电烤箱加热控制器(89c51)

1、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11113 3 学学 号：号： 111103030870303087 学生姓名：学生姓名： 张彦鹏张彦鹏 指导教师：指导教师： （签字）起止时间：起止时间：2012014 4.06.16-201.06.16-2014 4.06.06.3030本科生课程设计（论文）I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： 电气注

2、：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算学 号110303087学生姓名张彦鹏专业班级电气113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 5kW2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

3、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）II

4、摘 要电烤箱是利用电热元件发出的辐射热烤制食物的厨房电器， 一般具有自动控温、加热、定时等功能。本次课程设计研究的主要内容为对电烤箱加热控制器的研究与设计。以 89C51 单片机为主体，通过对 CPU 最小系统、接口电路和驱动电路等温度控制相关电路的设计实现对电烤箱温度的实时控制。温度信息量通过传感器由接口电路经 A/D 转换器转换为数字量并输入至 89C51 单片机，数据经过单片机 CPU 处理后，由数码管显示当前温度值，同时将温度设定值转换输出至电热丝驱动电路以调节加热功率，通过人机对话接口实现对电烤箱温度的检测与控制，由此完成温度控制范围 0300，并可设定恒温值的要求。本文对各模块设计

5、过程及其组合实现过程进行了详细的分析介绍。关键词：89C51 单片机；温度传感器；A/D 转换模块；人机对话接口。本科生课程设计（论文）III目 录第 1 章 绪论.11.1 加热控制器概况 .11.2 本文研究内容 .2第 2 章 CPU 最小系统设计.32.1 电烤箱加热控制器总体设计方案 .32.2 CPU 的选择 .42.3 数据存储器扩展 .52.4 电源电路设计 .82.5 复位电路设计 .92.6 时钟电路设计 .102.7 CPU 最小系统图 .10第 3 章 输入输出接口电路设计.123.1 温度传感器的选择 .123.1 温度检测接口电路设计 .133.1.1 A/D 转换

6、器选择.133.1.2 模拟量检测接口电路图.143.2 温度控制输出接口电路设计 .153.3 人机对话接口电路设计 .16第 4 章 加热控制器软件设计.174.1 软件实现功能综述 .174.2 流程图设计 .174.2.1 主程序流程图设计.174.2.2 模拟量检测流程图设计.184.2.3 加热控制流程图设计.194.3 程序清单 .20第 5 章 系统设计与分析.235.1 系统原理图 .23本科生课程设计（论文）IV5.2 系统原理综述 .24第 6 章 课程设计总结.25参考文献.26本科生课程设计（论文）1第 1 章 绪论1.1 加热控制器概况人类的日常生活离不开衣食住行，

7、正所谓“民以食为天” ，人们对于食品的热情是永远不会衰减的。随着社会的发展和人们需求的多样化，电烤箱作为一种常用的厨房电器被而广泛地为人们所使用。除此之外，目前电烤箱的应用范围适用于制药、化工、食品、农副产品、水产品、轻工、重工等行业物料及产品的加热固化、干燥脱水等。其结构组成主要由箱体、电热元件、调温器、定时器和功率调节开关等构成。无论用作何种用途，对于电烤箱温度的控制都是其使用过程中最重要的环节。温度控制器的主要作用即为功能电路提供温度数据，供电路采集使用，温度控制系统即以温度作为被控制量的反馈控制系统。在化工、石油、冶金等生产过程的物理过程和化学反应中，温度往往是一个很重要的量，需要准确

8、地加以控制。除了这些部门之外，温度控制系统还广泛应用于其他领域，是用途很广的一类工业控制系统。温度控制系统常用来保持温度恒定或者使温度按照某种规定的程序变化。其工作原理是通过温度传感器对环境温度自动进行采样、即时监控，当环境温度高于控制设定值时控制电路启动，可以设置控制回差。如温度还在升，当升到设定的超限报警温度点时，启动超限报警功能。当被控制的温度不能得到有效的控制时，为了防止设备的毁坏还可以通过跳闸的功能来停止设备继续运行。主要应用于电力部门使用的各种高低压开关柜、干式变压器、箱式变电站及其他相关的温度使用领域。根据温度控制器的工作原理分类，分为机械式的和电子式。机械式采用两层热膨胀系数不

