單片機(jī)原理及接口技術(shù)課程設(shè)計(jì)---電烤箱加熱控制器設(shè)計(jì)

1、<p>　　單片機(jī)原理及接口技術(shù) 課程設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　題目： 電烤箱加熱控制器設(shè)計(jì) </p><p>　　院（系）： 電氣工程學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí)： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </

2、p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： （簽字）</p><p>　　起止時(shí)間：2012.07.24-2012.07.06</p><p>　　課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語</p><p>　　院（系）：電氣工程學(xué)院

3、 教研室： </p><p>　　注：成績(jī)：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　家用電烤箱是一種具有自動(dòng)控溫、加熱、定時(shí)等功能的家用廚房器具。制出的食品色、香、味俱全。本課題主要針對(duì)家用電烤箱溫度控制器進(jìn)行研究。本

4、課題以AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)為核心，對(duì)單點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。采用模擬溫度傳感器PT100對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)；采用串型模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX197進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換把溫度信號(hào)調(diào)解轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)與AT89C51單片機(jī)接口設(shè)置LED八段數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示溫度值。本設(shè)計(jì)包括溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、溫度顯示模塊四個(gè)部分。文中對(duì)每個(gè)部分功能、實(shí)現(xiàn)過程作了詳細(xì)介紹。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電烤箱；單片機(jī)微處理器；溫度

5、傳感器PT100；89C51； </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 溫度控制器概況1</p><p>　　1.2 本文研究?jī)?nèi)容2</p><p>　　第2章 CPU最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)3

6、</p><p>　　2.1 電烤箱加熱控制器總體設(shè)計(jì)方案3</p><p>　　2.2 CPU的選擇4</p><p>　　2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展6</p><p>　　2.4 復(fù)位電路設(shè)計(jì)6</p><p>　　2.5 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)7</p><p>　　2.6 電源電路設(shè)計(jì)8&

7、lt;/p><p>　　2.7 CPU最小系統(tǒng)圖8</p><p>　　第3章 89C51輸入輸出接口電路設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.1 溫度傳感器的選擇10</p><p>　　3.2 溫度檢測(cè)接口電路設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器選擇10</p><p>

8、　　3.2.2 模擬量檢測(cè)接口電路圖12</p><p>　　3.3 加熱輸出接口電路設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.4 人機(jī)對(duì)話接口電路設(shè)計(jì)13</p><p>　　第4章 電烤箱軟件設(shè)計(jì)15</p><p>　　4.1 軟件實(shí)現(xiàn)功能綜述15</p><p>　　4.2 流程圖設(shè)計(jì)15</p>

9、;<p>　　4.2.1 主程序流程圖設(shè)計(jì)15</p><p>　　4.2.2 模擬量檢測(cè)流程圖設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.3 程序清單18</p><p>　　第5章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析21</p><p>　　5.1 系統(tǒng)原理圖21</p><p>　　5.2 系統(tǒng)原理綜述21</

10、p><p>　　第6章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)23</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)24</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　溫度控制器概況</b></p><p>　　電烤箱作為家用西式小電器之一，在我國隨著人們居住

11、環(huán)境的不斷改善，廚房的地位也越來越重要。電烤箱易于操作而且制作食物方便，味道保持了傳統(tǒng)燒烤的美味而被人們爭(zhēng)相購買。在電烤箱的研究過程中，溫度的控制尤為重要，溫度控制器的研究又顯得舉足輕重。</p><p>　　溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，通日本、美國、德國等先進(jìn)國家相比有著較大差距。目前，我國在這方面總體技術(shù)水平處于20世紀(jì)80年代中后期水平，

12、成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的PID控制器為主。它只能適應(yīng)一般溫度控制系統(tǒng)，難于控制滯后、復(fù)雜、時(shí)變溫度控制系統(tǒng)。而適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面。國外已有較多的成熟產(chǎn)品。但由于國外技術(shù)保密及我國開發(fā)工作的滯后，還沒有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件。控制參數(shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定。國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果。目前，

13、國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發(fā)展。</p><p>　　目前社會(huì)上溫度控制大多采用智能調(diào)節(jié)器，國產(chǎn)調(diào)節(jié)器分辨率和精度較低，溫度控制效果不是很理想，但價(jià)格便宜，國外調(diào)節(jié)器分辨率和精度較高，價(jià)格較貴。通過對(duì)智能控制算法及相關(guān)溫度控制器的深入研究，設(shè)計(jì)出了一整套的溫度控制系統(tǒng)，包括其系統(tǒng)軟硬件組成結(jié)構(gòu)。將嵌入式引進(jìn)溫度控制系統(tǒng)中，加入鍵盤和LCD顯示。清晰顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，用戶也可以根

