基于MCS_51的水温调节器实验装置的设计
07 /2008
基于 MCS - 51的
水温调节器实验装置的设计
◆李晋宇
本文以 MCS - 51单片机为核心 ,以水箱为被控对象 ,将水箱给定温度与实际温度对比 ,利用 PID 算法设计了水温调节器实验装
置。该实验装置的设计有利于同学们加深对单片机控制系统和 PID 控制算法特点的了解。且该装置结构原理简单、稳定性好、可靠性
高、参数易于整定 ,控制精度高 ,有一定的实用价值 ,可以向实际推广。
水温调节器 单片机 PID算法
一、前言
温度是工业生产中最常见和最基本的工艺生产参数之一 ,许多物理变
化和化学反应的过程均与温度密切相关。因此 ,温度控制系统是典型的控
制系统。目前 ,单片机已普遍应用于生产过程的自动控制领域。以其体积
小、价格低廉和可靠性高等特点 ,用其构成计算机控制系统中的智能控制
单元 ,受到广大工程技术人员的重视。下面的 PID 自动温度控制系统 ,采
用 8051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。采用单片机进行对它控制不仅具有控制方
便、简单和灵活性等优点 ,而且大幅度提高被控温度的技术指标 ,从而能够
大大提高产品的数量和质量。因此 ,单片机的温度的控制问题是一个工业
生产中经常会遇到的问题。我们之所以选择该实验装置 ,是因为它不仅可
以使我们把所学的理论知识加以升华 ,而且可以起到举一反三和触类旁通
的效果 ,对单片机在其他情况下的应用 ,有了一个基础性的了解与掌握。
二、总体设计
本装置的主要任务 ,是利用 MCS - 51单片机实现对电热水箱水温度的
控制。即预先设定要达到的理想温度值 ,水箱中的温度或升或降 (本装置
中限于实验条件 ,仅限于水温的升高 ) ,最终达到预设值。此过程的实现可
描述如下 :集成传感器 AD590检测电热水箱中水的温度 ,得到一微弱的模
拟信号 ,此信号经运算放大器放大后 ,经 A /D转换器转换 ,实现了由模拟量
到数字量的转变。该数字信号传输进单片机后 ,经数字 PID算法处理后输
出一控制信号 (数字量 ) ,控制固态继电器的通断。从而实现对加热电阻丝
加热功率的控制。
本课题的设计可分为硬件设计和软件设计两大部分。硬件设计主要
包括温度检测电路、前向通道 (A /D转换接口 ) 、人机接口 (单片机扩展存储
器单片机与键盘显示器的接口电路、单片机与 A /D转换器的连接 )以及其
他外围电路 (显示电路、电源电路、温度控制电路 )的设计。软件的设计主
要应用 MCS - 51汇编语言编程 ,要完成的程序设计包括 A /D转换子程序 ,
键盘显示子程序 , PID 算法程序。其中 ,重点和难点是 PID 算法程序的设
计 ,它是整个课题设计的中心环节。另外 ,考虑到外界环境存在的干扰 ,如
机械震动 ,各种电磁波和环境温差都可能影响到系统的性能。为此 ,需进
行抗干扰设计。抗干扰措施可分为软件抗干扰和硬件抗干扰 ,软件抗干扰
措施主要采用数字滤波和指令冗余技术 ,硬件抗干扰措施主要采用滤波技
术和接地技术。
三、温度检测电路
采用美国模拟器件公司生产集成温度传感器 AD590。它是单片集成
两端感温电流源 ,其输出电流与温度成正比。使用简便 ,不需外接线性补
偿和零点补偿器件 ,精度高互换性好 ,线性度好 ,具有标准化输出 ,能很好
地消除电源变动和交流纹波对器件产生的影响 ,且耐用 ,输出电流可用于
长距离传送 ,不会因线路压降而影响测量精度。
实际应用电路设计 :尽管 AD590比其他温度传感器有较好的特性 ,但
在使用范围内 ,仍然存在着一定的非线性。另外 ,各器件间也存在着离散
性 ,所以在实际中 ,欲获得测量精度 ,尚需采用两点校正 (零点校正和满刻
度校正 ) 。由基准电压源 AD590输出一个标准的 + 10. 000伏电压通过输
