jī) 的 爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái) 降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。由外部操作鍵盤(pán)，輸入給定數(shù)值，進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定，并可以根據(jù)需要進(jìn)行手動(dòng)、自動(dòng)之間的 切換。 1962 年，英國(guó)帝國(guó)工業(yè)公司安裝了 Ferranti Argus 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)， 使用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)代替模擬儀表控制 ，即模擬技術(shù)由數(shù)字技術(shù)代替，而系統(tǒng)功能保持不變，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用真正開(kāi)始， 歷經(jīng)多年的發(fā)展 ，到 70 年代中期 ， 集散控制系統(tǒng)的發(fā)展 進(jìn)入快車道， 爐溫控制 在工礦企業(yè)中逐步興起 ， 控制方式也不斷改進(jìn) ，算法不斷深入 ，整體技術(shù)趨于成熟。量子物理浮點(diǎn)思想 以及蒙特卡洛隨機(jī)思想 在自動(dòng)控制方面也 吸引了國(guó)內(nèi)外研究者的目光。 ④ 要求可實(shí)現(xiàn)將電阻爐溫度實(shí)時(shí)打印功能。 ⑤ 對(duì)于程序中的指令應(yīng)有必要的注釋，以便于閱讀與使用。 ⑴ 電源線 VSS：引腳號(hào) 20，電源地線。 RST/VPD：引腳號(hào) 9，復(fù)位輸入信號(hào)。在分時(shí)操作時(shí)，先用作地址總線，在 ALE 信號(hào)的下降沿，地址被鎖存，然后作為數(shù)據(jù)總線；也可以作 為雙向并行 I/O 口。 表 41 P3口的第二功能 引腳 第二功能標(biāo)記 第二功能 RXD 串行輸入口 TXD 串行輸出口 0INT 外部中斷 0 輸入 1INT 外部中斷 1 輸入 T0 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0 外部輸入 T1 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1 外部輸入 WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通 RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 ⑷ 振蕩器和時(shí)鐘電路 XTAL1：引腳號(hào) 19，內(nèi)部振蕩器外接晶振的一個(gè)輸入端。 10 當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，此腳輸出負(fù)脈沖選通信號(hào)， PC 的 16 位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在 P0 和 P2 口上，外部程序存儲(chǔ)器則把指令數(shù)據(jù)放到 P0 口上，由 CPU讀入并執(zhí)行。其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù) 24 個(gè)振蕩周期（即兩個(gè)機(jī)器周期）以上。具有簡(jiǎn)單直觀，使用方便的特點(diǎn)，受到廣大工作 人員的青睞。在顯示驅(qū)動(dòng)方式中 ， 采用動(dòng)態(tài)掃描。 13 圖 53 超限報(bào)警電路 14 第六章 過(guò)程通道設(shè)計(jì) 過(guò)程通道是在 生產(chǎn)過(guò)程和計(jì)算機(jī)之間 設(shè)置