单片机原理及接口技术课程设计---电烤箱加热控制器设计.doc

i 辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 电烤箱加热控制器设计电烤箱加热控制器设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 电气电气091091 学学 号：号： 090303027090303027 学生姓名：学生姓名： 霍怀鉴霍怀鉴 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间：2012.07.24-2012.07.062012.07.24-2012.07.06 本科生课程设计（论文） ii 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室： 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级 课程设计 （论文） 题目 电烤箱加热控制器设计 课程设计（论文）任务 电烤箱由电阻丝加热，功率达 5kw。通过传感器测量温度并调节加热功率。温度控制 范围 0300，可设定恒温值。 设计任务：设计任务： 1. cpu 最小系统设计（包括 cpu 选择，晶振电路，复位电路） 2. 温度传感器选择及接口电路设计 3. 温度显示、电热丝驱动电路设计 4 . 程序流程图及程序清单编写 技术参数：技术参数： 1温度控制范围 0300，功率达 5kw 2工作电源 220v 设计要求设计要求： 1、分析系统功能，选择合适的单片机及传感器，温度检测电路设计等； 2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图； 3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明， 详细阐述系统的工作过程，字数应在 4000 字以上。 进度计划 第 1 天 查阅收集资料 第 2 天 总体设计方案的确定 第 4 天 cpu 最小系统设计 第 5 天 传感器选择及其接口电路设计 第 6 天温度显示、电热丝驱动电路及电源电路设计 第 7 天 程序流程图设计 第 8 天 软件编写与调试 第 9 天 设计说明书完成 第 10 天 答辩 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） iii 摘 要 家用电烤箱是一种具有自动控温、加热、定时等功能的家用厨房器具。制出 的食品色、香、味俱全。本课题主要针对家用电烤箱温度控制器进行研究。本课 题以 at89c51 单片机系统为核心，对单点的温度进行实时检测。采用模拟温度 传感器 pt100 对温度进行检测；采用串型模数转换器 max197 进行 a/d 转换把 温度信号调解转换为电压信号与 at89c51 单片机接口设置 led 八段数码管实时 显示温度值。本设计包括温度传感器、a/d 转换模块、数据传输模块、温度显示 模块四个部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。 关键词：电烤箱；单片机微处理器；温度传感器 pt100；89c51； 本科生课程设计（论文） iv 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 温度控制器概况 .1 1.2 本文研究内容 .2 第 2 章 cpu 最小系统设计.3 2.1 电烤箱加热控制器总体设计方案 .3 2.2 cpu 的选择 4 2.3 数据存储器扩展 .6 2.4 复位电路设计 .6 2.5 时钟电路设计 .7 2.6 电源电路设计 .8 2.7 cpu 最小系统图 8 第 3 章 89c51 输入输出接口电路设计10 3.1 温度传感器的选择 10 3.2 温度检测接口电路设计 10 3.2.1 a/d 转换器选择10 3.2.2 模拟量检测接口电路图.12 3.3 加热输出接口电路设计 12 3.4 人机对话接口电路设计 13 第 4 章 电烤箱软件设计 .15 4.1 软件实现功能综述 15 4.2 流程图设计 15 4.2.1 主程序流程图设计.15 4.2.2 模拟量检测流程图设计.17 4.3 程序清单 18 第 5 章 系统设计与分析 .21 5.1 系统原理图 21 5.2 系统原理综述 21 本科生课程设计（论文） v 第 6 章 课程设计总结 .23 参考文献 24 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 温度控制器概况 电烤箱作为家用西式小电器之一，在我国随着人们居住环境的不断改善，厨房 的地位也越来越重要。