基于AT89C51單片機電烤箱的溫度控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn).doc

XXX 大學本科畢業(yè)設計 I 基于單片機的電烤箱控制系統(tǒng)設計 學生 XXX 指導教師 XX 內容摘要 隨著社會的不斷發(fā)展 人們改造自然的能力也在不斷的提高 機器的誕 生 為我們減少了部分或者全部的腦力勞動和體力勞動 電子技術的誕生更是帶來了 翻天覆地的變化 機電控制系統(tǒng)成為機械技術與微電子技術集成的共性關鍵技術 人 們通過它可以使機械完全按照自己的意愿來執(zhí)行 隨著機電控制技術的發(fā)展 主要體現(xiàn)出了單片機和 PLC 兩種控制方式 本設計采 用單片機控制 單片機在日常生活中的運用越來越廣泛 溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常 遇到 從石油化工到電力生產(chǎn) 從冶金到建材 從食品到機械都要對溫度進行控制 甚 至在有些產(chǎn)品生產(chǎn)過程中溫度的控制直接影響到產(chǎn)品的質量 單片機溫度控制無論是 現(xiàn)在還是未來都會起到重要作用 本文介紹了以 AT89C51 單片機為核心的電烤箱溫度控制系統(tǒng) 電烤箱的溫度控制 系統(tǒng)有兩個部分組成 硬件部分和軟件部分 其中硬件部分包括 單片機電路 傳感 器電路 放大器電路 轉換器電路 以及鍵盤和顯示電路 軟件部分包括 主程序 運算控制程序 以及各功能實現(xiàn)模塊的程序 文章最后對本設計進行了總結 對溫度 控制系統(tǒng)的發(fā)展提出了幾點建議 關鍵詞 單片機 溫度 電烤箱 控制 XXX 大學本科畢業(yè)設計 II Single chipSingle chip basedbased onon thethe oven soven s temperaturetemperature controlcontrol systemsystem designdesign Abstract Abstract With the continuous development of society people s ability to transform nature of the advance has been The birth of the machine for us to reduce some or all of the mental and physical The birth of electronic technology has brought even more earth shaking changes Electrical and mechanical engineering control systems become integrated with the microelectronic technology common key technologies People can make through its machinery in full accordance with the wishes of their own to implement With the development of electrical and mechanical control techniques mainly reflecting the two types of single chip computer and PLC control The design uses a single chip control Single chip microcomputer use in their daily lives more and more widely Temperature control in industrial production are often encountered Chemicals from oil to electricity production Or even some products in the production process control of temperature directly affects the quality of the product Single