14、據(jù)實(shí)際情況通過核心板鍵盤和計(jì)算機(jī)隨時(shí)更改初始數(shù)據(jù)，使溫控系統(tǒng)更加智能化，更易于操作。這種設(shè)計(jì)方法彌補(bǔ)了國產(chǎn)調(diào)節(jié)器精度較低的缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證明。系統(tǒng)在增量式PID算法的控制下運(yùn)用ARM控制器系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度達(dá)到0.5℃以內(nèi)，運(yùn)行速度極快。從市場(chǎng)角度看，如果我國的大中型企業(yè)將溫度控制，可以降低消耗，控制成本，從而提高生產(chǎn)效率。</p><p>　　嵌入式溫度控制系統(tǒng)符合國家提出的“節(jié)能減排”的要求，符合國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策，具

15、有十分廣闊的市場(chǎng)前景?，F(xiàn)今，應(yīng)用比較成熟的如電力脫硫設(shè)備中，主控制器在主蒸汽溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，已經(jīng)達(dá)到了世界前沿。電力部門1980年產(chǎn)生廢氣是現(xiàn)今的八倍。節(jié)約了兩倍的初級(jí)能源，相當(dāng)于少開采了三個(gè)中型煤礦。如今，在微電子行業(yè)中。溫度控制系統(tǒng)也越來越重要，如單晶爐、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制。因此。溫度控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)前景非常廣泛，我國的高新精尖行業(yè)研究其應(yīng)用的意義更是更加重大。 </p><p><b>　　本文

16、研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　本文研究電烤箱溫度控制器。電烤箱由電阻絲加熱，功率達(dá)5kW。通過傳感器測(cè)量溫度并調(diào)節(jié)加熱功率。溫度控制范圍0～300℃，可設(shè)定恒溫值。研究包括CPU最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)（包括CPU選擇，晶振電路，復(fù)位電路）、 溫度傳感器選擇及接口電路設(shè)計(jì)、溫度顯示、電熱絲驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、程序流程圖及程序清單編寫等步驟。</p><p><b>　　CPU最

17、小系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　電烤箱加熱控制器總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　根據(jù)加熱爐的功能和指標(biāo)要求，本系統(tǒng)可以從元件級(jí)開始設(shè)計(jì)，選用單片機(jī)為主控機(jī)。通過連接外圍控制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐溫度的測(cè)量和控制。該系統(tǒng)以89C51單片機(jī)為核心，由溫度傳感器、運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、輸入光電隔離、驅(qū)動(dòng)電路、鍵盤、LED顯示電路共同組成。在系統(tǒng)中，溫度的設(shè)置、溫度值及誤差顯

18、示、控制參數(shù)的設(shè)置、運(yùn)行、暫停及復(fù)位等功能由鍵盤及顯示電路完成。</p><p>　　溫度傳感器把測(cè)量的電阻爐溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成弱電壓信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)放大電路，送入低通濾波電路，以消除噪音和干擾，濾波后的信號(hào)輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入89C51單片機(jī)。下圖為加熱爐溫度控制系統(tǒng)框圖：</p><p>　　圖2.1 電烤箱加熱控制器設(shè)計(jì)框圖</p><p>　　溫

19、度傳感器完成對(duì)電烤箱內(nèi)溫度的采集，運(yùn)算放大器對(duì)溫度傳感器的采樣進(jìn)行放大，A/D轉(zhuǎn)化器完成把模擬量轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)的CPU將對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行處理和響應(yīng)，溫度的數(shù)值通過LED顯示器顯示出來，如果還需要加熱，單片機(jī)會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過光電隔離（提高系統(tǒng)抗干擾能力）、晶閘管（通過控制晶閘管的導(dǎo)通來改變溫度）使加熱器的電阻絲發(fā)熱，繼續(xù)對(duì)電烤箱內(nèi)進(jìn)行加熱；用戶可以通過鍵盤對(duì)溫度進(jìn)行手動(dòng)控制； 電壓同步信號(hào)完成將220V

20、的交流電轉(zhuǎn)換成單片機(jī)的工作電壓直流電+5V。</p><p><b>　　CPU的選擇</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)精度較高，需要的I/O接口也比較多，因此采用AT89C51單片機(jī)作為本系統(tǒng)的微處理器。</p><p>　　AT89C51是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O

