电烤箱的智能温控仪表设计课程设计说明书

电烤箱的智能温控仪设计课程设计说明书 电烤箱的智能温控仪表设计 本文介绍了以 STC89C51 单片机为核心的电烤箱温 度控制系统。电烤箱的温度控制系统有两个部分组成:硬件部分和软件部分。其中 硬件部分包括:单片机电路、传感器电路、放大器电路、转换器电路、以及键盘和 显示电路。软件部分包括:主程序、运算控制程序、以及各功能实现模块的程序， 以如下设计为要求: ?电烤箱由 1kW 电加热器加热，最高温度为 120?C。 ?电 烤箱的温度可以设置，电烤过程恒温控制为设置的温度，温度控制误差??2?C。 ? 可以实时显示设置温度和实际温度，显示精度为 1?C。 ?当实际温度超出设置温 度?5?C 时发出报警 ?采用 STC89C51 单片机和 12Hz 的晶振;采用 AD590 温 度传感器 。 ?采用位式控制、并用晶闸管过零驱动 1000W 电加热器(电源电压 为 。AC220V) 文章最后对本设计进行了。对温度控制系统的发展提出了几 点建议。关键词 :单片机 ; 温度 ; 电烤箱 ; 控制 目 录 前 言 ................................................. 4 第 1 章 概 述 ......................................... 4 1.1 技 术指标 ........................................ 4 1.2 控制 ........................................ 4 第 2 章 电烤箱的智能温控仪表硬件部分设计 ............... 5 2.1 硬件部 分 ........................................ 52.2 单片机电路设 计……………………………………………………………5 2.2.1 中央处理器 CPU ............................... 6 2.2.2 运算器 ...................................... 6 2.2.3 STC89C51 单 片机引脚功能 ...................... 7 2.2.4 引脚功能 .................................... 8 2.2.5 控制 ........................ 9 2.2.6 STC89C51 单片机的存储器结构 .................. 9 线 .............. 2.2.7 STC89C51 单片机的并行 I/O 端口 ................ 9 2.2.8 STC89C51 单片机时钟 电路及时序 ............... 10 2.2.9 复位电路 ................................... 11 2.2.10 STC89C51 单片机的指令系统 .................. 11 2.3 传感器电路设计 ................................. 11 2.3.1 传感器概述 ................................. 11 2.3.2 传感器的基本特性 ........................... 12 2.3.3 热电阻的测量电路及应用 ..................... 17 2.4 A/D 转换电路设 计 ................................ 14 2.4.1 逐次逼近型 A/D 转换器 ADC0809 ................ 18 2.5 放大器电路设计 ................................. 20 2.5.1 交流放大器电路 ............................. 20 2.5.2 直流放大器电路 ............................. 20 2.5.3 运算放大器电路 ............................. 20 2.6 键盘及显示电路的设计 ........................... 21 2.6.1 键盘接口电 路 ............................... 