9、同金属压在一起，温度改变时，他的弯曲度会发生改变，当弯曲到某个程度时，接通（或断开）回路，使得制冷（或加热）设备工作。电子式的通过热电偶、铂电阻等温度传感装置，把温度信号变换成电信号，通过单片机、PLC 等电路控制继电器使得加热（或制冷）设备工作（或停止） 。温度控制器的工作原理为，根据工作环境的温度变化，在开关内部发生物理形变，从而产生某些特殊效应，产生导通或者断开动作的一系列自动控制元件，或者电子原件在不同温度下，工作状态的不同原理来给电路提供温度数据，以供电路采集温度数据。随着电子器件的不断发展，温度控制器的形式也多种多样。从整体上来看，温度控制系统的发展方向即高精度、智能化、小型化等。

10、虽然国内各行各业的应用已经十分广泛，但从已经生产的温度控制器来讲，总体发本科生课程设计（论文）2展水平仍然不高，同其他先进国家相比仍有着较大差距。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，对于控制滞后、复杂、时变温度控制系统，仍然存在控制技术上的问题；适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术也不十分成熟。相比之下，国外已有较多的成熟产品。目前，国内温度控制模块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

11、格较贵。当前应用较广的温度控制器为电子式温度控制器。鉴于温度控制器的广泛应用，在对电烤箱相关功能的研究过程中，针对其温度控制系统的研究也显得十分重要。1.2 本文研究内容本文主要内容为对电烤箱加热控制器的研究与设计，设计要求电烤箱由电阻丝加热，额定工作电压 220V，功率为 5kW。通过分析系统功能，选择合适的单片机及传感器，温度检测电路设计，绘制硬件电路图和软件流程图。选择设计出CPU 最小系统（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和程序流程图及程序清单编写。温度信息量通过传感器由接口电路经 A/D 转换器转换为数字量并输入至

12、单片机，数据经过单片机 CPU 处理后，由数码管显示当前温度值，同时将温度设定值输出至电热丝驱动电路以调节加热功率，由此实现对温度的控制，并完成温度控制范围0300，可设定恒温值的要求。本科生课程设计（论文）3本科生课程设计（论文）4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本次课程设计对于电烤箱加热控制器的研究设计过程总体为分模块设计再组合的过程，分模块分别设计出 CPU 最小系统模块、温度测量转换模块、输出模块和人机对话模块，由此实现对电烤箱加热的控制。CPU 最小系统模块设计分为数据存储器的扩展设计、复位电路设计和时钟电路设计，温度测量转换模块分为温度传感器选择

13、、滤波/放大电路设计和 A/D 转换模块的选择设计，输出模块设计分为驱动电路设计和加热电路设计，人机对话模块分为键盘设计和 LED 显示模块设计，部分模块设计除了硬件选择设计外，还需要完成合适的软件设计使各模块正常工作以达到温度控制要求。本次加热控制器设计以 89C51 单片机为主体，温度信息由温度传感器经滤波放大电路输入 A/D 转换模块，再由单片机处理温度信息后控制加热器装置以达到控制电烤箱温度的目的，人机对话接口电路由键盘输入/控制部分和 LED 温度显示部分组成。图 2.1 为电烤箱加热控制器原理框图。89C51 单片机键盘输入/控制LED 显示温度传感器滤波/放大电路A/D 转换模块

14、加热电路驱动电路图 2.1 电烤箱加热控制器原理框图电源整流滤波电路AC220V 工作电源供电本科生课程设计（论文）52.2 CPU 的选择根据本次课程设计要求，要求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并可设定恒温值，选择AT89C51 单片机作为温度控制器的中央处理单元。AT89C51 是一种带 4k 字节 FLASH 存储器的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部 RAM，32 个 I/O 口线，两个 16 位定时/计数器，一个 5