电烤箱易于操作而且制作食物方便，味道保持了传统烧烤 的美味而被人们争相购买。在电烤箱的研究过程中，温度的控制尤为重要，温度 控制器的研究又显得举足轻重。 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控 制器来讲，总体发展水平仍然不高，通日本、美国、德国等先进国家相比有着较 大差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于 20 世纪 80 年代中后期水平，成 熟产品主要以“点位”控制及常规的 pid 控制器为主。它只能适应一般温度控制 系统，难于控制滞后、复杂、时变温度控制系统。而适应于较高控制场合的智能 化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的 自整定方面。国外已有较多的成熟产品。但由于国外技术保密及我国开发工作的 滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调 试确定。国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面 取得成果。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方 面快速发展。 目前社会上温度控制大多采用智能调节器，国产调节器分辨率和精度较低， 温度控制效果不是很理想，但价格便宜，国外调节器分辨率和精度较高，价格较 贵。通过对智能控制算法及相关温度控制器的深入研究，设计出了一整套的温度 控制系统，包括其系统软硬件组成结构。将嵌入式引进温度控制系统中，加入键 盘和 lcd 显示。清晰显示系统的运行状态，用户也可以根据实际情况通过核心板 键盘和计算机随时更改初始数据，使温控系统更加智能化，更易于操作。这种设 计方法弥补了国产调节器精度较低的缺点。实验证明。系统在增量式 pid 算法的 控制下运用 arm 控制器系统的稳态精度达到 0.5以内，运行速度极快。从市场 角度看，如果我国的大中型企业将温度控制，可以降低消耗，控制成本，从而提 高生产效率。 嵌入式温度控制系统符合国家提出的“节能减排”的要求，符合国家经济发展 政策，具有十分广阔的市场前景。现今，应用比较成熟的如电力脱硫设备中，主 本科生课程设计（论文） 2 控制器在主蒸汽温度控制系统中的应用，已经达到了世界前沿。电力部门 1980 年产生废气是现今的八倍。节约了两倍的初级能源，相当于少开采了三个中型煤 矿。如今，在微电子行业中。温度控制系统也越来越重要，如单晶炉、神经网络 系统的控制。因此。温度控制系统经济前景非常广泛，我国的高新精尖行业研究 其应用的意义更是更加重大。 1.2 本文研究内容 本文研究电烤箱温度控制器。电烤箱由电阻丝加热，功率达 5kw。通过传感 器测量温度并调节加热功率。温度控制范围 0300，可设定恒温值。研究包括 cpu 最小系统设计（包括 cpu 选择，晶振电路，复位电路） 、 温度传感器选择 及接口电路设计、温度显示、电热丝驱动电路设计、程序流程图及程序清单编写 等步骤。 本科生课程设计（论文） 3 第 2 章 cpu 最小系统设计 2.1 电烤箱加热控制器总体设计方案 根据加热炉的功能和指标要求，本系统可以从元件级开始设计，选用单片机 为主控机。通过连接外围控制电路，实现对加热炉温度的测量和控制。该系统以 89c51单片机为核心，由温度传感器、运算放大器、a/d转换器、输入光电隔离、 驱动电路、键盘、led显示电路共同组成。在系统中，温度的设置、温度值及误 差显示、控制参数的设置、运行、暂停及复位等功能由键盘及显示电路完成。 温度传感器把测量的电阻炉温度信号转换成弱电压信号，经过信号放大电路， 送入低通滤波电路，以消除噪音和干扰，滤波后的信号输入到a/d转换器，转换 成数字信号输入89c51单片机。下图为加热炉温度控制系统框图： 图 2.1 电烤箱加热控制器设计框图 温度传感器完成对电烤箱内温度的采集，运算放大器对温度传感器的采样进 行放大，a/d 转化器完成把模拟量转换成单片机可以识别的数字信号，单片机的 cpu 将对这个信号进行处理和响应，温度的数值通过 led 显示器显示出来，如 果还需要加热，单片机会对驱动器发出指令，驱动器经过光电隔离（提高系统抗 干扰能力） 、晶闸管（通过控制晶闸管的导通来改变温度）使加热器的电阻丝发 热，继续对电烤箱内进行加热；用户可以通过键盘对温度进行手动控制； 电压 本科生课程设计（论文） 4 同步信号完成将 220v 的交流电转换成单片机的工作电压直流电+5v。 