21 2.6.2 LED 显示器接口电路 .......................... 28 2.7 抗干扰 电路设计 ................................. 29 2.7.1 电磁干扰的形成因素 ......................... 30 2.7.2. 干扰的分类 ................................. 30 2.7.3 单片机应用系统电磁干扰控制的一般方 法 ........ 30 2.7.4 硬件抗干扰措施 ............................. 31 第 3 章 软件部分设 计 ................................. 32 3.1 工作流程 ....................................... 32 3.2 功能模 块 ....................................... 33 3.3 资源分配 ....................................... 33 3.4 功能软件 设计 ................................... 33 3.4.1 键盘管理模块 ............................... 33 3.4.2 显示 模块 ................................... 38 3.4.3 温度检测模块 ............................... 31 3.4.4 温度 控制模块 ............................... 43 3.4.5 温度越限报警模块 ........................... 46 3.4.6 主程序和中断服务子程序 ..................... 48 第 4 章 结 论 ......................................... 50 参考文献 ............................................. 51 附录 1…………………………………………………………………… 53 附 录 2………………………………………………………………………53 前 言 随着社会 的不断发展，人们对机械的应用也越来越广，进而人们对机械运动的控制要求亦越来越高。机电控制实现了以电气来控制机械。单片机的出现使机电控制技术突飞猛进。 单片机出现的历史并不长，但发展迅猛。自 1975 年美国德克斯仪器公司首次推出 8 位单片机 TMS-1000 后才开始快速发展。1976 年 9 月，美国Intel 公司首次推出 MCS-48 系列 8 位单片机以后，单片机发展进入了一个新的阶段。1983 年 Intel 公司推出的 MCS-96 系列、1987 年 Intel 公司又推出的 80C96 等位 16 位单片机。近年来各个计算机生产厂家已进入更高性能的 32 位单片机研制、生产阶段。单片机发展之快、品种之多。其中最常用的主要有:AT89 系列单片机、AVR 单片机 Motorola 公司的 M68HC08 系列单片机以及 PIC 单片机。随着社会的发展，单片机的特点体现在体积小、可靠性高、使用方便等方面。 根据温度控制的特点，本次设计采用 STC89C51 单片机为控制核心，采用位式控制算法并用晶闸管过零驱动 1000W 电加热器。实现对电烤箱的温度的控制。通过本次设计进一步详细说明单片机控制系统在社会生活中的应用。为以后进一步应用单片机系统提供帮助。 概述 温度控制是工业生产过程中经常遇到的控制，有些工艺过程对其温度的第1章 控制效果直接影响着产品质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。根据温度变化快慢的特点，并且控制精度不易掌握等特点，本文电烤箱的温度控制为模型，设计了以 STC89C51 单片机为检测控制中心的温度控制系统。温度控制显示采用 3 位 LED 静态显示。该设计结构简单，控制算法新颖，控制精度 电烤箱由 1kW 电加热器高，有较强的通用性。1.1 技术指标功能及技术指标:? 加热，最高温度为 120?C。?电烤箱的温度可以设置，电烤过程恒温控制为设置的温度，温度控制误差??2?C。?可以实时显示设置温度和实际温度，显示精度为 1?C。?当实际温度超出设置温度?5?C 时发出报警?