chip temperature control both now and will play an important role in the future This paper introduces the AT89C51 single chip microcomputer as the core of the oven temperature control system Hardware components which include Single chip circuit sensor circuit amplifier circuit converter circuit as well as the keyboard and display circuit Software include the main program operator control procedures as well as the realization of the functional modules of the program Finally Keywords Keywords Microcontroller Temperature Electric ovens Control XXX 大學本科畢業(yè)設計 III 目 錄 前 言 1 1 概 述 1 1 1 技術指標 1 1 2 控制方案 2 2 硬件部分設計 2 2 1 單片機電路設計 2 2 1 1 中央處理器 CPU 2 2 1 2 運算器 3 2 1 3 AT89C51 單片機引腳功能 4 2 1 4 引腳功能 5 2 1 5 控制線 6 2 1 6 AT89C51 單片機的存儲器結構 6 2 1 7 AT89C51 單片機的并行 I O 端口 6 2 1 8 AT89C51 單片機時鐘電路及時序 7 2 1 9 復位電路 7 2 1 10 AT89C51 單片機的指令系統(tǒng) 8 2 2 傳感器電路設計 8 2 2 1 傳感器概述 8 2 2 2 傳感器的基本特性 9 2 2 3 熱電阻的測量電路及應用 10 2 3 A D 轉換電路設計 11 2 3 1 逐次逼近型 A D 轉換器 ADC0809 11 XXX 大學本科畢業(yè)設計 IV 2 4 放大器電路設計 14 2 4 1 交流放大器電路 14 2 4 2 直流放大器電路 17 2 4 3 運算放大器電路 17 2 4 4 集成運算放大器概述 18 2 5 鍵盤及顯示電路的設計 18 2 5 1 鍵盤接口電路 18 2 5 2 LED 顯示器接口電路 20 2 6 抗干擾電路設計 21 2 6 1 電磁干擾的形成因素 22 2 6 2 干擾的分類 22 2 6 3 單片機應用系統(tǒng)電磁干擾控制的一般方法 22 2 6 4 硬件抗干擾措施 22 3 軟件部分設計 23 3 1 工作流程 23 3 2 功能模塊 24 3 3 資源分配 24 3 4 功能軟件設計 24 3 4 1 鍵盤管理模塊 24 3 4 2 顯示模塊 27 3 4 3 溫度檢測模塊 29 3 4 4 溫度控制模塊 30 3 4 5 溫度越限報警模塊 32 3 4 6 主程序和中斷服務子程序 33 XXX 大學本科畢業(yè)設計 V 4 結 論 35 附 錄 37 參考文獻 38 XXX 大學本科畢業(yè)設計 1 基于單片機的電烤箱控制系統(tǒng)設計 前 言 隨著社會的不斷發(fā)展 人們對機械的應用也越來越廣 進而人們對機械運動的控 制要求亦越來越高 機電控制實現(xiàn)了以電氣來控制機械 單片機的出現(xiàn)使機電控制技 術突飛猛進 單片機出現(xiàn)的歷史并不長 但發(fā)展迅猛 自 1975 年美國德克斯儀器公司首次推出 8 位單片機 TMS 1000 后才開始快速發(fā)展 1976 年 9 月 美國 Intel 公司首次推出 MCS 48 系列 8 位單片機以后 單片機發(fā)展進入了一個新的階段 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 位單片機 近年來各個計算 機生產(chǎn)廠家已進入更高性能的 32 位單片機研制 生產(chǎn)階段 單片機發(fā)展之快 品種之 多 其中最常用的主要有 AT89 系列單片機 AVR 單片機 Motorola 公司的 M68HC08 系 列單片機以及 PIC 