單片機原理及接口技術課程設計(電烤箱加熱控制器設計)

1、<p>　　單片機原理及接口技術 課程設計（論文）</p><p>　　題目： 電烤箱加熱控制器設計 </p><p>　　課程設計（論文）任務及評語</p><p>　　院（系）：新能源學院 教研室： </p><p>　　注：成績：平時20%

2、論文質量60% 答辯20% 以百分制計算</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　家用電烤箱是一種具有自動控溫、加熱、定時等功能的家用廚房器具。制出的食品色、香、味俱全。本課題主要針對家用電烤箱溫度控制器進行研究。本課題以AT89C51單片機系統(tǒng)為核心，對單點的溫度進行實時檢測。采用模擬溫度傳感器PT100對溫度進行檢測；采用串型模數(shù)轉換

3、器MAX197進行A/D轉換把溫度信號調解轉換為電壓信號與AT89C51單片機接口設置LED八段數(shù)碼管實時顯示溫度值。本設計包括溫度傳感器、A/D轉換模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、溫度顯示模塊四個部分。文中對每個部分功能、實現(xiàn)過程作了詳細介紹。</p><p>　　關鍵詞：電烤箱；單片機微處理器；溫度傳感器PT100 </p><p><b>　　目 錄</b></p&g

4、t;<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 本文研究內容1</p><p>　　第2章 CPU最小系統(tǒng)設計2</p><p>　　2.1 電烤箱加熱控制器總體設計方案2</p><p>　　2.2

5、 CPU的選擇3</p><p>　　2.3 數(shù)據(jù)存儲器擴展3</p><p>　　2.4 復位電路設計4</p><p>　　2.5 時鐘電路設計5</p><p>　　2.6 電源電路設計5</p><p>　　2.7 CPU最小系統(tǒng)圖8</p><p>　　第3章 89C51輸

6、入輸出接口電路設計6</p><p>　　3.1 溫度傳感器的選擇7</p><p>　　3.2 溫度檢測接口電路設計8</p><p>　　3.3 加熱輸出接口電路設計9</p><p>　　3.4 人機對話接口電路設計10</p><p>　　第4章 電烤箱軟件設計11</p><p

7、>　　4.1 軟件實現(xiàn)功能綜述11</p><p>　　4.2 流程圖設計11</p><p>　　4.2.1 主程序流程圖設計11</p><p>　　4.2.2 模擬量檢測流程圖設計12</p><p>　　第5章 系統(tǒng)設計與分析14</p><p>　　5.1 系統(tǒng)原理圖14</p>

8、<p>　　5.2 系統(tǒng)原理綜述14</p><p>　　第6章 課程設計總結15</p><p><b>　　參考文獻16</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　溫度控制器概況</b></p><

9、p>　　電烤箱作為家用西式小電器之一，在我國隨著人們居住環(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)在國內各行各業(yè)的應用雖然已經(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。目前，我國在這方面總體技術水平處于20世紀80

10、年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主。它只能適應一般溫度控制系統(tǒng)，難于控制滯后、復雜、時變溫度控制系統(tǒng)。而適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內技術還不十分成熟，形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面。</p><p><b>　　本文研究內容</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5k

11、W。通過傳感器測量溫度并調節(jié)加熱功率。溫度控制范圍0～300℃，可設定恒溫值。研究包括CPU最小系統(tǒng)設計（包括CPU選擇，晶振電路，復位電路）、 溫度傳感器選擇及接口電路設計、溫度顯示、電熱絲驅動電路設計、程序流程圖及程序清單編寫等步驟。</p><p>　　第2章CPU最小系統(tǒng)設計</p><p>　　2.1電烤箱加熱控制器總體設計方案</p><p>　　根據(jù)加

12、熱爐的功能和指標要求，本系統(tǒng)可以從元件級開始設計，選用單片機為主控機。通過連接外圍控制電路，實現(xiàn)對加熱爐溫度的測量和控制。該系統(tǒng)以89C51單片機為核心，由溫度傳感器、運算放大器、A/D轉換器、輸入光電隔離、驅動電路、鍵盤、LED顯示電路共同組成。在系統(tǒng)中，溫度的設置、溫度值及誤差顯示、控制參數(shù)的設置、運行、暫停及復位等功能由鍵盤及顯示電路完成。</p><p>　　溫度傳感器把測量的電阻爐溫度信號轉換成弱電壓信

13、號，經(jīng)過信號放大電路，送入低通濾波電路，以消除噪音和干擾，濾波后的信號輸入到A/D轉換器，轉換成數(shù)字信號輸入89C51單片機。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計框圖</p><p>　　溫度傳感器完成對電烤箱內溫度的采集，運算放大器對溫度傳感器的采樣進行放大，A/D轉化器完成把模擬量轉換成單片機可以識別的數(shù)字信號，單片機的CPU將對這個信號進