21、）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口。片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C51提供了高性價(jià)比的解決方案。因此此單片

22、機(jī)完全能滿足溫度控制系統(tǒng)的要求。</p><p>　　AT89C51的主要特性如下： </p><p>　　1、壽命達(dá)1000寫/擦循環(huán) </p><p>　　數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年 </p><p>　　3、 全靜態(tài)工作：0Hz－24MHz </p><p>　　4、三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 &

23、lt;/p><p>　　5、128B內(nèi)部RAM 4KB內(nèi)部ROM </p><p>　　6、4個(gè)并行I/O口，共32條可單獨(dú)編程的I/O線 </p><p>　　7、2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 </p><p>　　8、5個(gè)中斷源，2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) </p><p>　　9、可編程串行通道 </p>

24、<p>　　10、低功耗閑置和掉電模式 </p><p>　　11、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路</p><p>　　89C51單片機(jī)的接法及引腳功能為:</p><p>　　VCC（40）：接＋5V電源 </p><p>　　GND（20）：接地</p><p>　　P0口（39－32）：P0口為8位漏極開路雙

25、向I/O口，每個(gè)引腳可吸收8個(gè)TTL門電流。 </p><p>　　P1口（1－8）：P1口是從內(nèi)部提供上拉電阻器的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收和輸出4個(gè)TTL門電流。 </p><p>　　P2口（21－28）：P2口為內(nèi)部上拉電阻器的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收和輸出4個(gè)TTL門電流。 </p><p>　　P3口（10－17）：P3口是8個(gè)帶有

26、內(nèi)部上拉電阻器的雙向I/O口，可接收和輸出4個(gè)TTL門電流，P3口也可作為AT89C51的特殊功能口。 </p><p>　　RST（9）：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位時(shí)，要保持RST引腳2個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 </p><p>　　ALE/PROG（30）：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)，在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變

27、的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6，它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的，要注意的是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過1個(gè)ALE脈沖。 </p><p>　　PSEN（29）：外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取值期間，每個(gè)機(jī)器周期2次PSEN有效，但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這2次有效的PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。</p><p>　　EA/VPP（31）：當(dāng)EA

28、保持低電平時(shí)，外部程序存儲(chǔ)器地址為（0000H－FFFFH）不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 </p><p>　　XTAL1（19）：反向振蕩器放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 </p><p>　　XTAL2（18）：來自反向振蕩器的輸出。</p><p>　　圖2.2 89C51引腳圖</p&

29、gt;<p><b>　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展</b></p><p>　　由于本次設(shè)計(jì)中選用的CPU，89C51單片機(jī)的內(nèi)部?jī)H有128個(gè)字節(jié)的RAM，在實(shí)時(shí)采集電壓、電流和隔離開關(guān)、斷路器的閉、合，以及對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理等，僅靠片內(nèi)提供的RAM容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，這就需要擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。本次設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的電路采用8K的靜態(tài)6264數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。具體擴(kuò)展如下所示：6264數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的

30、容量為8K。共有13根地址線A0-A12。其中，低八位地址線通過鎖存器與89C51的P0口相連，高5位與89C51的P2.0-P2.4相連。當(dāng)89C51發(fā)出13位地址信息時(shí)，分別選中6264片內(nèi)8KB存儲(chǔ)器中個(gè)單元，而8根數(shù)據(jù)線直接與89C51的P0口相連。6264的OE端與89C51的RD相連。6264的WE端與89C51的WR相連。6264的片選線CE直接連89C51的P2.6。</p><p>　　圖2.3

31、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展圖</p><p><b>　　復(fù)位電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　單片機(jī)的復(fù)位電路分上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式。</p><p><b>　　A. 上電復(fù)位：</b></p><p>　　在加電之后通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)Vcc的上升時(shí)間不超過1ms，就可以實(shí)

32、現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的初始化電路原理圖。RST上的電壓必須保證在斯密特觸發(fā)器的閥值電壓以上足夠長(zhǎng)時(shí)間，滿足復(fù)位操作的要求。</p><p><b>　　B. 按鍵復(fù)位：</b></p><p>　　程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，復(fù)位信號(hào)是高電平有效。按鍵復(fù)位又分按鍵脈沖