15、向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU 的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器。AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种

16、灵活性高且价廉的方案。其中，89C51 单片机引脚功能为：VCC（40 脚）：接5V 电源。VSS（20 脚）：接地端。P0 口（39 脚32 脚）：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（1 脚8 脚）：P1 口是从内部提供上拉电阻器的 8 位双向 I/O 口，P1口缓冲器能接收和输出 4 个 TTL 门电流。 P2 口（21 脚28 脚）：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（10 脚17 脚）：P3 口是 8 个带有内部上拉电阻器的双向 I/O 口，可接收和

17、输出 4 个 TTL 门电流，P3 口也可作为 AT89C51 的特殊功能口。 RST（9 脚）：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 脚）：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，本科生课程设计（论文）6将跳过 1 个 ALE 脉冲。 PSEN（29 脚）：外部程序存储器的读选通信号。在由外部程序存

18、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 脚）：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 脚）：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 脚）：来自反向振荡器的输出。AT89C51 单片机的外形及引脚排列如图 2.2 所示。2.3 数据存储器扩展本次课程设计要求温度控制范围 0300，由于 AT89C51 单片机的内部仅有 128

19、 个字节的 RAM，对于设计控制器要求的条件是不能满足的，这种情况下可利用 89C51 单片机所具有的的扩展功能，扩展片外数据存储器。AT89C51 单片机最大可扩展 64KB RAM。常用的数据存储器有静态数据存储器和动态数据存储P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RESET9RXD 、P3.010TXD 、P3.111IN T0、P3.212IN T1、P3.313T0、P3.414T1、P3.515WR、P3.616RD、P3.717X TA L218X TA L119V SS20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2

20、.526P2.627P2.728PSEN29A LE/PRO G30EA/VPP31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039V CC40A T89C51图 2.2AT89C51 单片机管脚排列图本科生课程设计（论文）7器，由于在实际应用中，需要扩展的容量不打，所以一般采用静态 RAM，如SRAM 6116、6264 等。本次课程设计选择 6264 静态 RAM 作为扩展数据存储器。6264 是 8K8 位静态随机存储器，采用 CMOS 工艺制造，单一5V 电源供电，额定功耗 200mW，典型存取时间 200ns，为 28 线双列直插式封装

21、。6264 的引脚功能为：A12A0（2 脚10 脚、23 脚25 脚）：地址线，可寻址 8KB 的存储空间。 I/O7I/O0（11 脚13 脚、15 脚19 脚）：输入输出接口/地址线，双向三态。 OE（22 脚）：读出允许信号，输入，低电平有效。 WE（27 脚）：写允许信号，输入，低电平有效。CE1（20 脚）：片选信号 1，输入，在读/写方式时为低电平。 CE2（26 脚）：片选信号 2，输入，在读/写方式时为高电平。 VCC（28 脚）：+5V 工作电压。GND（14 脚）：接地端。图 2.3 为 6264 静态 RAM 引脚图。Intel 6264 的操作方式由 OE、WE、CE

22、1、CE2 的共同作用决定。当 WE 和CE1 为低电平，且 OE 和 CE2 为高电平时，数据输入缓冲器打开，数据由数据线D7D0 写入被选中的存储单元。当 OE 和 CE1 为低电平，且 WE 和 CE2 为高电平时，数据输出缓冲器选通，被选中单元的数据送到数据线 D7D0 上。当 CE1N C1A 122A 73A 64A 55A 46A 37A 28A 19A 010I/O011I/O112I/O213G ND14I/O315I/O416I/O517I/O618I/O719CE120A 1021O E22A 1123A 924A 825CE226WE27V CC286264图 2.36