14、行處理和響應，溫度的數(shù)值通過LED顯示器顯示出來，如果還需要加熱，單片機會對驅動器發(fā)出指令，驅動器經(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通來改變溫度）使加熱器的電阻絲發(fā)熱，繼續(xù)對電烤箱內進行加熱；用戶可以通過鍵盤對溫度進行手動控制； 電壓同步信號完成將220V的交流電轉換成單片機的工作電壓直流電+5V。</p><p><b>　　2.2CPU的選擇</b></

15、p><p>　　本次設計的溫度控制系統(tǒng)精度較高，需要的I/O接口也比較多，因此采用AT89C51單片機作為本系統(tǒng)的微處理器。</p><p>　　AT89C51是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口。片內含4k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128

16、bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內置功能強大的微型計算機的AT89C51提供了高性價比的解決方案。因此此單片機完全能滿足溫度控制系統(tǒng)的要求。</p><p>　　圖2.2 89C51引腳圖</p><p>　　

17、2.3 數(shù)據(jù)存儲器擴展</p><p>　　由于本次設計中選用的CPU，89C51單片機的內部僅有128個字節(jié)的RAM，在實時采集電壓、電流和隔離開關、斷路器的閉、合，以及對這些數(shù)據(jù)進行處理等，僅靠片內提供的RAM容量遠遠不夠，這就需要擴展外部數(shù)據(jù)存儲器。本次設計的數(shù)據(jù)存儲器的電路采用8K的靜態(tài)6264數(shù)據(jù)存儲器。具體擴展如下所示：6264數(shù)據(jù)存儲器的容量為8K。共有13根地址線A0-A12。其中，低八位地址線通

18、過鎖存器與89C51的P0口相連，高5位與89C51的P2.0-P2.4相連。當89C51發(fā)出13位地址信息時，分別選中6264片內8KB存儲器中個單元，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><b>　　2.4復位電路設計</b></p&

19、gt;<p>　　單片機的復位電路分上電復位和按鍵復位兩種方式。</p><p><b>　　A. 上電復位：</b></p><p>　　在加電之后通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。當Vcc的上升時間不超過1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復位，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時間，滿足復位操

20、作的要求。</p><p><b>　　B. 按鍵復位：</b></p><p>　　程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為了擺脫困境，也需按復位鍵以重新啟動。RST引腳是復位信號的輸入端，復位信號是高電平有效。按鍵復位又分按鍵脈沖復位和按鍵電平復位。電平復位將復位端通過電阻與Vcc相連，按鍵脈沖復位是利用RC分電路產(chǎn)生正脈沖來達到復位的。</p>

21、<p>　　圖2.4 復位電路原理圖</p><p>　　2.5 時鐘電路設計</p><p>　　單片機內部有一個高增益反向放大器，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電容，從而構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。晶體震蕩頻率高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也高，單片機運行速度也就快，但反過來運行速度快對存儲器的速度要求就高，對印制電路板的工藝要求也

22、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)的時鐘信號。在設計電路板時，振蕩器和電容應盡量靠近單片機，以避免干擾。需要注意的是：電路板時，振蕩器和電容應盡量安裝得與單片機靠近，以減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 時鐘電路原理圖</p>&

23、lt;p><b>　　2.6電源電路設計</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的單相交流電壓轉換為幅值穩(wěn)定的5V直流電壓。其主要原理是把單相交流電經(jīng) 過電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路轉換成穩(wěn)定的直流。</p><p>　　圖2.6 電源電路圖</p&g

24、t;<p>　　2.7CPU最小系統(tǒng)圖</p><p>　　89C51單片機為40引腳雙列直插芯片,有四個I/O口（P0、P1、P2、P3），89C51單片機共有4個8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），每一條I/O線都能獨立地作為輸出或輸入。</p><p>　　單片機的最小系統(tǒng)電路原理圖如圖3-2所示，18引腳和19引腳接時鐘電路，XTAL1接外部晶振和微調電容的一端

25、，在片內它是振蕩器倒相放大器的輸入，XTAL2接外部晶振和微調電容的另一端，在片內它是振蕩器倒相放大器的輸出。第9引腳為復位輸入端，接上電容，電阻及開關后能夠形成上電復位電路。</p><p>　　圖2.6 最小系統(tǒng)圖</p><p>　　第3章89C51輸入輸出接口電路設計</p><p>　　3.1溫度傳感器的選擇</p><p>　　