采用 STC89C51 单片机和 12Hz 的晶振;采用 AD590 温度传感器 。?采用位式控制、并用晶闸管过零驱动 1000W 电加热器(电源电压为 。AC220V)1.2 控制方案 位式控制 位式控制就是通断控制。如果设定值为 A，当系统的输入值小于 A 或大于 A 时，输出的控制信号只有 0 和 1 两种状态，称为二位式控制。 举个例子:假设 x 表示水箱的实际水位、A 表示设定的水位控制高度，y表示输出的控制信号，则:当实际水位 x 低于设定的 A 时，y1，水泵导通，水箱开始进水;当水位达到或超出了 A 时，y0，水泵关断，水箱停止进水。 晶闸管过零驱动 双向晶闸管在单片机控制系统中，常作为功率驱动器件，特别适合做交流无触点开关使用。双向晶闸管接通的一般都是功率较大的电器，且连接在强电网络中，因此对单片机的控制信号会造成较大的干扰。所以在一般情况下，都通过光电耦合器将单片机与双向晶闸管隔离。另外，为了进一步减小双向晶闸管触发时产生的干扰，双向晶闸管的触发常采用过零触发电路，也称为过零驱动电路。过零触发，就是在电压为零或零附近的瞬间接通。由于采用了过零触发，所以在晶闸管的控制电路中，还需要有交流电的过零检测电路。 双向晶闸管(也称为双向可控硅)过零触发电路主要应用于单片机系统的交流负载控制电路，可以控制电炉等大功率交流设备。当过零检测电路检测到交流电压过零时，便产生中断请求，只要在中断服务程序中通过单片机的 P1.0 引脚发出触发脉冲，即可触发双向可控硅导通。 第2章 电烤箱的智能温控仪表硬件部分设计2.1 硬件部分 系统的硬件部分包括单片机电路、A/D 转换器、放大器、传感器、键盘及显示电路五大部分。其各部分连接关系如图 2-1 所示。 人主人人人人 温温温温 温温温温 人人 A/D转转转 变变转 热热热 键键 主主 温温可温人人 光光 驱驱转 可可可 热电 声声声声 调调转 图 2-1 电烤箱温度控制系统结构 2.2 单片机电路设计 随着社会发展，单片机以其体积小、可靠性高、使用方便的特点在社会生活中达到广泛应用。根据温度控制特点，本次设计采用 STC89C51。以下对其进行详细介绍。 STC89C51 单片机是美国 Intel 公司的 8 位高档单片机的系列。也是目前应用最为广泛的一种单片机系列。其内部结构简化框图如下所示。STC89C51系列单片机主要有 CPU、存储器，IO 接口电路及时钟电路等部分组成。2.2.1 中央处理器 CPU 中央处理器 CPU 是单片机的核心。是计算机的控制指挥的中心。同一般微机的 CPU 类似。STC89C51 单片机内部 CPU 包括控制器和运算器。如图2.1.2-12.2.2 运算器 STC89C51 运算器电路以算术逻辑单元 ALU 为核心。有累加器 ACC、寄存器 B、暂存器 1、暂存器 2、程序状态寄存器 PSW 和布尔处理机共同组成。它主要完成数据的算术运算、逻辑运算、位变量处理和数据传输操作。运算结果的状态由程序寄存器 PSW 保存。A. 算术逻辑单元 ALU 与累加器 ACC、寄存器 B 算术逻辑 ”算。而且还单元 ALU 不但能完成 8 位二进制的加、减、乘、除等算数的运 “或能对 8 位变量进行逻辑“与” “异或”循环位移等逻辑的运算。累加器 ACC简称累加器 A 为一个 8 位寄存器，它是 CPU 中使用最频繁寄存器。专门存放操作数或运算结果。 图 2.2.2-1 STC89C51 单片机内部结构简化框图2.2.3 STC89C51 单片机引脚功能 STC89C51 系列单片机的封装形式有两种:一种是双列直插方式的封装;另一种是方形的封装。STC89C51 单片机 40 个引脚及总线结构图如下所示。其 CMOS 工艺制造的低地功耗芯片也有采用方形的封装。但为 44 个引脚，其中 4 个引脚是不使用的。由于 STC89C51 单片机是高性能的单片机。同时受到引脚数目的限制，所以有部分引脚具有第二功能。如图 2.1.3-1 单片机引脚图。 a.主电源引脚 主电源引脚两根:VCC 接5V 电源正端;VSS 接5V 电源地端。 b.外接晶体引脚两根 XTAL1:接外部石英体和微调电源一端。 XTAL2:接外部晶体和微调电容另一端。 其中，对用外部时钟时，对于 HMOS 单片机XTAL1 脚接地，XTAL2 脚作为外部振荡信号输入端。对 CHMOS 单片机 XTAL1 脚作为外部振荡信号的输入端，XTAL2 脚空不接。 图 2.2.3-1 单片机引脚图2.2.4 引脚功能 IO 引脚共 32 根。 