23、264 静态 RAM 引脚图本科生课程设计（论文）8为高电平，CE2 为任意时，芯片未被选中，处于保持状态，数据线呈现高阻状态。74LS373 是常用的地址锁存器芯片，它实质是一个是带三态缓冲输出的 8D触发器，在单片机系统中为了扩展外部存储器，通常需要一块 74LS373 芯片。根据设计要求，选择 74LS373 地址锁存器。74LS373 引脚图如图 2.4 所示。 74LS373 功能真值表如表 2.1 所示。DnGOEQn11010100X00Q0XX1高阻态根据设计要求，设计出的接口电路共有 13 根地址线 A0A12。其中，低八位地址线通过锁存器与 89C51 的 P0 口相连，高

24、 5 位与 89C51 的 P2.0P2.4 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 端。由此可设计出 AT89C51 与 6264 静态 RAM 的接口电路图如图 2.5 所示。O E1Q 02D 03D 14Q 15Q 26D 27D 38Q 39G ND10G11Q 412D 413D 514Q 515Q 616D

25、 617D 718Q 719V CC20LS373图 2.474LS373 锁存器引脚图表 2.174LS373 锁存器功能真值表本科生课程设计（论文）92.4 电源电路设计 本次设计所需要使用到的元器件电源均与 AT89C51 单片机相同，为+5V 直流电源，故需要设计出合适的 AC220V 整流 DC5V 的电源电路。电源电路模块包括变压器、晶闸管桥式整流和稳压滤波装置。220V 市电经过变压器转换成带有高次谐波的 5V 交流电，再经过整流桥的整流、电容滤波和稳压管稳压后输出+5V稳定直流电。稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压

26、发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。根据设计要求，稳压管选择额定电压 5.1V 的型号为 1N4733 的稳压管，由此保证电源电路能够提供标准的直流电，以此保证 89C51 单片机及其它模块能够正常工作。电源电路原理图如图 2.6所示。EA/VP31X TA L119X TA L218RESET9RD17WR16IN T012IN T113T014T115P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732P2.021P2.122P

27、2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29A LE/P30TXD11RXD10G ND20V CC4089C51D 718D 617D 514D 413D 38D 27D 14D 03G11O E1Q 02Q 15Q 26Q 39Q 412Q 515Q 616Q 71974LS373G NDA 010A 19A 28A 37A 46A 55A 64A 73A 825A 924A 1021A 1123A 122CE120WE27O E22I/O011I/O112I/O213I/O315I/O416I/O517I/O618I/O7196264图 2.5AT8

28、9C51 与 6264 的接口电路本科生课程设计（论文）102.5 复位电路设计复位电路对于 89C51 是不可或缺的一部分，其功能是在上电或复位过程中，控制 CPU 的复位状态，即在这段时间内让 CPU 保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止 CPU 发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。复位电路设计分为上电复位和手动复位两种复位形式。上电复位在 89C51 上电时自动完成，手动复位需要保持 RESET 引脚两个机器周期以上的高电平。上电复位电路的基本功能是系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信

29、号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。手动按钮复位需要人为在复位输入端 RST 上加入高电平。一般采用的办法是在 RESET 端和正电源 VCC 之间接一个按钮。当人为按下按钮时，通过 R1 和 R2形成回路，则 VCC 的+5V 电平就会直接加到 RESET 端。手动按钮复位的电路如所示。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。如图 2.7 为复位电路原理图。图 2.7CPU 复位电路 +22FVCC1k200RESET图 2.6电源电路原理图DC5VAC220V1234440F1N4733DZ220F0.1F本科生课程设计（论文）

30、11本科生课程设计（论文）122.6 时钟电路设计时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。时钟信号可以由两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式。根据设计要求AT89C51 内部有一个高增益反向放大器，用于构成片内振荡器，引脚 XTAL1和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端。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。经过权衡比较，本次设计使用震荡频率为12MHz 的晶振，可知机器周期为 12/（12*10 ）=1s。再 XTAL1 和 XTAL2 两6端跨接晶振，就构成了稳定的自激振荡器，其发出