33、復(fù)位和按鍵電平復(fù)位。電平復(fù)位將復(fù)位端通過電阻與Vcc相連，按鍵脈沖復(fù)位是利用RC分電路產(chǎn)生正脈沖來達(dá)到復(fù)位的。</p><p>　　圖2.4 復(fù)位電路原理圖</p><p><b>　　時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反向放大器，輸入端為芯片引腳 ，輸出端為引腳 。而在芯片外部 和 之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電

34、容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。晶體震蕩頻率高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)運(yùn)行速度也就快，但反過來運(yùn)行速度快對(duì)存儲(chǔ)器的速度要求就高，對(duì)印制電路板的工藝要求也高，所以，這里使用震蕩頻率為12MHz的石英晶體。震蕩電路產(chǎn)生的震蕩脈沖并不直接是使用，而是經(jīng)分頻后再為系統(tǒng)所用，震蕩脈沖經(jīng)過二分頻后才作為系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，振蕩器和電容應(yīng)盡量靠近單片機(jī)，以避免干擾。需要注意的是：電路板時(shí)，振蕩器和電容應(yīng)盡量安裝得與單片機(jī)靠近，以減

35、小寄生電容的存在更好的保障振蕩器穩(wěn)定、可靠的工作電路圖如圖所示。</p><p>　　圖2.5 時(shí)鐘電路原理圖</p><p><b>　　電源電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　控制系統(tǒng)主控制部分電源需要用5V直流電源供電，其電路如圖3-10所示，把頻率為50Hz、有效值為220V的單相交流電壓轉(zhuǎn)換為幅值穩(wěn)定的5V直流電壓。其主要原理是把單

36、相交流電經(jīng) 過電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流。</p><p>　　由于輸入電壓為電網(wǎng)電壓，一般情況下所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓的有效值相差較大，因而電源變壓器的作用顯現(xiàn)出來起到降壓作用。降壓后還是交流電壓，所以需要整流電路把交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。由于經(jīng)整流電路整流后的電壓含有較大的交流分量，會(huì)影響到負(fù)載電路的正常工作。需通過低通濾波電路濾波，使輸出電壓平滑。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直

37、流電壓基本不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載電阻變化的影響，從而獲得穩(wěn)定性足夠高的直流電壓。電路使用集成穩(wěn)壓芯片LM7805解決了電源穩(wěn)壓?jiǎn)栴}。</p><p>　　圖2.6 電源電路圖</p><p><b>　　CPU最小系統(tǒng)圖</b></p><p>　　89C51單片機(jī)為40引腳雙列直插芯片,有四個(gè)I/O口（P0、P1、P2、P3），89C51單片

38、機(jī)共有4個(gè)8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），每一條I/O線都能獨(dú)立地作為輸出或輸入。</p><p>　　單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路原理圖如圖3-2所示，18引腳和19引腳接時(shí)鐘電路，XTAL1接外部晶振和微調(diào)電容的一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸入，XTAL2接外部晶振和微調(diào)電容的另一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸出。第9引腳為復(fù)位輸入端，接上電容，電阻及開關(guān)后能夠形成上電復(fù)位電路。</p>

39、;<p>　　圖2.6 最小系統(tǒng)圖</p><p>　　89C51輸入輸出接口電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　溫度傳感器的選擇</b></p><p>　　本課設(shè)要求測(cè)量的溫度范圍是0~300℃，PT100熱電阻的測(cè)溫范圍是-200~800℃，滿足設(shè)計(jì)要求。雖然K型熱電偶也可以滿足設(shè)計(jì)要求，但是在低溫時(shí)一般常用PT100，

40、因?yàn)樗诘蜏貢r(shí)精度較高，運(yùn)行速度較快。</p><p>　　PT100溫度傳感器為正溫度系數(shù)熱電阻傳感器，主要技術(shù)參數(shù)如下：</p><p>　　① 測(cè)量范圍：-200℃～+850℃；</p><p>　?、?允許偏差值℃： A級(jí) ， B級(jí) ；</p><p>　　③ 響應(yīng)時(shí)間＜30s；</p><p>　?、?最小置

41、入深度：熱電阻的最小置入深度≥200mm；</p><p>　?、?允通電流≤5mA。</p><p>　　另外，PT100溫度傳感器還具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　鉑熱電阻的線性較好，在0～100攝氏度之間變化時(shí)，最大非線性偏差小于0.5攝氏度。鉑熱電阻阻值與溫度關(guān)系為：</p><p>　?、?-20