2.2 cpu 的选择 本次设计的温度控制系统精度较高，需要的 i/o 接口也比较多，因此采用 at89c51 单片机作为本系统的微处理器。 at89c51 是一个低电压，高性能 cmos 8 位单片机，40 个引脚，32 个外部双 向输入/输出（i/o）端口，同时内含 2 个外中断口，2 个 16 位可编程定时计数器， 2 个全双工串行通信口。片内含 4k bytes 的可反复擦写的 flash 只读程序存储器 和 128 bytes 的随机存取数据存储器（ram） ，可以按照常规方法进行编程，也可 以在线编程。器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 mcs-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 flash 存储单元，内置功能强大 的微型计算机的 at89c51 提供了高性价比的解决方案。因此此单片机完全能满足 温度控制系统的要求。 at89c51 的主要特性如下： 1、寿命达 1000 写/擦循环 2、数据保留时间：10 年 3、 全静态工作：0hz24mhz 4、三级程序存储器锁定 5、128b 内部 ram 4kb 内部 rom 6、4 个并行 i/o 口，共 32 条可单独编程的 i/o 线 7、2 个 16 位定时器/计数器 8、5 个中断源，2 个中断优先级 9、可编程串行通道 10、低功耗闲置和掉电模式 11、片内振荡器和时钟电路 89c51 单片机的接法及引脚功能为: vcc（40）：接5v 电源 gnd（20）：接地 p0 口（3932）：p0 口为 8 位漏极开路双向 i/o 口，每个引脚可吸收 8 个 ttl 门电流。 p1 口（18）：p1 口是从内部提供上拉电阻器的 8 位双向 i/o 口，p1 口缓 本科生课程设计（论文） 5 冲器能接收和输出 4 个 ttl 门电流。 p2 口（2128）：p2 口为内部上拉电阻器的 8 位双向 i/o 口，p2 口缓冲器 可接收和输出 4 个 ttl 门电流。 p3 口（1017）：p3 口是 8 个带有内部上拉电阻器的双向 i/o 口，可接收 和输出 4 个 ttl 门电流，p3 口也可作为 at89c51 的特殊功能口。 rst（9）：复位输入。当振荡器复位时，要保持 rst 引脚 2 个机器周期的高 电平时间。 ale/prog（30）：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存 地址的低位字节，在 flash 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6，它可用作对 外部输出的脉冲或用于定时目的，要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将 跳过 1 个 ale 脉冲。 psen（29）：外部程序存储器的读选通信号。在由外部程序存储器取值期间， 每个机器周期 2 次 psen 有效，但在访问外部数据存储器时，这 2 次有效的 psen 信号将不出现。 ea/vpp（31）：当 ea 保持低电平时，外部程序存储器地址为 （0000hffffh）不管是否有内部程序存储器。flash 编程期间，此引脚也用于 施加 12v 编程电源（vpp） 。 xtal1（19）：反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2（18）：来自反向振荡器的输出。 本科生课程设计（论文） 6 图 2.2 89c51 引脚图 2.3 数据存储器扩展 由于本次设计中选用的 cpu，89c51 单片机的内部仅有 128 个字节的 ram，在实时采集电压、电流和隔离开关、断路器的闭、合，以及对这些数据进 行处理等，仅靠片内提供的 ram 容量远远不够，这就需要扩展外部数据存储器。 本次设计的数据存储器的电路采用 8k 的静态 6264 数据存储器。具体扩展如下所 示：6264 数据存储器的容量为 8k。共有 13 根地址线 a0-a12。其中，低八位地 址线通过锁存器与 89c51 的 p0 口相连，高 5 位与 89c51 的 p2.0-p2.4 相连。