31、的脉冲直接送入内部时钟发生器，时钟电路原理图如图 2.8 所示。2.7 CPU 最小系统图单片机最小系统,或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.。对 AT89C51 单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、电源、晶振电路和复位电路。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 RESET 输入端，与外接电容、电阻及开关共同组成复位电路。经过上述设计过程，最终形成的完整的 CPU 最小系统图如图 2.9 所示。图 2.8时钟电路原理图本科生课程设计

32、（论文）13图 2.9CPU 最小系统图AC5VAC220V1234440F1N4733DZ220F0.1FP1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RESET9RXD、P3.010TXD、P3.111INT0、P3.212INT1、P3.313T0、P3.414T1、P3.515WR、P3.616RD、P3.717XTAL218XTAL119VSS20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P

33、0.237P0.138P0.039VCC40AT89C5112MHz30pF30pF22F2001k本科生课程设计（论文）14第 3 章 输入输出接口电路设计3.1 温度传感器的选择根据设计要求测量温度范围 0300，并可设定恒温值，选择型号 WZP 系列工业热电阻作为测量温度的传感器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用。WZP 系列工业热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。在 WZP 系列中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。温度传感器分度号 PT100，PT100 温度传感器为正温度系数热电阻传感器

34、，是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。100 即表示它在 0时阻值为 100 欧姆，在 100时它的阻值约为 138.5 欧姆。它可以直接测量各种生产过程中从-200850范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。因此确定传感器型号为 WZP-PT100。PT100 主要技术参数如下：（1）测量范围：-200+850。（2）允许偏差值： A 级 ，B 级 。0.150.002 t0.300.005 t（3）响应时间30s。（4）最小置入深度：热电阻的最小置入深度200mm。（5）允通电流5mA。查阅相关资料得知，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。

35、铂热电阻的阻值与温度之间的关系可用式（3-1）表示，0t850时，Rt=R0（1+At+Bt ） （3-1）2式中 Rt 为 t时的铂电阻的阻值，R0 为 0时的铂电阻的阻值，A、B 为常数，A=3.9684710，B=-5.84710。由此可得出 PT100 的阻值与温3171度的关系基本呈线性关系。PT100 R-t 曲线图如图 3.1 所示。本科生课程设计（论文）153.1 温度检测接口电路设计3.1.1 A/D 转换器选择由于设计要求温度测量范围 0300，常用 8 位 A/D 转换器 ADC0809 已不能够满足分辨率要求，故本次设计采用 12 位分辨率的 A/D 转换器MAX197

36、。MAX197 是美国美信公司生产的多量程、12 位数据采集系统（ADC） ，芯片工作电压仅为 5V；既可接收高于电源电压的模拟信号，又可接收低于地电位的模拟信号。在数据采集系统中，A/D 转换的速度和精度又决定了采集系统的速度和精度。MAX197 可以和大部分单片机直接接口，使用十分方便。MAX197性能特性如下：（1）12 位分辨率，1/2LSB 线性度。（2）单 5V 供电。（3）软件可编程选择输入量程。（4）输入多路选择器保护。（5）8 路模拟输入通道。（6）6s 转换时间，100kSPS 采样速率。（7）内/外部采集控制。（8）内部 4.096V 或外部参考电压。（9）两种掉电模式。

37、（10）内部或外部时钟。如果忽略 PT100 的非线性误差和运放误差，可以计算出选用 MAX197 的测图 3.1PT100 铂热电阻 R-t 特性曲线本科生课程设计（论文）16量精度最小可达 300/2=0.0732。其引脚图如图 3.2 所示。123.1.2 模拟量检测接口电路图根据以上设计，设计出合适的传感器测温电路，将铂热电阻放在电桥的桥臂上，温度变化时，热电阻两端的电压信号被送到仪器放大器的输入端，经过放大器放大后的电压输出送给 MAX197A/D 转换芯片，能够完成把热电阻的阻值转换成数字量并输入单片机的要求。HBEN 为 12 位数据高 4 位或低 8 位有效控制位，当此位为高时