A(PO 口:P0.0-P0.7 统称为 PO 口是 8 位双向 I/O 口线。P0 口即可作为地址/数据总线使用，又可作为通用的 I/O 口线。在不接片外存储器与不扩展 I/O 口时，可作为准双向输入/输出口。在接有片外存储器或扩展 I/O 时，P0 口分时复用为低 8 位地址总线和双向数据的总线。 B(P1 口:P1.0-P1.7 统称为 P1 口。是 8 位准双向 I/O 口线。P1 口作为通用 I/O 口使用。 C(P2 口:P2.0-P2.7 统称为 P2 口。是 8 位准双向 I/O 口线。P2 口即可作为通用的 I/O 口使用。也可作为片外存储器的高 8 位地址线。与 P0 口组成 16 位片外存储器单元地址。 P3 口的第二功能如下表所示: P3 口的第二功能 P3.0 RXD 串行口输入 P3.1 TXD 串行口输出 P3.2 IM 0 外部中断 0 输入 P3.3 IM 1 外部中断 1 输入 P3.4 T0 定时/计数器 0 计数输入 P3.5 T1 定时/计数器 1 输入 P3.6 WR 片外 RAM 写选通信号(输出) P3.7 RD 片外 RAM 读选通信号(输出)2.2.5 控制线 控制线共四根。 A:ALE/PROG 地址锁存有效信号输出率。 B:PSEN 片外程序存储器读选通信号输出端低电平有效。 C:RST/VPD 复位信号备用电源输入信号。 D:EA/VPP 片外程序存储器选用端。2.2.6 STC89C51 单片机的存储器结构 STC89C51 单片机的存 储器物理结构上分为片内数据存储器、片内程序存储器、片外数据存储器和片外程序存储器等 4 个存储空间。2.2.7 STC89C51 单片机的并行 I/O 端口 STC89C51 单片机有 4 个 8 位并行 I/O 端口(P0、P1、P2、P3)每个端口都各有 8 条 I/O 口线，每条 I/O 口线都独立地用作输入输出，在具有片外扩展存储器的系统中，P2 口送出高 8 位地址，P0 口分时送出低 8 位地址和8 位数据。 各端口的功能不同，结构上也有差异，但是每个端口的 8 位结构是完全相同的。如图 2.1.7-1 I/O 口位结构图所示。 a.P0 口，P0 口是一个三态双向口，可作为地址/数据分时复用口，也可作为通用 I/O 接口。 b.P1 口，P1 口为准双向口，它在结构上与 P0 口的区别在与输出驱动部分。其输出驱动部分由场效应管 V1 与内部上拉电阻组成，当某位输出高电平时，可以提供上拉电流负载，不必像 P0 口上那样需要外接上拉电阻。 c.P2 口，P2 口也为准双向口。其具有通用 I/O 接口或高 8 位地址总线输出两种功能，所以其输出驱动结构比 P1 口输出驱动结构多了一个输出模拟转换开关 MUX 和反相器 3。 d.P3 口 P3 口的输出驱动由与非门 3 和 V1 组成，比 P0、 P2 口结构多了一个缓冲器 4。P3 口除了可为通用准双向 I/O 接口外，每一P1、 根线还具有第二功能。 图 2.2.7-1 I/O 口位结构图2.2.8 STC89C51 单片机时钟电路及时序 a.时钟电路 STC89C51 单片机的时钟信号通常有两种方式产生:一种是内部的方式，一种是外部的方式。图 2.2.8-1、2.2.8-2 所示。 b.时序 STC89C51 单片机指令字节数和机器周期数可分为六类。即单字节单机器周期指令、单字节双机器周期指令、单字节四机器周期指令、双字节单机器指令、双字节双机器周期指令和三字节双机器周期指令。 图 2.2.8-1 内部方式时钟电路 图 2.2.8-2 外部方式 时钟电路2.2.9 复位电路 复位是通过某种方式，使单片机内各寄存器的值变为初值状态操作，STC89C51 单片机在时钟电路工作以后，在 RST/VPD 端持续给出两个机器周期的高电平就可以完成复位操作。复位分为上电复位和按键手动复位两种方式。STC89C51 单片机复位状态如下所示: 寄存器 复位状态 寄存器 复位状态 PC 0000H ACC 00H B 00H PSW 00H SP 07H DPTR 0000H P0-P1 OFFH IP XXX00000B IE 0XX00000B TMOD 00H TCON 00H TL0、TL1 00H TH0、TH1 00H SCON 00H SBUF 不定 PCON 0XXX0000B2.2.10 STC89C51 单片机的指令系统 控制计算机与操作指令是一组二进制编码，称之为机器语言。