單片機 隨著社會的發(fā)展 單片機的特點體現(xiàn)在體積小 可靠性高 使用方便等方面 根據(jù)溫度控制的特點 本次設計采用 AT89C51 單片機為控制核心 采用數(shù)字 PID 控制算法 實現(xiàn)對電烤箱的溫度的控制 通過本次設計進一步詳細說明單片機控制系 統(tǒng)在社會生活中的應用 為以后進一步應用單片機系統(tǒng)提供幫助 1 概 述 溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的控制 有些工藝過程對其溫度的控制效果 直接影響著產(chǎn)品質量 因而設計一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的 根據(jù) 溫度變化快慢的特點 并且控制精度不易掌握等特點 本文電烤箱的溫度控制為模型 設計了以 AT89C51 單片機為檢測控制中心的溫度控制系統(tǒng) 溫度控制采用 PID 數(shù)字控 制算法 顯示采用 3 位 LED 靜態(tài)顯示 該設計結構簡單 控制算法新穎 控制精度高 有較強的通用性 1 1 技術指標 電烤箱的具體指標如下 a 電烤箱由 2 千瓦電爐加熱 最高溫度為 500 b 電烤箱溫度可預置 烤干過程恒溫控制 溫度控制誤差小于或者等于 2 c 預置時顯示設定溫度 烤干時顯示實時溫度 顯示精確到 1 d 溫度超出預置溫度 5 時發(fā)聲報警 XXX 大學本科畢業(yè)設計 2 e 對升降溫過程的線性是沒有要求的 1 2 控制方案 產(chǎn)品的工藝不同 控制溫度的精度也不同 因而所采用的控制算法也不同 就溫 度控制系統(tǒng)的動態(tài)的特性來講 基本上都是具有純滯后的一階環(huán)節(jié) 當系統(tǒng)精度及溫 控的線性性能要求較高時 多采用 PID 算法來實現(xiàn)溫度的控制 本系統(tǒng)是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng) 從技術指標可以看出 系統(tǒng)對控制精度的要 求不高 對升降溫過程的線性也沒有要求 因此 系統(tǒng)采用最簡單的通斷控制方式 當烘干箱溫度達到設定值時斷開加熱電爐 當溫度降到低于某值時接通電爐開始加熱 從而保持恒溫的控制 2 硬件部分設計 系統(tǒng)的硬件部分包括單片機電路 A D 轉換器 放大器 傳感器 鍵盤及顯示電路 五大部分 其各部分連接關系如圖 2 1 所示 圖 2 1 電烤箱溫度控制系統(tǒng)結構 2 1 單片機電路設計 隨著社會發(fā)展 單片機以其體積小 可靠性高 使用方便的特點在社會生活中達 到廣泛應用 根據(jù)溫度控制特點 本次設計采用 AT89C51 以下對其進行詳細介紹 AT89C51 單片機是美國 Intel 公司的 8 位高檔單片機的系列 也是目前應用最為廣 泛的一種單片機系列 其內部結構簡化框圖如下所示 AT89C51 系列單片機主要有 CPU 存儲器 I O 接口電路及時鐘電路等部分組成 2 1 1 中央處理器 CPU A D XXX 大學本科畢業(yè)設計 3 中央處理器 CPU 是單片機的核心 是計算機的控制指揮的中心 同一般微機的 CPU 類似 AT89C51 單片機內部 CPU 包括控制器和運算器 如圖 2 1 2 1 2 1 2 運算器 AT89C51 運算器電路以算術邏輯單元 ALU 為核心 有累加器 ACC 寄存器 B 暫存 器 1 暫存器 2 程序狀態(tài)寄存器 PSW 和布爾處理機共同組成 它主要完成數(shù)據(jù)的算術 運算 邏輯運算 位變量處理和數(shù)據(jù)傳輸操作 運算結果的狀態(tài)由程序寄存器 PSW 保 存 A 算術邏輯單元 ALU 與累加器 ACC 寄存器 B 算術邏輯單元 ALU 不但能完成 8 位二進制的加 減 乘 除等算數(shù)的運算 而且 還能對 8 位變量進行邏輯 與 或 異或 循環(huán)位移等邏輯的運算 累加器 ACC 簡 稱累加器 A 為一個 8 位寄存器 它是 CPU 中使用最頻繁寄存器 專門存放操作數(shù)或運 算結果 圖 2 1 2 1 AT89C51 單片機內部結構簡化框圖 B 程序狀態(tài)寄存器 程序狀態(tài)寄存器 PSW 是一個 8 位的狀態(tài)寄存器 用于存放標志的寄存器 用于存 