38、，高 4 位数据有效，为低时低 8 位数据有效，可以通过控制这个引脚来读取 12 位的转换结果。通过 AT89C52 的 P0.0P0.7 与 MAX197 的 D0D7相连，既用于输入 MAX197 的初始化控制字，也用于读取转换结果数据。 用AT89C52 单片机的 P2.7 作片选信号，则 MAX197 的高位地址为 7FH。选择MAX197 为软件设置低功耗工作方式，所以置 SHDN 脚为高电平。本文采用外部基准电压，所以 REFDJ 接高电平，而 REF 则接外部输入参考电压。AT89C52 单片机的 P1.0 脚用做判读高、低位数据的选择线，直接与 HBEN 脚相连。MAX197的

39、 INT 脚可与 AT89C52 的 INT0 相连,以便实现中断，读取转换结果。最终可得出模拟量检测接口电路图如图 3.3 所示。图 3.2MAX197 引脚图CLK1CS2WR3RD4HBEN5SHDN6D77D68D59D410D3/D1111D2/D1012D1/D913D0/D814AGND15CH016CH117CH218CH319CH420CH521CH622CH723INT24REFADJ25REF26VDD27DGND28MAX197本科生课程设计（论文）173.2 温度控制输出接口电路设计由于设计要求启动 5kW 电阻电热丝作为加热元件，因此考虑使用光耦元件作为 AT89C

40、51 单片机与加热电路间的耦合元件。经过查阅资料，采用单通道可控硅输出光电耦合器 MOC3081 作为接口电路驱动控制，MOC3081 是摩托罗拉公司生产的可控硅输出的光电耦合器，常用做大功率可控硅的光电隔离触发器，且是过零触发的，具有工作稳定、抗干扰和动作迅速等优点。其封装类型为 DIP6，光电耦合器类型是三端双向可控驱动器，功耗 250mW。设计出的输出接口电路如图 3.4 所示。1234PT100RwV CC10k10k11.5k10k2k2kV CC100F100FCLK1CS2WR3RD4H BEN5SH DN6D 77D 68D 59D 410D 3/D 1111D 2/D 101

41、2D 1/D 913D 0/D 814A GN D15CH016CH117CH218CH319CH420CH521CH622CH723IN T24REFA D J25REF26V DD27D GN D28MA X 197P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RESET9RXD 、P3.010TXD 、P3.111IN T0、P3.212IN T1、P3.313T0、P3.414T1、P3.515WR、P3.616RD、P3.717X TA L218X TA L119V SS20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2

42、.627P2.728PSEN29A LE/PRO G30EA/VPP31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039V CC40A T89C51图 3.3模拟量检测接口电路本科生课程设计（论文）183.3 人机对话接口电路设计根据设计要求，键盘输入值包括温度设定数字键 09、确认键和复位键，选用 43 矩形键盘即可满足要求。显示器要能够显示至少三位数字，因此设计 3个 8 段 LED 数显管分别显示温度的个位、十位和百位。综合比较各种方案后，本次设计接口电路采用 8155 扩展 I/O 口构成的键盘、显示接口电路。人机对话接口电路图如图 3.

43、5 所示。360470、0.01FMO C3081V CC1n4148A C220V图 3.4温度控制输出接口电路D 7D 6D 5D 4D 3D 2D 1D 0GV CCQ 0Q 1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q 7BIC 8717D 7D 6D 5D 4D 3D 2D 1D 0GV CCQ 0Q 1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q 7BIC 8717PA 0PA 1PA 2PA 3PA 4PA 5PA 6PC0PC1PC2PC3PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6RESETCEIO /MWRRDA LED 0D 1D 2PA 7PB78155abfcgdeDPY1234567abc

44、defg8dpdpabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdp 0 1 2 5 81110 7 4 3 6 9V CCV CCV CC20F1kP2.6P2.0WRRDA LEP0.2P0.1P0.0A T89C51图 3.5人机对话接口电路本科生课程设计（论文）19本科生课程设计（论文）20第 4 章 加热控制器软件设计4.1 软件实现功能综述根据设计要求，本次设计软件主要实现的功能为：将温度传感器经 MAX197转换后的数字量输入单片机，经过显示码处理后将变量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，对