42、0℃＜t＜0℃時(shí)，；</p><p>　?、?0℃≤t≤850℃時(shí)，；</p><p>　　式中，A=0.00390802；B=-0.000000580；C=0.0000000000042735?？梢奝T100在常溫0～100攝氏度之間變化時(shí)線性度非常好，其阻值表達(dá)式可近似簡(jiǎn)化為：，當(dāng)溫度變化1℃，PT100阻值近似變化0.39。</p><p>　　溫度檢測(cè)接口電

43、路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　A/D轉(zhuǎn)換器選擇</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)要求溫度在0~300范圍內(nèi)，要是選用8位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器不能滿足要求，所以必須選擇12位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器。12位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器中最常使用的就是由美國美信公司生產(chǎn)的MAX197. 它是可程控多量程8通道12位多路復(fù)用A/ D轉(zhuǎn)換集成電路,具有5MHz的跟蹤/保持帶寬、

44、100kS/ s 的采樣速率、可編程控制的內(nèi)/外部時(shí)鐘與采樣模式、 8 + 4位并行接口、三種電源關(guān)閉模式(包括一種硬觸發(fā)關(guān)閉和兩種可編程式軟關(guān)閉)。MAX197用標(biāo)準(zhǔn)微處理器接口,通過讀寫三態(tài)數(shù)據(jù) I/ O端口可以控制對(duì)數(shù)據(jù)總線的訪問與釋放。</p><p>　　圖3.2.1 MAX197引腳圖</p><p>　　MAX197的引腳功能：</p><p>　　

45、1 CLK 時(shí)鐘輸入。在內(nèi)部時(shí)鐘模式下,從該引腳接一100pF的電容可獲得1. 56MHz內(nèi)部時(shí)鐘2 CS 片選,低電平有效3 WR當(dāng)CS為低電平時(shí),在內(nèi)部時(shí)鐘模式下,WR的上升沿將鎖存設(shè)置并開始一個(gè)自動(dòng)采集和轉(zhuǎn)換周期,在外部時(shí)鐘模式下,WR處的第一個(gè)上升沿開始采集,第二個(gè)上升沿結(jié)束采集并進(jìn)入轉(zhuǎn)換周期4 RD 當(dāng)CS低電平時(shí),RD 上的下降沿使數(shù)據(jù)處于數(shù)據(jù)總線上可被讀取5 HBEN用于12 位轉(zhuǎn)換結(jié)果的多路復(fù)用。當(dāng) HBEN

46、為低電平時(shí)可讀取結(jié)果的高 4 位,當(dāng)為高電平時(shí),可讀取結(jié)果的低8位6 SHDN 設(shè)置電源關(guān)閉模式7 - 14 D0 - D11 三態(tài)數(shù)字 I/ O端口15 AGND 模擬信號(hào)地16 - 23 CH0 - CH7 模擬信號(hào)輸入通道24 INT 當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束且數(shù)據(jù)可被訪問時(shí)為低電平25 REFADJ帶寬基準(zhǔn)電壓調(diào)整引腳。當(dāng) REF 引腳使用外部基準(zhǔn)電壓時(shí)直接接 VDD , 否則旁路一0. 01 μF的電容26 REF基準(zhǔn)緩存

47、輸出和緩存輸入引腳。在用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓時(shí),基準(zhǔn)緩存輸出一4. 096V的名義電壓,并可通過 REFADJ 引腳調(diào)整。在用外</p><p>　　模擬量檢測(cè)接口電路圖</p><p>　　熱電阻測(cè)溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測(cè)量的。通常將其放在電橋的橋臂上，溫度變化時(shí)，熱電阻兩端的電壓信號(hào)被送到儀器放大器LM741的輸入端，經(jīng)過儀器放大器放大后的電壓輸出送給MA

48、X197A/D轉(zhuǎn)換芯片，從而把熱電阻的阻值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。電路原理圖如圖3.2.2所示。</p><p>　　圖3.2.2 溫度檢測(cè)接口圖</p><p>　　加熱輸出接口電路設(shè)計(jì)</p><p>　　輸出通道采用Motorola公司推出的單片集成可控硅驅(qū)動(dòng)器件MOC3041來作為輸出的驅(qū)動(dòng)控制。MOC3041芯片是一種集成的帶有光電耦合的雙向可控硅驅(qū)動(dòng)電路。它的內(nèi)部