入端加到 AD590上。AD590的输出电流在输入端上产生压降 ,从而使运算
放大器的输入端的电压岁温度而变化 ,该电压经过运算放大后输出。这
样 ,该测量电路可大大改善由传感器本身非线性误差而引起的误差。
四、信号输入通道 (前向通道 A /D)
本装置采用逐次逼近型的 ADC0809是 8位 A /D转换芯片 ,它由单一
的 + 5V电源供电 ,片内带有锁存功能的 8路模拟多路开关 ,可对 8路 0 -
5V的输入模拟电压信号分时进行转换 ,完成一次转换约 100us。片内具有
多路开关的地址译码器和锁存电路、高阻抗斩波器、稳定的比较器 , 256欧
电阻 T型网络和树状电子开关以及逐次逼近寄存器。输出具有 TTL 三态
锁存缓冲器 , 可直接接到单片机数据总线上。通过适当的外接电路 ,
ADC0809可对 0 - 5V的双极性模拟信号进行转换。在本实验中 ,见于简单
起见 ,只选取了一个温度控制信号 ,故 A /D0809只接一路输入信号 IN0。
五、人机接口
1. 键盘、显示器接口电路
键盘显示电路中 ,采用的是 8031单片机扩展 I/O接口芯片 8255A实现
的四位 LED显示和 16键的键盘显示器接口电路。8255A 的 PA 口地址为
7CH, PB口地址为 7DH, PC口的地址为 7EH,控制字寄存器地址为 7FH。
这里 8031单片机对 8255A 采用了线性选址法。8255A 的 RAM 的地址为
7E00H～7EFFH, I/O 口地址为 7F00H～7F05H, 8255A 的 PB 口为输出口 ,
控制键盘的列线的电位 , PB口作为键扫描口 ,同时又是 4位共阴极显示器
的位扫描口。PC口作为显示器的段码输出口 , 8255A 的 PA 口作为输入
口 , PC0～3接行线 X0～X3,称为键输入口。键盘需输入参数 Kp、Ti、Td、T
及 PID算法的给定值 ,显示器显示温度值。
在 8051单片机上扩展一片 8255A 芯片 , 无需外加任何逻辑电路 ,
74LS373时地址锁存器 , 8255A的地址线 A1、A0经 74LS373接于 P0. 1、P0.
0;片选端 CS经 74LS373与 P0. 7接通 ,其它地址线悬空 ; 8255A的控制线 /
RD、/WR直接接于 8031的 RD、/WR端 ;数据线 D0～D7接于 P0. 0～P0. 7。
8255A的 B口作为显示器接口 ,采用静态显示 , 74LS373 为锁存器。
74LS48为共阴极译码 /驱动器 ,LED数码管采用 8 HEADER,键盘处理为中
断方式。由此可见 , 8255A的 B口工作在两种方式下 :在显示状态下 R。键
盘为 4 ×4矩阵键盘 , 8255A口的 PA3 - PA0为行扫描接口 ,从 B口的 PB3
- PB0读入列值 ,该系统键为输出方式 ;在键盘中断服务程序处理过程中为
输入方式。为此 ,只需在相应操作前重新设置 8255A的工作方式即可。
2. 存储器的扩展
在 MCS - 51单片机的 16位地址 ,分为高 8位和低 8位 ,高位由 P2输
出 ,低位由 P0输出。但 P0同时又是数据输入输出接口 ,故在传送时采用
分时方式 ,先输出低 8位地址 ,然后 ,在传送数据。但是 ,在对外部存储器
进行读写操作时 ,地址必须保持不变 ,这就需要选择适当的寄存器存放低 8
位地址 ,这个外界的寄存器就是地址锁存器。在进行外部存储器扩展时 ,
凡具有输入输出控制的 8 位寄存器均可作为地址锁存器。这里选用的
是 27128。
3. 输出执行电路 (反馈部分 )
这一部分主要完成经单片机控制系统后的控制信号如何反作用于被
控对象 ,在 MCS - 51单片机控制各种各样的高压、大电流负载 ,这些大功率
负载如电动机、电磁铁、继电器、灯泡等 ,显然不能用单片机的 I/O 线来直
接驱动 ,而必须通过各种驱动电路和开关电路来驱动。此外 ,为了隔离和