45、加热器件即电烤箱温度进行控制。通过按键控制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部分：（1）复位部分：通过对堆栈、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功能的实现。（2）A/D 转换部分：把温度传感器 PT100 测量的温度信号模拟量经MAX197 转换为数字量输入 AT89C51 单片机。（3）加热控制部分：通过处理单片机输入数据，将处理信号输出至驱动电路控制加热器加热操作。（4）人机对话部分：把温度值进行准确显示，单片机上电后

46、开始对键盘进行扫描，一旦检测到有键按下就会转去执行处理程序，处理完毕后能够返回主程序。此部分穿插于以上各部分之中，无需另行设计。通过对软件部分的设计，与硬件连接配合后能够完成设计要求的控制电烤箱内温度并可以设定恒温的要求。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复位、A/D转换和显示。 系统复位包括寄存器的初始化、通信的初始化、LED显示的初始化、I/O端口的初始化和数据的初始化。A/D转换即MAX197数据转换过程。显示包括LED数据显示和显示刷新。流程图如图4.1所示。本科生课程设计（论文）214.2.2 模拟量检测流程图设计模拟量采样过程中，由于铂热电阻的非线性

47、误差和电源干扰的存在，可能导致A/D转换后的结果与电烤箱实际温度不同，为了提高系统的可靠性和信号的正确性，本设计采用取算术平均滤波法，就是连续取几个采样值进行取算术平均值。算是平均滤波法有方法简单、数据采集精确和可操作性强等优点。根据检测流程设计，外部输入的模拟量信号首先由传感器送入MAX197进行模拟量采集，在一次采样间隔时间内，将几次采样数据输入量输入A/D转换器进行转换。为了准确地反映被测信号，防止干扰信号对测量结果造成的误差，每一路信号采集4次并记录转换，将转换后的数字量数据求平均得出此次采集的结果。 计算完成后将数字量数据输出到LED数码管上，显示出当前电烤箱内的温度。执行中断，输入

48、信号获取AT89C51 复位温度传感器 PT100 采样键盘输入模拟信号输入 MA197 A/D 转换器数字信号输入 AT89C51 单片机LED 显示温度或输入键值图 4.1主程序流程图YN本科生课程设计（论文）224.2.3 加热控制流程图设计加热控制器软件设计主要实现的作用是当模拟采样收集的电烤箱当前温度值与键盘输入的温度设定值不同时，控制控制加热器工作与否的功能。加热控制器的主要作用即为功能电路提供温度数据，供电路采集使用，温度控制系统即以温度作为被控制量的反馈控制系统。加热控制过程需要模拟量检测过程完成时方能进行。控制过程为检测到有键盘输入量时，将键盘输入量与当前温度模拟量检测转换结

49、果相比较，若大于当前温度值则控制加热器件停止加热，若小于当前温度值则控制加热器件加热。够哦城中不断检测对比，直到电烤箱内部温度与设定值相等。加热控制流程图如图4.3所示。LED 显示温度值取算术平均值并记录数据求和次数3温度传感器 PT100 采样并记录数据采样记录数据求和模拟量检测开始图 4.2模拟量检测流程图本科生课程设计（论文）234.3 程序清单ORG 0000HAJMP STARTORG 0003HAJMP KEYORG 0030HSTART：CLR P1.7CLR P1.3CLR P1.5SETB P1.6MOV R4, #00HMOV SP, #60HMOV PSW, #00HM

50、OV R0, #20HMOV R7, #60HCAMP：MOV A, 30HMOV 40H, AMOV A, 38HCLR CCJNE A, 40H, DISPLAYMOV A, 39HCJNE A, 30H, DISPLAYSJMP CAMPMAIN： LCALL PT100LCALL DISPLAYLCALL CAMPCLR P1.3SETB P1.6CLR CAMPLCALL PT100LCALL DISPLAYLCALL DISPLAY PT100： PUSH PSWMOV R0, #7AH MOV A, R0LED 显示当前温度NY驱动加热器加热控制开始检测键盘输入量大于测量值图 4