49、集成了發(fā)光二極管、雙向可控硅和過零出發(fā)電路等器件。它由輸入和輸出兩部分組成。輸入部分是一個(gè)砷化鎵發(fā)光二極管，在5~15mA正向電流的作用下發(fā)出足夠強(qiáng)度的紅光外去觸發(fā)輸出部分；輸出部分包括一個(gè)硅光敏雙向可控硅和過零出發(fā)器，在紅外線的作用下，雙向可控硅雙向?qū)ǎc過零觸發(fā)器一起輸出同步觸發(fā)脈沖，去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（外部的雙向可控硅）MOC3041組成的過零出發(fā)雙向可控硅電路簡(jiǎn)單可靠，電路圖如下圖所示</p><p>　　

50、圖3.3.1MOC3041內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部引腳圖</p><p>　　圖3.3.2 加熱系統(tǒng)圖</p><p>　　人機(jī)對(duì)話接口電路設(shè)計(jì)</p><p>　　鍵盤采用行列式和外部中斷相結(jié)合的方法，圖3-4中各按鍵的功能定義如下表1。其中設(shè)置鍵與單片機(jī)的INT0腳相連,S0 - -S9、YES、NO用四行三列接單片機(jī)P0 口，REST鍵為硬件復(fù)位鍵，與R、C構(gòu)成復(fù)位電路

51、。鍵盤模塊電路如圖3.4所示。</p><p>　　表3.4 鍵盤功能表</p><p><b>　　圖3.4 鍵盤電路</b></p><p><b>　　電烤箱軟件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　軟件實(shí)現(xiàn)功能綜述</b></p><p>

52、　　本次設(shè)計(jì)的軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能為:溫度傳感器測(cè)量的溫度信號(hào)經(jīng)MAX197進(jìn)行信號(hào)的放大與A/D轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換好的數(shù)字量輸入單片機(jī)，經(jīng)過標(biāo)度變換、顯示碼處理后將顯示碼送到數(shù)碼管上顯示出來。同時(shí)，單片機(jī)對(duì)輸入的數(shù)字量進(jìn)行處理，經(jīng)過PID控制算法對(duì)溫度進(jìn)行控制。此外，軟件還應(yīng)該實(shí)現(xiàn)按鍵操作，例如設(shè)置參數(shù)的功能。</p><p>　　為了能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能，經(jīng)過認(rèn)真的分析和整理，以及對(duì)整體功能進(jìn)行細(xì)化、分配，把系統(tǒng)的程序劃

53、分為以下幾個(gè)主要模塊:</p><p>　　1、初始化模塊：通過該模塊來對(duì)堆棧、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、中斷和特殊功能寄存器進(jìn)行賦值，有關(guān)寄存器的清零，以及計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的初值存放等。</p><p>　　2、按鍵操作模塊：該模塊能夠在系統(tǒng)一上電后就開始對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，一旦在相應(yīng)時(shí)刻檢測(cè)到有鍵按下，就會(huì)相應(yīng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行處理程序，處理完畢后能夠返回主程序。</p><p>　　3

54、、A/D轉(zhuǎn)換模塊：把溫度傳感器測(cè)量的溫度信號(hào)經(jīng)MAX665轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。</p><p>　　4、標(biāo)度變換：主要是把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為要顯示的物理量。</p><p>　　5、顯示模塊 ：該模塊應(yīng)能夠把溫度值進(jìn)行準(zhǔn)確顯示，并且能顯示溫度上下限及各種參數(shù)。</p><p>　　6、控制算法模塊：采用PID控制算法對(duì)溫度進(jìn)行控制。</p><p>　　

55、除了上述功能以外，本著操作友好、功能齊全、安全可靠的設(shè)計(jì)原則。</p><p><b>　　流程圖設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　主程序流程圖設(shè)計(jì)</b></p><p>　　主程序主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，鍵值處理，A/D轉(zhuǎn)換，顯示數(shù)據(jù)。 </p><p>　　系統(tǒng)的初始化包括寄存器的初始化

56、（控制寄存器、堆棧、中斷寄存器等），通信的初始化（串口的初始化，MAX197的初始化，通信緩沖區(qū)的初始化），LED顯示的初始化，輸出端口的初始化，采集、累計(jì)數(shù)據(jù)的初始化。 </p><p>　　鍵值處理包括對(duì)系統(tǒng)三個(gè)鍵的判斷與處理。</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（主要實(shí)現(xiàn)將測(cè)量電路監(jiān)測(cè)到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成LED顯示所需的數(shù)據(jù)類型）。</p><p>　　