当 89c51 发出 13 位地址信息时，分别选中 6264 片内 8kb 存储器中个单元，而 8 根 数据线直接与 89c51 的 p0 口相连。6264 的 oe 端与 89c51 的 rd 相连。6264 的 we 端与 89c51 的 wr 相连。6264 的片选线 ce 直接连 89c51 的 p2.6。 图 2.3 数据存储器扩展图 2.4 复位电路设计 单片机的复位电路分上电复位和按键复位两种方式。 a. 上电复位： 在加电之后通过外部复位电路的电容充电来实现的。当vcc的上升时间不超 过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的初始化电路原理 图。rst上的电压必须保证在斯密特触发器的阀值电压以上足够长时间，满足复 位操作的要求。 b. 按键复位： p0 .3 36 p0 .1 38 p0 .2 37 p0 .0 39 p0 .5 34 p3 .6 /w r 16 p3 .7 /rd 17 p2 .0 /a 8 21 p2 .1 /a 9 22 p2 .2 /a 1 0 23 p2 .3 /a 1 1 24 p2 .4 /a 1 2 25 p0 .6 33 p0 .7 32 p2 .7 /a 1 5 28 a l e 30 e a 31 p0 .4 35 89 c5 1 o e 1 q 0 2 d 0 3 d 1 4 q 1 5 q 2 6 d 2 7 d 3 8 q 3 9 l e 11 q 4 12 d 4 13 d 5 14 q 5 15 q 6 16 d 6 17 d 7 18 q 7 19 74 l s 37 3 +5 a 0 10 a 1 9 a 2 8 a 3 7 a 4 6 a 5 5 a 6 4 a 7 3 a 8 25 a 9 24 a 10 21 a 11 23 a 12 2 o e 22 w e 27 c e 1 20 d 0 11 d 1 12 d 2 13 d 3 15 d 4 16 d 5 17 d 6 18 d 7 19 62 64 . . . . 本科生课程设计（论文） 7 程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需按复 位键以重新启动。rst引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效。按键 复位又分按键脉冲复位和按键电平复位。电平复位将复位端通过电阻与vcc相连， 按键脉冲复位是利用rc分电路产生正脉冲来达到复位的。 c 10 r 2 v c c s 2 . . 图 2.4 复位电路原理图 2.5 时钟电路设计 单片机内部有一个高增益反向放大器，输入端为芯片引脚 ，输出端为引脚 。而在芯片外部 和 之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自 激振荡器。晶体震荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快， 但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高，对印制电路板的工艺要求也高， 所以，这里使用震荡频率为12mhz的石英晶体。震荡电路产生的震荡脉冲并不直 接是使用，而是经分频后再为系统所用，震荡脉冲经过二分频后才作为系统的时 钟信号。在设计电路板时，振荡器和电容应尽量靠近单片机，以避免干扰。需要 注意的是：电路板时，振荡器和电容应尽量安装得与单片机靠近，以减小寄生电 容的存在更好的保障振荡器稳定、可靠的工作电路图如图所示。 c 7 12 m h z c 6 30 pf c 5 30 pf v cc x 1 x 2 . . 图 2.5 时钟电路原理图 本科生课程设计（论文） 8 2.6 电源电路设计 控制系统主控制部分电源需要用5v直流电源供电，其电路如图3-10所示，把 频率为50hz、有效值为220v的单相交流电压转换为幅值稳定的5v直流电压。其 主要原理是把单相交流电经 过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路转 换成稳定的直流。 由于输入电压为电网电压，一般情况下所需直流电压的数值和电网电压的有 效值相差较大，因而电源变压器的作用显现出来起到降压作用。降压后还是交流 电压，所以需要整流电路把交流电压转换成直流电压。由于经整流电路整流后的 电压含有较大的交流分量，会影响到负载电路的正常工作。需通过低通滤波电路 滤波，使输出电压平滑。稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波 动和负载电阻变化的影响，从而获得稳定性足够高的直流电压。电路使用集成稳 压芯片lm7805解决了电源稳压问题。 图2.6 电源电路图 2.7 cpu 最小系统图 89c51单片机为40引脚双列直插芯片,有四个i/o口（p0、p1、p2、p3）， d 1d 2 d 3d 4 t1 c1 220uf c2 0.1uf c3 0.1uf c4 220uf v in 1 gnd 2 +5 3 7805 220a c . . 本科生课程设计（论文） 9 89c51单片机共有4个8位的i/o口（p0、p1、p2、p3），每一条i/o线都能独立地 作为输出或输入。 单片机的最小系统电路原理图如图3-2所示，18引脚和19引脚接时钟电路， 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， 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。 第9引脚为复位输入端，接上电容，电阻及开关后能够形成上电复位电路。 p1 .0 1 p1 .1 2 p1 .2 3 p1 .3 4 p1 .4 5 p1 .5 6 p1 .6 7 p1 .7 8 r st 9 r x d /p3 .0 10 t x d /p3 .1 11 in t r 0/ p3.2 12 in t r 1/ p3.3 13 t i m e r 0/p 3.4 14 t i m e r 1/p 3.5 15 w r/ p3 .6 16 r d /p 3.7 17 x t a l 2 18 x t a l 1 19 e a 31 a l e 30 ps e n 29 p0 .0 (a d 0) 39 p0 .1 (a d 1) 38 p0 .2 (a d 2) 37 p0 .3 (a d 3) 36 p0 .4 (a d 4) 35 p0 .5 (a d 5) 34 p0 .6 (a d 6) 33 p0 .7 (a d 7) 32 p2 .0 (a 8 ) 21 p2 .1 (a 9 ) 22 p2 .2 (a 1 0) 23 p2 .3 (a 1 1) 24 p2 .4 (a 1 2) 25 p2 .5 (a 1 3) 26 p2 .6 (a 1 4) 27 p2 .7 (a 1 5) 28 89 c5 1 c 10 r 2 v cc s2 c 7 12 m h z c 5 30 pf c 6 30 pf v cc . . 图 2.6 最小系统图 本科生课程设计（论文） 10 第 3 章 89c51 输入输出接口电路设计 3.1 温度传感器的选择 本课设要求测量的温度范围是 0300，pt100 热电阻的测温范围是- 200800，满足设计要求。虽然 k 型热电偶也可以满足设计要求，但是在低温 时一般常用 pt100，因为它在低温时精度较高，运行速度较快。 pt100 温度传感器为正温度系数热电阻传感器，主要技术参数如下： 测量范围：-200+850； 允许偏差值： a 级 ， b 级 ； 0.150.002 t0.300.005 t 响应时间30s； 最小置入深度：热电阻的最小置入深度200mm； 允通电流5ma。 另外，pt100 温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优 点。 鉑热电阻的线性较好，在 0100 摄氏度之间变化时，最大非线性偏差小于 0.5 摄氏度。鉑热电阻阻值与温度关系为： -200t0时，； 23 1001*100 rt ratbtctt 0t850时，； 2 1001 rt ratbt 式中，a=0.00390802；b=-0.000000580；c=0.0000000000042735。可见 pt100 在常温 0100 摄氏度之间变化时线性度非常好，其阻值表达式可近似简化 为：，当温度变化 1，pt100 阻值近似变化 0.39。1001 rt rat 3.2 温度检测接口电路设计 3.2.1 a/d 转换器选择 本设计要求温度在0300范围内，要是选用8位分辨率的 a/d 转换器不能满足 要求，所以必须选择12位分辨率的 a/d 转换器。12位分辨率的 a/d 转换器中最 本科生课程设计（论文） 11 常使用的就是由美国美信公司生产的 max197. 它是可程控多量程8通道12位多路 复用 a/ d 转换集成电路,具有5mhz 的跟踪/保持带宽、 100ks/ s 的采样速率、可 编程控制的内/外部时钟与采样模式、 8 + 4位并行接口、三种电源关闭模式(包括 一种硬触发关闭和两种可编程式软关闭)。