51、.3加热控制流程图本科生课程设计（论文）24SWAP ADEC R0ADD A, R0MOV R1, AANL A, #0F0HSWAP AMOV B, #0AHMUL ABMOV R2, AMOV A, R1ANL A,#0FHADD A, R2MOV 38H, AMOV R0, #78HMOV 39H, R0RETKEY： MOV R0, #00HINC R0DJNZ R7, MLCLR IT0 MOV A,#03H MOV DPTR,#7F00H MOVX DPTR,AKEY1：ACALL KS JNZ LK1 ACALL DISPLAY AJMP KBZLK1： ACALL DISPL

52、AY ACALL DISPLAY JNZ LK2 AJMP KBZLK2： MOV R2,#0FEH MOV R4,#00HLK3： MOV DPTR,#7F01H MOV A,R2 MOVX DPTR,A INC DPTR INC DPTRMOVX A,DPTRJB ACC.0,LONEMOV A,#00HAJMP LKPLONE： JB ACC.1,LTWO MOV A,#08H AJMP LKPLTWO： JB ACC.2 ,LTHR MOV A,#10H AJMP LKPLTHR： JB ACC.3,NEXT MOV A,#18HLKP： ADD A,R4 PUSH ACCLK4： A

53、CALL DISPLAY ACALL KS JNZ LK4 POP ACCKEND： RETNEXT： INC R4 MOV A,R2 JNB ACC.7,KBZ RL A MOV R2,A AJMP LK3KBZ： MOV A,#0FEH AJMP KENDKS： MOV DPTR,#7F01H MOV A,#00H MOVX DPTR,A本科生课程设计（论文）25 INC DPTR INC DPTR MOVX A,DPTR CPL A ANL A,#0FH RETDISPLAY：MOV A,#03H MOV DPTR,#7F00H MOVX DPTR,A MOV R0,#78H MOV R

54、3,#7FH MOV A,R3DIR0： MOV DPTR,#7F01H MOVX DPTR,A INC DPTR MOV A,R0 ADD A,#0DH MOVC A,A+PC MOVX DPTR,A ACALL DEL1INC R0 MOV A,R3 JNB ACC.0,DIR1 RR A MOV R3,A AJMP DIR0DIR1:： RETDSEG： DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07HDB 7FH,6FH,77H,7CH,39H,5EH,79H,71HDEL1： MOV R7,#02HDEL0： MOV R6,#0FEH DJNZ R6,$ DJNZ

55、 R7,DEL0 RET本科生课程设计（论文）26第 5 章 系统设计与分析5.1 系统原理图 根据设计要求和以上内容的设计，得出电烤箱加热控制系统原理图如图 5.1所示。图 5.1加热控制系统原理图AC5VAC220V1234440F1N4733DZ220F0.1F12MHz30pF30pF22F2001k1234PT100RwVCC10k10k11.5k10k2k2kVCC100F100FCLK1CS2WR3RD4HBEN5SHDN6D77D68D59D410D3/D1111D2/D1012D1/D913D0/D814AGND15CH016CH117CH218CH319CH420CH521

56、CH622CH723INT24REFADJ25REF26VDD27DGND28MAX197360470、0.01FMOC30811n4148D7D6D5D4D3D2D1D0GVCCQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7BIC 8717D7D6D5D4D3D2D1D0GVCCQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7BIC 8717PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PC0PC1PC2PC3PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6RESETCEIO/MWRRDALED0D1D2PA7PB78155abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdp 0 1 2 5 81110 7 4 3 6 9VCCVCC20F1kP1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RESET9RXD、P3.010TXD、P3.111INT 0、P3.212INT 1、P3.313T0、P3.414T1、P3.515WR、P3.616RD、P3.717XTAL218