计算机只能识别和执行机器语言指令。STC89C51 单片机指令与指令系统共有 111 条指令，从功能上可分成数据传输类指令、算术运算指令、逻辑运算和移位指令、程序控制转移类指令和位操作指令五大类。2.3 传感器电路设计2.3.1 传感器概述 根据国家，传感器定义是:能感受规定的被测量并按照一定得规律转换成可用输出信号器件或装置。 传感器一般由敏感元件，转换元件和转换电路三部分组成。其组成框图如 2.2.1-1 所示。 图 2.3.1-1 传感器组成框图 敏感元件:它是直接感受被测量并输出与被测量成确定关系某一种量的元件。 转换元件:敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。转换电路，上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。 传感器按其工作原理可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器。 物理传感器是利用某些变换元件的物理性质，及某些动作功能材料的特殊物理性能制成的传感器。 化学传感器是利用电化反应的原理，把无机和有机化学物质成分。浓度等转换为电信号传感器。 生物传感器是一种利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质传感器。 随着科学技术发展和社会进步的需要，推动着传感器技术的迅速发展。目前 传感器技术的发展方向主要有开发新型传感器、开发新材料、采用新工艺、集成化多功能化与智能化等几个方面。2.3.2 传感器的基本特性 根据被测量的变化状态，可以把传感器输入量分为静态量和动态量两大类。静态量指传感器的输入量位程序状态信号或变化及其缓慢的准静态信号;动态量指传感器的输入量为周期信号、瞬变信号或随机信号等时间变化的信号。其中，传感器的静态特性是指传感器在被测量处于稳定状态下的输出输入关系。传感器的静态特性是在静态标准工作条件测定的。衡量传感器静态静态特性的主要技术指标有量程、线性度、迟滞、重复性、灵敏度、漂移。传感器的动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。 A.传感器的技术性能指标及改善性能途径 传感器技术性能指标 传感器动态性能指标 量程指标:包括测量范围、过载能力。 灵敏度指标:包括灵敏度、分辨力、满量程输出、输出输入阻抗。 、重复性、线性、滞后、灵敏度误 A. 精度有关指标:包括精度(误差)差、阀值稳定性、、漂移。 B. 动态性能指标:包括固有频率阻尼系数、时间常数、频响范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间。 C. 环境参数指标 a.温度指标包括工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后。 b.抗冲击振动指标:包括各向冲击振动的频率、振幅、加速度、冲击振动引入的误差。 c.其他环境参数:包括抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁场干扰能力。 C.可靠性指标: 包括工作寿命，平均故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻耐压弧性能。 D(其他指标: a(使用方面:包括供电方式、电压幅度与稳定性功能、各项分布参数。 b(结构方面:名手外形尺寸质量、壳体材质、结构特点。 c. 要装连接方面:包括安装方式、馈成、电缆。 改善传感器性能的技术途经: a(差动技术 b.平均技术 c.零示法和微差法 d.闭环技术 e.屏蔽隔离子干扰抑制 f.补偿修正技术 g.稳定性处理。 根据本设计要求选用热电式传感器。 将被测量变化转换成热生电动势传感器称热电式传感器、热电式传感器可将温度及温度相关的信号转化为电量输出、热电式传感器有热电阻、热敏电阻、热电效方式等各种类型。 根据电烤箱特点采用热电阻传感器。 热电阻利用金属导体的电阻值随温度升高而增大的特性来来进行了温度测量的，常用测量范围为-20。C 150。C。随着其技术的发展，其测温范围也不断扩大，低温已可测量 1K3K高温则可测量1000。C 1300。C 热电阻力传感器的主要优点有: A.测量精度高，热电阻材料电阻温度特性稳定，重复性好， 不存在热电偶.