max197用标准微处理器接口,通过读写 三态数据 i/ o 端口可以控制对数据总线的访问与释放。 图 3.2.1 max197 引脚图 max197 的引脚功能： 1 clk 时钟输入。在内部时钟模式下,从该引脚接一100pf 的电容可获得1. 56mhz 内部时钟 2 cs 片选,低电平有效 3 wr 当 cs 为低电平时,在内部时钟模式下,wr 的上升沿将锁存设置并开始一个自动采集和转换周期,在外部时钟模式下,wr 处的 第一个上升沿开始采集,第二个上升沿结束采集并进入转换周期 4 rd 当 cs 低电平时,rd 上的下降沿使数据处于数据总线上可被读取 5 hben 用于12 位转换结果的多路复用。当 hben 为低电平时可读取结果的高 4 位,当 为高电平时,可读取结果的低8位 6 shdn 设置电源关闭模式 7 - 14 d0 - d11 三态数字 i/ o 端口 15 agnd 模拟信号地 16 - 23 ch0 - ch7 模拟信号输入通道 本科生课程设计（论文） 12 24 int 当转换结束且数据可被访问时为低电平 25 refadj 带宽基准电压调整引脚。当 ref 引脚使用外部基准电压时直接接 vdd , 否则 旁路一0. 01 f 的电容 26 ref 基准缓存输出和缓存输入引脚。在用内部基准电压时,基准缓存输出一4. 096v 的 名义电压,并可通过 refadj 引脚调整。在用外部基准电压时,则通过 refadj 直接接 vdd 使基准缓存无效 27 vdd + 5v 电源 28 dgnd 数字信号地 3.2.2 模拟量检测接口电路图 热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温 度测量的。通常将其放在电桥的桥臂上，温度变化时，热电阻两端的电压信号被 送到仪器放大器 lm741 的输入端，经过仪器放大器放大后的电压输出送给 max197a/d 转换芯片，从而把热电阻的阻值转换成数字量。电路原理图如图 3.2.2 所示。 r1 2k r2 2k r11 120k r3 10k r4 10k r5 11.5k rp2 10k rp1 10k rt1 pt100 3 2 1 84 lm741 vcc +5 gnd gnd -5 d0/d8 14 clk 1 ref 26 d1/d9 13 ch0 16 ch1 17 ch2 18 d2/d10 12 ch3 19 ch4 20 d3/d11 11 ch5 21 ch6 22 d4 10 ch7 23 vdd 27 d5 9 shdn 6 refadj 25 d6 8 agnd 15 d7 7 dgnd 28 hben 5 cs 2 int 24 rd 4 wr 3 u? max197 100uf 4.5uf 0.1uf 0.01uf p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 rst 9 p3.0/rxd 10 p3.1/txd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int 13 p3.4/t0 14 p3.5/t1 15 p3.6/wr 16 p3.7/rd 17 xtal1 19 p2.0/a8 21 p2.1/a9 22 p2.2/a10 23 p2.3/a11 24 p2.4/a12 25 p2.5/a13 26 p2.6/a14 27 p2.7/a15 28 psen 29 ale 30 ea 31 p0.7/ad7 32 p0.6/ad6 33 p0.5/ad5 34 p0.4/ad4 35 p0.3/ad3 36 p0.2/ad2 37 p0.1/ad1 38 p0.0/ad0 39 xtal2 18 89c51(40) c1 10uf gnd . . . . 图 3.2.2 温度检测接口图 本科生课程设计（论文） 13 3.3 加热输出接口电路设计 输出通道采用 motorola 公司推出的单片集成可控硅驱动器件 moc3041 来作 为输出的驱动控制。moc3041 芯片是一种集成的带有光电耦合的双向可控硅驱动 电路。它的内部集成了发光二极管、双向可控硅和过零出发电路等器件。它由输 入和输出两部分组成。