抗干扰 ,有时需加光电耦合器。 (下转第 139页 )
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中国校外教育下旬刊 学科教育
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范 ,而很少考虑如何在传技过程中去有效发展学生的身心素质与社会适应
能力。现代体育教育则要求教学法运用由重全面发展方向转变。
(5)由单一教学法运用向多种教学法综合运用。传统的体育教学 ,教
法运用较为单一。教师讲解示范 ,学生模仿练习 ,这种单一化的教学方法
已无法适应现代体育的需要。现代体育教育需要教学的运用由单教学运
用向多种教学综合运用转变。只有多种教学综合运用 ,并将现代教育技术
手段引入课程教学 ,如用多媒体教学、俱乐部制体体育课等 ,使之取长补
短 ,优势互补 ,教学质量才能有质的突破。
3. 课程结构
课堂课程是课程结构体系的主体部分 ,遵循课程设置的规律 ,依据课
程目标要求 ,高校体育应建立以必修课、选项课、俱乐部、保健课、理论课为
主体的课程结构体系。一年级的必修内容少而精 ,改变面面俱到 ,大拼盘
式原普修课内容 ,设一套健身操 ,一套太极拳 ,一项球类活动 ,游泳 ,耐力跑
五项活动 ,课目标 ,着眼于最基本的健身方法传授 ,使学生掌握最基本的健
身方法。二年级依据学生的兴趣与爱好 ,开设各类选项课 ,其目标是发展
学生专项运动兴趣、习惯与专项运动能力。三至四年级开设俱乐部课 ,其
目标是强身健体 ,发展自学、自练、体育的组织与指导能力 ,为终身体育的
参与奠定基础。
课外大学体育课程是课程的拓展与延伸 ,是大课程体系不可缺少的一部
分。将多样化的课外体育 :体育辅导、课外体育俱乐部、体育专题讲座、体育
网页、体育训练、体育竞赛、校校际体育交往、社会体育参与、野外体育活动纳
入大学体育课程体系 ,进行整体性规划与安排已是新世纪高校大学体育课程
改革的必然走向。通过拓展体育教育的时空 ,开展丰富多彩的课外体育 ,为
学生进一步学习提高、养成体育锻炼习惯、发展体育能力 ,形成科学、文明、健
康的生活方式创造条件。不仅如此 ,多途径、多形式的课外体育对学生的道
德品质、心理素质、社会适应的发展都将产生全面而深刻的影响。
4. 课程评价
课程评价是课程体系的重要组成部分 ,是课程改革必不可少的环节。
近年来 ,随着体育改革的发展 ,课程评价改革成果丰硕 ,“结构考核 ,综合评
分 , ”“以赛代考 , ”“以进上幅度评定学生体育成绩 ”等新的考评方法不断
出现。无疑 ,这是评价改革的可喜的进步。其评价内容在更新与拓展 ,改
革仅以运动成绩作为评定学生体育学习唯一标准的传统考评方法 ,具有合
理要素 ,但也存在不足。“结构考核 ,综合评分 ”仍侧重的是身体素质与技
能 ;“以赛代考 ”侧重的是竞赛能力 ;“以进步幅度主定学生体育成绩 ”侧重
的是努力的程度。如何使评价更趋向科学合理 ,需要以正确质量观指导 ,
以课程目标为依据 ,结合实际 ,对评价内容与评价方式进行重新的审视 ,评
价内容须从身体健康水平、运动参与、运动能力、心理健康水平、社会适应
性五个方面 ,对学生体育学习给予综合评价。课程评价的方式也由一元化
方向发展 ,由教师独角戏转向师生共同参与。
四、结论
从教育观念更新入手 ,着眼于课程整体性的改革 ,使课程系统各部分
之间有机联系、相互作用、相互促进 ,从获取体育改革的整体效益。学生体
质、体能下降的现状 ,进行大学体育课程改革 ,是一项复杂的系统工程 ,需
要以系统理论与课程理论为指导。
参考文献 :
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[ 9 ]李岚清. 面向 21 世纪 ,开创基础教育新局面 [ N ]. 中国教育报 ,
1997 - 9 - 7.