放指令執(zhí)行后的狀態(tài) 以供程序查詢和判別 PSW 各位的狀態(tài)通常是在指令執(zhí)行的過程 中自動設置 但可以由用戶根據(jù)需要指令加以改變 狀態(tài)寄存器共有進位標志位 CY 輔助進位標志位 或稱半進位 AC 用戶自定義標志位 F0 工作寄存器組選擇位 RS1 RS0 溢出標志位 OV 奇偶標志位 P XXX 大學本科畢業(yè)設計 4 C 控制器 控制部件是單片機的神經(jīng)中樞 它包括程序計數(shù)器 PC 指令寄存器 IR 指令譯碼 器 ID 數(shù)據(jù)指針 DPTR 堆棧指針 SP 緩沖器和定時器控制電路 它先以主振頻率為基 準發(fā)出 CPU 的時序對指令進行譯碼 然后發(fā)出各種控制信號 完成一系列定時控制微 操作 用來協(xié)調單片機各部分的正常工作 2 1 3 AT89C51 單片機引腳功能 AT89C51 系列單片機的封裝形式有兩種 一種是雙列直插方式的封裝 另一種是方 形的封裝 AT89C51 單片機 40 個引腳及總線結構圖如下所示 其 CMOS 工藝制造的低地 功耗芯片也有采用方形的封裝 但為 44 個引腳 其中 4 個引腳是不使用的 由于 at89C51 單片機是高性能的單片機 同時受到引腳數(shù)目的限制 所以有部分引腳具有第 二功能 如圖 2 1 3 1 單片機引腳圖 a 主電源引腳 主電源引腳兩根 VCC 接 5V 電源正端 VSS 接 5V 電源地端 b 外接晶體引腳兩根 XTAL1 接外部石英體和微調電源一端 XTAL2 接外部晶體和微調電容另一端 其中 對用外部時鐘時 對于 HMOS 單片機 XTAL1 腳接地 XTAL2 腳作為外部振蕩 信號輸入端 對 CHMOS 單片機 XTAL1 腳作為外部振蕩信號的輸入端 XTAL2 腳空不接 XXX 大學本科畢業(yè)設計 5 圖 2 1 3 1 單片機引腳圖 2 1 4 引腳功能 I O 引腳共 32 根 A PO 口 P0 0 P0 7 統(tǒng)稱為 PO 口是 8 位雙向 I O 口線 P0 口即可作為地址 數(shù)據(jù) 總線使用 又可作為通用的 I O 口線 在不接片外存儲器與不擴展 I O 口時 可作為 準雙向輸入 輸出口 在接有片外存儲器或擴展 I O 時 P0 口分時復用為低 8 位地址總 線和雙向數(shù)據(jù)的總線 B P1 口 P1 0 P1 7 統(tǒng)稱為 P1 口 是 8 位準雙向 I O 口線 P1 口作為通用 I O 口使用 C P2 口 P2 0 P2 7 統(tǒng)稱為 P2 口 是 8 位準雙向 I O 口線 P2 口即可作為通用 的 I O 口使用 也可作為片外存儲器的高 8 位地址線 與 P0 口組成 16 位片外存儲器 單元地址 P3 口的第二功能如下表所示 P3 口的第二功能 P3 0 RXD 串行口輸入 P3 1 TXD 串行口輸出 P3 2 0IM 外部中斷 0 輸入 P3 3 1IM 外部中斷 1 輸入 XXX 大學本科畢業(yè)設計 6 P3 4 T0 定時 計數(shù)器 0 計數(shù)輸入 P3 5 T1 定時 計數(shù)器 1 輸入 P3 6 WR 片外 RAM 寫選通信號 輸出 P3 7 RD 片外 RAM 讀選通信號 輸出 2 1 5 控制線 控制線共四根 A ALE PROG 地址鎖存有效信號輸出率 B PSEN 片外程序存儲器讀選通信號輸出端低電平有效 C RST VPD 復位信號備用電源輸入信號 D EA VPP 片外程序存儲器選用端 2 1 6 AT89C51 單片機的存儲器結構 AT89C51 單片機的存儲器物理結構上分為片內數(shù)據(jù)存儲器 片內程序存儲器 片外 數(shù)據(jù)存儲器和片外程序存儲器等 4 個存儲空間 2 1 7 AT89C51 單片機的并行 I O 端口 AT89C51 單片機有 4 個 8 位并行 I O 端口 P0 P1 P2 P3 每個端口都各有 8 條 I O 口線 每條 I O 口線都獨立地用作輸入輸出 在具有片外擴展存儲器的系統(tǒng)中 P2 口送出高 8 位地址 P0 口分時送出低 8 位地址和 8 位數(shù)據(jù) 各端口的功能不同 結構上也有差異 但是每個端口的 8 位結構是完全相同的 如圖 2 1 7 1 I O 口位結構圖所示 a P0 口 P0 口是一個三態(tài)雙向口 