57、顯示數(shù)據(jù)包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（主要實(shí)現(xiàn)將各類參數(shù)、測(cè)量數(shù)據(jù)、計(jì)算累計(jì)值等轉(zhuǎn)換成LED顯示所需的數(shù)據(jù)類型）和顯示屏的刷新（包括刷新采集數(shù)據(jù)屏和根據(jù)按下的鍵更改顯示屏）。</p><p>　　模擬量檢測(cè)流程圖設(shè)計(jì)</p><p>　　由于干擾的存在，可能導(dǎo)致A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果與爐溫出現(xiàn)差異，為了提高系統(tǒng)的可靠性和信號(hào)的真實(shí)性，采用程序計(jì)算的方法對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行平滑加工，從而克服虛假信號(hào)，這種算法稱為數(shù)字濾

58、波。數(shù)字濾波的方法有以下幾種：</p><p>　　① 限幅濾波，其基本方法是通過比較相鄰(n和n-1時(shí)刻)的兩個(gè)采樣值和，如果它們的差值過大．超出了參數(shù)可能的最大變化范圍，則認(rèn)為發(fā)生了隨機(jī)干擾，并視后一次采樣值為非法值，應(yīng)予剔除。</p><p>　?、?中值濾波，就是連續(xù)采樣三次，取中間值作為本次采樣值。</p><p>　?、?算術(shù)平均濾波，就是連續(xù)取幾個(gè)采樣

59、值進(jìn)行算術(shù)平均。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:</p><p>　　因算術(shù)平均濾波方法簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)采集更加精確，濾波結(jié)果就是對(duì)單點(diǎn)溫度多次采樣的平均值，更加準(zhǔn)確的反應(yīng)了被測(cè)溫度的大小，因此，本系統(tǒng)采用了算術(shù)平均濾波法。設(shè)計(jì)時(shí)，外部輸入的模擬量信號(hào)首先由傳感器送入測(cè)控器，然后進(jìn)行模擬量采集，在一次采樣間隔時(shí)間T內(nèi)，依次將各輸入量輪流接到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換。為了準(zhǔn)確地反映被測(cè)信號(hào)，防止干擾，對(duì)每一路信號(hào)在20 ms內(nèi)采集4次，

60、即采樣間隔時(shí)間T=5ms，4次采集完成后再將4次采集的值求平均得出此次采集的結(jié)果。 在20ms的采集完成后，要將數(shù)據(jù)按照量程或計(jì)算公式轉(zhuǎn)換為有實(shí)際意義的數(shù)據(jù)，并根據(jù)報(bào)警界限判斷數(shù)據(jù)是否有低于下限或超出上限的報(bào)警。</p><p><b>　　程序清單</b></p><p>　　ORG 0000H</p><p>　　AJMP

61、START</p><p>　　ORG 0003H</p><p>　　AJMP PITO</p><p>　　ORG 0030H</p><p>　　START: CLR P1.7</p><p>　　CLR P1.3</p><p>　　CLR

62、 P1.5</p><p>　　SETB P1.6</p><p>　　MOV R4, #00H</p><p>　　MOV SP, #60H </p><p>　　MOV PSW, #00H</p><p>　　MOV R0, #

63、20H </p><p>　　MOV R7, #60H </p><p>　　ML: MOV @R0, #00H</p><p><b>　　INC R0</b></p><p>　　DJNZ R7, ML</p><p><b>　　

64、CLR IT0</b></p><p>　　MAIN: LCALL GET_TEMPER</p><p>　　SS: LCALL GET_TEMPER</p><p>　　LCALL DISPLAY </p><p>　　LCALL BIJIAO</p><p&g

65、t;　　LCALL XIAOYU</p><p>　　LCALL JIXIAN</p><p>　　JNB DEYU </p><p>　　CLR P1.3 </p><p>　　SETB P1.6 </p><p>　　CLR

66、 DEYU</p><p>　　LCALL GET_TEMPER</p><p>　　LCALL DISPLAY</p><p>　　AJMP TT2</p><p>　　LCALL DISPLAY </p><p>　　MUN: PUSH PSW</p>

67、<p>　　MOV R0, #7AH </p><p>　　MOV A, @R0</p><p><b>　　SWAP A</b></p><p><b>　　DEC R0</b></p><p>　　ADD A, @R0</p><p>

68、;　　MOV R1, A</p><p>　　ANL A, #0F0H</p><p><b>　　SWAP A</b></p><p>　　MOV B, #10</p><p><b>　　MUL AB</b></p><p>　　MOV