26、本課設要求測量的溫度范圍是0~300℃，PT100熱電阻的測溫范圍是-200~800℃，滿足設計要求。雖然K型熱電偶也可以滿足設計要求，但是在低溫時一般常用PT100，因為它在低溫時精度較高，運行速度較快。</p><p>　　3.1.1溫度檢測接口電路設計</p><p><b>　　A/D轉換器選擇</b></p><p>　　本設計要求溫

27、度在0~300范圍內，要是選用8位分辨率的A/D轉換器不能滿足要求，所以必須選擇12位分辨率的A/D轉換器。12位分辨率的A/D轉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位多路復用A/ D轉換集成電路,具有5MHz的跟蹤/保持帶寬、 100kS/ s 的采樣速率、可編程控制的內/外部時鐘與采樣模式、 8 + 4位并行接口、三種電源關閉模式(包括一種硬觸發(fā)關閉和兩種可編程式軟關閉)。MAX197用

28、標準微處理器接口,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>　　1 CLK 時鐘輸入。在內部時鐘模式下,從該引腳接一100pF的電容可獲得1. 56MHz內部時鐘2 CS 片選,低電平有效3 WR當CS為低電平時,在內部時鐘

29、模式下,WR的上升沿將鎖存設置并開始一個自動采集和轉換周期,在外部時鐘模式下,WR處的第一個上升沿開始采集,第二個上升沿結束采集并進入轉換周期4 RD 當CS低電平時,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 位轉換結果的多路復用。當 HBEN為低電平時可讀取結果的高 4 位,當為高電平時,可讀取結果的低8位6 SHDN 設置電源關閉模式7 - 14 D0 - D11 三態(tài)數(shù)字 I/ O端口15 A

30、GND 模擬信號地16 - 23 CH0 - CH7 模擬信號輸入通道24 INT 當轉換結束且數(shù)據(jù)可被訪問時為低電平25 REFADJ帶寬基準電壓調整引腳。當 REF 引腳使用外部基準電壓時直接接 VDD , 否則旁路一0. 01 μF的電容26 REF基準緩存輸出和緩存輸入引腳。在用內部基準電壓時,基準緩存輸出一4. 096V的名義電壓,并可通過 REFADJ 引腳調整。在用外</p><p>　

31、　3.2模擬量檢測接口電路圖</p><p>　　熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。通常將其放在電橋的橋臂上，溫度變化時，熱電阻兩端的電壓信號被送到儀器放大器LM741的輸入端，經(jīng)過儀器放大器放大后的電壓輸出送給MAX197A/D轉換芯片，從而把熱電阻的阻值轉換成數(shù)字量。電路原理圖如圖3.2.2所示。</p><p>　　圖3.2.2 溫度檢測接口

32、圖</p><p>　　3.3加熱輸出接口電路設計</p><p>　　輸出通道采用Motorola公司推出的單片集成可控硅驅動器件MOC3041來作為輸出的驅動控制。MOC3041芯片是一種集成的帶有光電耦合的雙向可控硅驅動電路。它的內部集成了發(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)出足夠強度的

33、紅光外去觸發(fā)輸出部分；輸出部分包括一個硅光敏雙向可控硅和過零出發(fā)器，在紅外線的作用下，雙向可控硅雙向導通，與過零觸發(fā)器一起輸出同步觸發(fā)脈沖，去控制執(zhí)行機構（外部的雙向可控硅）MOC3041組成的過零出發(fā)雙向可控硅電路簡單可靠，電路圖如下圖所示</p><p>　　圖3.3.1MOC3041內部結構及外部引腳圖</p><p>　　圖3.3.2 加熱系統(tǒng)圖</p><p&

34、gt;　　3.4人機對話接口電路設計</p><p>　　鍵盤采用行列式和外部中斷相結合的方法，圖3-4中各按鍵的功能定義如下表1。其中設置鍵與單片機的INT0腳相連,S0 - -S9、YES、NO用四行三列接單片機P0 口，REST鍵為硬件復位鍵，與R、C構成復位電路。</p><p>　　第4章電烤箱軟件設計</p><p>　　4.1軟件實現(xiàn)功能綜述</

35、p><p>　　本次設計的軟件主要實現(xiàn)的功能為:溫度傳感器測量的溫度信號經(jīng)MAX197進行信號的放大與A/D轉換，把轉換好的數(shù)字量輸入單片機，經(jīng)過標度變換、顯示碼處理后將顯示碼送到數(shù)碼管上顯示出來。同時，單片機對輸入的數(shù)字量進行處理，經(jīng)過PID控制算法對溫度進行控制。此外，軟件還應該實現(xiàn)按鍵操作，例如設置參數(shù)的功能。</p><p>　　為了能夠實現(xiàn)上述功能，經(jīng)過認真的分析和整理，以及對整體功