可作為地址 數(shù)據(jù)分時復用口 也可作為通用 I O 接口 b P1 口 P1 口為準雙向口 它在結構上與 P0 口的區(qū)別在與輸出驅動部分 其輸 出驅動部分由場效應管 V1 與內部上拉電阻組成 當某位輸出高電平時 可以提供上拉 電流負載 不必像 P0 口上那樣需要外接上拉電阻 c P2 口 P2 口也為準雙向口 其具有通用 I O 接口或高 8 位地址總線輸出兩種功 能 所以其輸出驅動結構比 P1 口輸出驅動結構多了一個輸出模擬轉換開關 MUX 和反相 器 3 d P3 口 P3 口的輸出驅動由與非門 3 和 V1 組成 比 P0 P1 P2 口結構多了一個緩 沖器 4 P3 口除了可為通用準雙向 I O 接口外 每一根線還具有第二功能 XXX 大學本科畢業(yè)設計 7 圖 2 1 7 1 I O 口位結構圖 2 1 8 AT89C51 單片機時鐘電路及時序 a 時鐘電路 AT89C51 單片機的時鐘信號通常有兩種方式產(chǎn)生 一種是內部的方式 一種是外部 的方式 圖 2 1 8 1 2 1 8 2 所示 b 時序 AT89C51 單片機指令字節(jié)數(shù)和機器周期數(shù)可分為六類 即單字節(jié)單機器周期指令 單字節(jié)雙機器周期指令 單字節(jié)四機器周期指令 雙字節(jié)單機器指令 雙字節(jié)雙機器 周期指令和三字節(jié)雙機器周期指令 圖 2 1 8 1 內部方式時鐘電路 圖 2 1 8 2 外部方式時鐘電路 2 1 9 復位電路 復位是通過某種方式 使單片機內各寄存器的值變?yōu)槌踔禒顟B(tài)操作 AT89C51 單片 XXX 大學本科畢業(yè)設計 8 機在時鐘電路工作以后 在 RST VPD 端持續(xù)給出兩個機器周期的高電平就可以完成復 位操作 復位分為上電復位和按鍵手動復位兩種方式 AT89C51 單片機復位狀態(tài)如下所 示 寄存器 復位狀態(tài) 寄存器 復位狀態(tài) 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 0XXX0000B 2 1 10 AT89C51 單片機的指令系統(tǒng) 控制計算機與操作指令是一組二進制編碼 稱之為機器語言 計算機只能識別和 執(zhí)行機器語言指令 AT89C51 單片機指令與指令系統(tǒng)共有 111 條指令 從功能上可分成 數(shù)據(jù)傳輸類指令 算術運算指令 邏輯運算和移位指令 程序控制轉移類指令和位操 作指令五大類 2 2 傳感器電路設計 2 2 1 傳感器概述 根據(jù)國家標準 傳感器定義是 能感受規(guī)定的被測量并按照一定得規(guī)律轉換成可 用輸出信號器件或裝置 傳感器一般由敏感元件 轉換元件和轉換電路三部分組成 其組成框圖如 2 2 1 1 所示 圖 2 2 1 1 傳感器組成框圖 敏感元件 它是直接感受被測量并輸出與被測量成確定關系某一種量的元件 轉換元件 敏感元件的輸出就是它的輸入 它把輸入轉換成電路參量 轉換電路 上述電路參數(shù)接入轉換電路 便可轉換成電量輸出 傳感器按其工作原理可分為物理傳感器 化學傳感器 生物傳感器 XXX 大學本科畢業(yè)設計 9 物理傳感器是利用某些變換元件的物理性質 及某些動作功能材料的特殊物理性 能制成的傳感器 化學傳感器是利用電化反應的原理 把無機和有機化學物質成分 濃度等轉換為 電信號傳感器 生物傳感器是一種利用生物活性物質的選擇性來識別和測定生物化學物質傳感器 隨著科學技術發(fā)展和社會進步的需要 推動著傳感器技術的迅速發(fā)展 目前傳感 器技術的發(fā)展方向主要有開發(fā)新型傳感器 開發(fā)新材料 采用新工藝 集成化多功能 化與智能化等幾個方面 2 2 2 傳感器的基本特性 根據(jù)被測量的變化狀態(tài) 可以把傳感器輸入量分為靜態(tài)量和動態(tài)量兩大類 靜態(tài) 量指傳感器的輸入量位程序狀態(tài)信號或變化及其緩慢的準靜態(tài)信號 動態(tài)量指傳感器 的輸入量為周期信號 瞬變信號或隨機信號等時間變化的信號 其中 傳感器的靜態(tài) 特性是指傳感器在被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)下的輸出輸入關系 傳感器的靜態(tài)特性是在靜 