(作者单位 :河南南阳师范学院 )
(上接第 96页 )本装置主要完成电热负载的调功输出控制。此处选用的核
心元件为 SSR ( Solid State Relay) ,即固态继电器。它是一种新颖的四端以
弱控强的无触点功率控制元件。
其特点是输入控制电压低 (3V - 14V) ,驱动电流小 (3mA - 15mA) ,输
出与输入采用光电隔离 ,使强电与弱电完全分离 ,输出无触点、无噪声 ,开
关速度快。它事实上将光电隔离器、驱动器、可控硅、阻容吸收等器件做在
一起 ,用环氧树脂全灌封装 ,具有防尘、耐湿、耐振、寿命长等优点。
这里采用的固态继电器是非过零触发的 SSR。当中断服务程序将 P1.
5置“1”时 ,BG导通 , SSR 导通 ,电阻丝上得到完整周波 ,当 P1. 5置“0”时 ,
SSR被关断 ,电阻丝上得不到完整的周波。单片机通过控制 P1. 5的高低电
平的占空比来控制电阻丝的功率输出。
六、硬件抗干扰措施
为了防止外界交流电路产生的工频干扰对模拟信号的影响 ,在电路设
计中 (放大器和比较器 )采用低通滤波器和有源滤波器。为了防止由于外
时钟是高频噪声源引起的硬件电路产生的干扰 ,选用低频率的单片机来提
高提高抗干扰性 ,本装置中采用 8051的时钟频率为 6MHz。为了切断干扰
信道 ,避免强电流对回路的冲击 ,常用光电隔离方法 ,本装置中采用的 SSR
集成了光电耦合器 ,应用于输出通道。为了防止电磁波干扰 ,在开关电源
内部把高频电压器和扼流圈进行屏蔽 ,对整个开关电源进行屏蔽保护。
七、软件设计部分
软件的主要任务是完成初始化工作 ,如参数显示、键盘命令识别、信号
的采集、滤波和工程量转换控制算法处理、中断处理等。
主程序包括 :键盘置数程序、键盘数值处理程序、系统初始化。
中断服务程序 : A /D转换结束中断、系统时钟溢出中断、8255A读键盘
中断。
子程序 :数据采集子程序、数字滤波子程序、显示子程序、A /D 转换子
程序、控制算法子程序。
本装置中重点完成 A /D转换子程序和 PID控制算法子程序的设计。
八、结语
本装置给出了一个基于 MCS51系统的 PID 温度控制系统较完整的解
决方案和实现方法 ,该实验装置在教学中极具典型性 ,可以使同学们把所
学的理论知识加以升华 ,而且可以起到举一反三和触类旁通的效果 ,对单
片机在其他情况下的应用 ,有了一个基础性的了解与掌握。在装置实现的
过程中采用的一些芯片也许不能很好地满足工业现场的要求 ,可作一些
更换。
参考文献 :
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学学报 (自然科学版 ) , 1997. 28 (6).
(作者单位 :浙江理工大学信息与电子学院 )
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