69、R2, A</p><p>　　MOV A, R1</p><p>　　ANL A, #0FH</p><p>　　ADD A, R2</p><p>　　MOV 38H, A</p><p>　　MOV R0, #78H</p><p>　　MOV 39H,

70、@R0</p><p>　　POP PSW</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　BIJIAO: MOV A, 29H </p><p>　　MOV 40H, A</p><p>　　MOV A, 38H </p>

71、<p>　　CLR C</p><p>　　CJNE A, 40H, L1</p><p>　　MOV A, 39H</p><p>　　CJNE A, 30H, L1</p><p>　　SETB DEYU</p><p>　　SJMP L2</p&

72、gt;<p>　　L1: JC L2</p><p>　　SETB DAYU </p><p>　　SJMP L2</p><p>　　L2: RET</p><p><b>　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析</b></p><p><b>　　系統(tǒng)原

73、理圖</b></p><p>　　圖5.1 系統(tǒng)原理圖</p><p><b>　　系統(tǒng)原理綜述</b></p><p>　　先由溫度傳感器電路對(duì)溫度進(jìn)行采集，通常將其放在電橋的橋臂上，溫度變化時(shí)，熱電阻兩端的電壓信號(hào)被送到儀器放大器LM741的輸入端，經(jīng)過儀器放大器放大后的電壓輸出送給A/D轉(zhuǎn)換芯片，從而把熱電阻的阻值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量

74、。經(jīng)MAX197處理后的數(shù)字信號(hào)就可以直接交給89C51處理了，89C51處理又MAX197發(fā)來的信號(hào)，去驅(qū)動(dòng)顯示器和加熱器。鍵盤輸入電路可以完成對(duì)溫度的設(shè)定。</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)中，是以溫度采集及檢測(cè)為總目標(biāo)，以AT89C51單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)為總控制中心，輔助設(shè)計(jì)有溫度采樣電路、A/D轉(zhuǎn)換單元、LED數(shù)碼管

75、靜態(tài)串行顯示器等。在設(shè)計(jì)過程中，遇到了許多問題，如設(shè)計(jì)初始階段目的不明，思緒混亂，經(jīng)過認(rèn)真思考和老師的指導(dǎo)，才使自己思路明確，抓住重點(diǎn)，不懂就問，在很短的時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)有序的完成。溫度檢測(cè)是工業(yè)過程控制中一個(gè)重要參數(shù)，了解到溫度檢測(cè)的重要性，使自己在設(shè)計(jì)過程中，更加有興趣和動(dòng)力，在軟件設(shè)計(jì)方面，遇到了一些實(shí)際問題，不過，在老師的指導(dǎo)和同學(xué)的幫助下都能一一解決，使自己學(xué)到了許多新的知識(shí)。從本設(shè)計(jì)的資料收集和方案論證到方案設(shè)計(jì)、修改和最后的完成

76、，得到了老師和同學(xué)的指導(dǎo)和幫助，才使本設(shè)計(jì)順利完成。在此表示衷心感謝！</p><p>　　單片機(jī)開發(fā)過程是一個(gè)非常嚴(yán)謹(jǐn)，復(fù)雜，科學(xué)，周密和細(xì)致，及技術(shù)性和綜合性都相當(dāng)高的過程，它要求你必須具備相當(dāng)扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)和理論知識(shí)，較強(qiáng)的實(shí)踐專業(yè)操作技能。能以細(xì)致和科學(xué)的頭腦去考察、分析和解決問題。同時(shí)在設(shè)計(jì)中必須要有足夠的耐心，持之以恒的毅力，堅(jiān)強(qiáng)的意志以及實(shí)是求是，一絲不茍的精神，才能開發(fā)出理想的設(shè)計(jì)出來。</

77、p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 梅麗鳳等編著 單片機(jī)原理及接口技術(shù) 清華大學(xué)出版社2009.7</p><p>　　[2] 趙晶 主編 Prote199高級(jí)應(yīng)用 人民郵電出版社2000 </p><p>　　[3] 于海生 編著 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 清華大學(xué)出版社2003

78、.4</p><p>　　[5] 張福學(xué) 編著 傳感器應(yīng)用及其電路精選 北京電子工業(yè)出版社1991</p><p>　　[6] 馬凈 李曉光 編著 常用溫度傳感器的原理及發(fā)展 中國電力出版社2004</p><p>　　[7] 王紅萍 鉑電阻溫度傳感器測(cè)溫研究 北京航空航天大學(xué)出版社2003</p><p>　　[8] 黃繼昌等編著 實(shí)用單元