输入部分是一个砷化镓发光二极管，在 515ma 正向电流 的作用下发出足够强度的红光外去触发输出部分；输出部分包括一个硅光敏双向 可控硅和过零出发器，在红外线的作用下，双向可控硅双向导通，与过零触发器 一起输出同步触发脉冲，去控制执行机构（外部的双向可控硅）moc3041 组成的 过零出发双向可控硅电路简单可靠，电路图如下图所示 图 3.3.1moc3041 内部结构及外部引脚图 . r11r12 r15 加加加 r14 r13 c? cap q1 34 25 16 moc3041 +5 220ac 图 3.3.2 加热系统图 3.4 人机对话接口电路设计 键盘采用行列式和外部中断相结合的方法，图3-4中各按键的功能定义如下 表1。其中设置键与单片机的int0脚相连,s0 - -s9、yes、no用四行三列接单片 机p0 口，rest键为硬件复位键，与r、c构成复位电路。键盘模块电路如图3.4所 本科生课程设计（论文） 14 示。 表 3.4 键盘功能表 . 4 7 0 5 21 8 okclr 6 9 4.7k 4.7k 4.7k 4.7k 3 vcc p03 p04 p05 p06 p03 p04 p05 p06 p03 p04 p05 p06 p03 p04 p05 p06 . . 图 3.4 键盘电路 按键键名功能 rest复位键使系统复位 ret设置键使系统产生中断，进入 设置状态 s0s9 数字键设置用户需要的温度 yes确认键用户设定目标温度后进 行确认 no清除键用户设定温度错误或按 了 yes 键后使用 本科生课程设计（论文） 15 第 4 章 电烤箱软件设计 4.1 软件实现功能综述 本次设计的软件主要实现的功能为:温度传感器测量的温度信号经 max197 进 行信号的放大与 a/d 转换，把转换好的数字量输入单片机，经过标度变换、显示 码处理后将显示码送到数码管上显示出来。同时，单片机对输入的数字量进行处 理，经过 pid 控制算法对温度进行控制。此外，软件还应该实现按键操作，例如 设置参数的功能。 为了能够实现上述功能，经过认真的分析和整理，以及对整体功能进行细化、 分配，把系统的程序划分为以下几个主要模块: 1、初始化模块：通过该模块来对堆栈、定时器、计数器、中断和特殊功能 寄存器进行赋值，有关寄存器的清零，以及计数器/定时器的初值存放等。 2、按键操作模块：该模块能够在系统一上电后就开始对键盘进行扫描，一 旦在相应时刻检测到有键按下，就会相应转去执行处理程序，处理完毕后能够返 回主程序。 3、a/d 转换模块：把温度传感器测量的温度信号经 max665 转换为数字量。 4、标度变换：主要是把数字量转换为要显示的物理量。 5、显示模块 ：该模块应能够把温度值进行准确显示，并且能显示温度上下 限及各种参数。 6、控制算法模块：采用 pid 控制算法对温度进行控制。 除了上述功能以外，本着操作友好、功能齐全、安全可靠的设计原则。 4.2 流程图设计 4.2.1 主程序流程图设计 主程序主要实现系统的初始化，键值处理，a/d 转换，显示数据。 系统的初始化包括寄存器的初始化（控制寄存器、堆栈、中断寄存器等） ， 通信的初始化（串口的初始化，max197 的初始化，通信缓冲区的初始化） ， led 显示的初始化，输出端口的初始化，采集、累计数据的初始化。 本科生课程设计（论文） 16 键值处理包括对系统三个键的判断与处理。 a/d 转换包括数据转换（主要实现将测量电路监测到的电压信号转换成 led 显示所需的数据类型） 。 显示数据包括数据转换（主要实现将各类参数、测量数据、计算累计值等转 换成 led 显示所需的数据类型）和显示屏的刷新（包括刷新采集数据屏和根据 按下的键更改显示屏） 。 初始化 温度传感器 a/d 转换 89c51 处理 led 显示 键值处理 是否有键盘输入 n y 本科生课程设计（论文） 17 4.2.2 模拟量检测流程图设计 由于干扰的存在，可能导致 ad 转换的结果与炉温出现差异，为了提高系 统的可靠性和信号的真实性，采用程序计算的方法对采样信号进行平滑加工，从 而克服虚假信号，这种算法称为数字滤波。数字滤波的方法有以下几种： 限幅滤波，其基本方法是通过比较相邻(n 和 n-1 时刻)的两个采样值和 n y ，如果它们的差值过大超出了参数可能的最大变化范围，则认为发生了随 1n y 机干扰，并视后一次采样值为非法值，应予剔除。 n y 中值滤波，就是连续采样三次，取中间值作为本次采样值。 算术平均滤波，就是连续取几个采样值进行算术平均。其数学表达式为: n i i y n y 1 1 因算术平均滤波方法简单、数据采集更加精确，滤波结果就是对单点温度多 次采样的平均值，更加准确的反应了被测温度的大小，因此，本系统采用了算术 平均滤波法。