36、能進行細化、分配，把系統(tǒng)的程序劃分為以下幾個主要模塊:</p><p>　　1、初始化模塊：通過該模塊來對堆棧、定時器、計數(shù)器、中斷和特殊功能寄存器進行賦值，有關寄存器的清零，以及計數(shù)器/定時器的初值存放等。</p><p>　　2、按鍵操作模塊：該模塊能夠在系統(tǒng)一上電后就開始對鍵盤進行掃描，一旦在相應時刻檢測到有鍵按下，就會相應轉去執(zhí)行處理程序，處理完畢后能夠返回主程序。</p&g

37、t;<p>　　3、A/D轉換模塊：把溫度傳感器測量的溫度信號經(jīng)MAX665轉換為數(shù)字量。</p><p><b>　　4.2 流程圖設計</b></p><p>　　4.2.1主程序流程圖設計</p><p>　　主程序主要實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，鍵值處理，A/D轉換，顯示數(shù)據(jù)。 </p><p>　　系統(tǒng)的初

38、始化包括寄存器的初始化（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、累計數(shù)據(jù)的初始化。 </p><p>　　鍵值處理包括對系統(tǒng)三個鍵的判斷與處理。</p><p>　　A/D轉換包括數(shù)據(jù)轉換（主要實現(xiàn)將測量電路監(jiān)測到的電壓信號轉換成LED顯示所需的數(shù)據(jù)類型）。</p>

39、<p>　　顯示數(shù)據(jù)包括數(shù)據(jù)轉換（主要實現(xiàn)將各類參數(shù)、測量數(shù)據(jù)、計算累計值等轉換成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>　　4.2.2模擬量檢測流程圖設計</p><p>　　由于干擾的存在，可能導致A／D轉換的結果與爐溫出現(xiàn)差異，為了提高系統(tǒng)的可靠性和信號的真實性，采用程序計算的方法對采樣信號進行平滑加工，從而

40、克服虛假信號，這種算法稱為數(shù)字濾波。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時刻)的兩個采樣值和，如果它們的差值過大．超出了參數(shù)可能的最大變化范圍，則認為發(fā)生了隨機干擾，并視后一次采樣值為非法值，應予剔除。</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>　　③

41、算術平均濾波，就是連續(xù)取幾個采樣值進行算術平均。其數(shù)學表達式為:</p><p>　　第5章 系統(tǒng)設計與分析</p><p><b>　　5.1 系統(tǒng)原理圖</b></p><p>　　圖5.1 系統(tǒng)原理圖</p><p><b>　　5.2系統(tǒng)原理綜述</b></p><p&g

42、t;　　先由溫度傳感器電路對溫度進行采集，通常將其放在電橋的橋臂上，溫度變化時，熱電阻兩端的電壓信號被送到儀器放大器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轉換芯片，從而把熱電阻的阻值轉換成數(shù)字量。經(jīng)MAX197處理后的數(shù)字信號就可以直接交給89C51處理了，89C51處理又MAX197發(fā)來的信號，去驅動顯示器和加熱器。鍵盤輸入電路可以完成對溫度的設定。</p><p>　　第章 課程設計總

43、結</p><p>　　本設計中，是以溫度采集及檢測為總目標，以AT89C51單片機最小應用系統(tǒng)為總控制中心，輔助設計有溫度采樣電路、A/D轉換單元、LED數(shù)碼管靜態(tài)串行顯示器等。在設計過程中，遇到了許多問題，如設計初始階段目的不明，思緒混亂，經(jīng)過認真思考和老師的指導，才使自己思路明確，抓住重點，不懂就問，在很短的時間內系統(tǒng)有序的完成。溫度檢測是工業(yè)過程控制中一個重要參數(shù)，了解到溫度檢測的重要性，使自己在設計過程

44、中，更加有興趣和動力，在軟件設計方面，遇到了一些實際問題，不過，在老師的指導和同學的幫助下都能一一解決，使自己學到了許多新的知識。從本設計的資料收集和方案論證到方案設計、修改和最后的完成，得到了老師和同學的指導和幫助，才使本設計順利完成。在此表示衷心感謝！</p><p>　　單片機開發(fā)過程是一個非常嚴謹，復雜，科學，周密和細致，及技術性和綜合性都相當高的過程，它要求你必須具備相當扎實的專業(yè)基礎和理論知識，較強的

45、實踐專業(yè)操作技能。能以細致和科學的頭腦去考察、分析和解決問題。同時在設計中必須要有足夠的耐心，持之以恒的毅力，堅強的意志以及實是求是，一絲不茍的精神，才能開發(fā)出理想的設計出來。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 梅麗鳳等編著 單片機原理及接口技術 清華大學出版社2009.7</p><p>　　[2]

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