设计时，外部输入的模拟量信号首先由传感器送入测控器，然后进 行模拟量采集，在一次采样间隔时间 t 内，依次将各输入量轮流接到 a/d 转换器 进行一次转换。为了准确地反映被测信号，防止干扰，对每一路信号在 20 ms 内 采集 4 次，即采样间隔时间 t=5ms，4 次采集完成后再将 4 次采集的值求平均得 出此次采集的结果。 在 20ms 的采集完成后，要将数据按照量程或计算公式转换 为有实际意义的数据，并根据报警界限判断数据是否有低于下限或超出上限的报 警。 本科生课程设计（论文） 18 采样 累加 计算平均值并保存结果 是否大于设定值 led 显示报警 是否被采样 4 次 开始 y n y n 4.3 程序清单 org 0000h ajmp start org 0003h ajmp pito org 0030h start: clr p1.7 本科生课程设计（论文） 19 clr p1.3 clr p1.5 setb p1.6 mov r4, #00h mov sp, #60h mov psw, #00h mov r0, #20h mov r7, #60h ml: mov r0, #00h inc r0 djnz r7, ml clr it0 main: lcall get_temper ss: lcall get_temper lcall display lcall bijiao lcall xiaoyu lcall jixian jnb deyu clr p1.3 setb p1.6 clr deyu lcall get_temper lcall display ajmp tt2 lcall display mun: push psw mov r0, #7ah mov a, r0 swap a dec r0 add a, r0 mov r1, a 本科生课程设计（论文） 20 anl a, #0f0h swap a mov b, #10 mul ab mov r2, a mov a, r1 anl a, #0fh add a, r2 mov 38h, a mov r0, #78h mov 39h, r0 pop psw ret bijiao: mov a, 29h mov 40h, a mov a, 38h clr c cjne a, 40h, l1 mov a, 39h cjne a, 30h, l1 setb deyu sjmp l2 l1: jc l2 setb dayu sjmp l2 l2: ret 本科生课程设计（论文） 21 第 5 章 系统设计与分析 5.1 系统原理图 图 5.1 系统原理图 5.2 系统原理综述 先由温度传感器电路对温度进行采集，通常将其放在电桥的桥臂上，温度变 化时，热电阻两端的电压信号被送到仪器放大器 lm741 的输入端，经过仪器放 大器放大后的电压输出送给 a/d 转换芯片，从而把热电阻的阻值转换成数字量。 经 max197 处理后的数字信号就可以直接交给 89c51 处理了，89c51 处理又 4.7k 4.7k r11 120k 4.7k 4.7k 4.7k rp2 10k rp1 10k rt1 pt100 3 2 1 84 lm741 vcc +5 gnd gnd -5 d0/d8 14 clk 1 ref 26 d1/d9 13 ch0 16 ch1 17 ch2 18 d2/d10 12 ch3 19 ch4 20 d3/d11 11 ch5 21 ch6 22 d4 10 ch7 23 vdd 27 d5 9 shdn 6 refadj 25 d6 8 agnd 15 d7 7 dgnd 28 hben 5 cs 2 int 24 rd 4 wr 3 u? max197 100uf 4.5uf 0.1uf 0.01uf p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 rst 9 p3.0/rxd 10 p3.1/txd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int 13 p3.4/t0 14 p3.5/t1 15 p3.6/wr 16 p3.7/rd 17 xtal1 19 p2.0/a8 21 p2.1/a9 22 p2.2/a10 23 p2.3/a11 24 p2.4/a12 25 p2.5/a13 26 p2.6/a14 27 p2.7/a15 28 psen 29 ale 30 ea 31 p0.7/ad7 32 p0.6/