態(tài)標準工作條件測定的 衡量傳感器靜態(tài)靜態(tài)特性的主要技術指標有量程 線性度 遲滯 重復性 靈敏度 漂移 傳感器的動態(tài)特性是指傳感器對隨時間變化的輸入量 的響應特性 A 傳感器的技術性能指標及改善性能途徑 傳感器技術性能指標 傳感器動態(tài)性能指標 量程指標 包括測量范圍 過載能力 靈敏度指標 包括靈敏度 分辨力 滿量程輸出 輸出輸入阻抗 A 精度有關指標 包括精度 誤差 重復性 線性 滯后 靈敏度誤差 閥值 穩(wěn)定性 漂移 B 動態(tài)性能指標 包括固有頻率阻尼系數(shù) 時間常數(shù) 頻響范圍 頻率特性 臨 界頻率 臨界速度 穩(wěn)定時間 C 環(huán)境參數(shù)指標 a 溫度指標包括工作溫度范圍 溫度誤差 溫度漂移 溫度系數(shù) 熱滯后 b 抗沖擊振動指標 包括各向沖擊振動的頻率 振幅 加速度 沖擊振動引入的 誤差 c 其他環(huán)境參數(shù) 包括抗潮濕 抗介質腐蝕能力 抗電磁場干擾能力 XXX 大學本科畢業(yè)設計 10 C 可靠性指標 包括工作壽命 平均故障時間 保險期 疲勞性能 絕緣電阻耐壓弧性能 D 其他指標 a 使用方面 包括供電方式 電壓幅度與穩(wěn)定性功能 各項分布參數(shù) b 結構方面 名手外形尺寸質量 殼體材質 結構特點 c 要裝連接方面 包括安裝方式 饋成 電纜 改善傳感器性能的技術途經(jīng) a 差動技術 b 平均技術 c 零示法和微差法 d 閉環(huán)技術 e 屏蔽隔離子干擾抑制 f 補償修正技術 g 穩(wěn)定性處理 根據(jù)本設計要求選用熱電式傳感器 將被測量變化轉換成熱生電動勢傳感器稱熱電式傳感器 熱電式傳感器可將溫度 及溫度相關的信號轉化為電量輸出 熱電式傳感器有熱電阻 熱敏電阻 熱電效方式 等各種類型 根據(jù)電烤箱特點采用熱電阻傳感器 熱電阻利用金屬導體的電阻值隨溫度升高而增大的特性來來進行了溫度測量的 常用測量范圍為 20 C 150 C 隨著其技術的發(fā)展 其測溫范圍也不斷擴大 低 溫已可測量 1K 3K 高溫則可測量 1000 C 1300 C 熱電阻力傳感器的主要優(yōu)點有 A 測量精度高 熱電阻材料電阻溫度特性穩(wěn)定 重復性好 不存在熱電偶參比端 誤差問題 B 測量范圍較寬 尤其在低溫的方面 C 易于在自動測量或遠距離測量中的使用 常用的熱電陰材料有鉑 銅 鎳 鐵等 2 2 3 熱電阻的測量電路及應用 熱電阻常用接入電橋使用引出線有兩 三線式和四線式三種形式 采用兩線式接 法時 如圖 2 2 3 1 所示 Rt 的接法 引出的導線接于電橋的一個臂上 當由于環(huán)境溫 度或通以電流引起導成溫度變化時 將產(chǎn)生附加的電阻 引起測量誤差 所以 當熱 電阻值較小時 常采用三線式 四線式接法 以消除接線電阻和引線電阻影響 三線式接法是將兩條具有相同溫度特性的導成接于相鄰兩橋臂上 此時由于附加 電阻引起電阻變化是相同的 根據(jù)電橋特性 電橋輸出將互相抵消 XXX 大學本科畢業(yè)設計 11 圖 2 2 3 1 熱電阻傳感器的接線方式 四線式接法 R2 R3 為固定電阻 R1 可調 熱電阻 Rt 通過電阻為 r1 r2 r3 r4 的四要導線和電橋連接 r1 r4 分別串聯(lián)在相鄰兩橋臂內 r2 r3 與電源去路串聯(lián) 將開關接通 調節(jié) R1 使電橋平衡 則 R1 r1 Rt r4 再將開關接通 B 重新調整 R1 使電橋達到新的平衡 則 R1 r1 Rt r1 兩式相加得 Rt 2 11RR 四線式測量方法比較麻煩 一般用于精度要求較高的場合 2 3 A D 轉換電路設計 2 3 1 逐次逼近型 A D 轉換器 ADC0809 a ADC0809 的內部邏輯結構 如圖 2 3 1 1 如圖 多路開關可達通訊員 89 模擬通道 允許 8 路模擬量分時輸入 共用一個 A D 轉換器進行轉換 地址鎖存與譯碼電路完成對 A B C 三個地址供進行鎖存和譯碼 其譯碼輸出用于通道的選擇 8 位 A D 轉換器是逐次逼近式 由控制時序電路 逐次逼近寄存器 樹狀開關以及 其 256R 電阻下型網(wǎng)絡等組成 輸出鎖存器用于存放和輸出轉換得到的數(shù)字量 b ADC0809 的引腳及各引腳功能 XXX 大學本科畢業(yè)設計 12 圖 2 3 1 1 ADC0809 內部邏輯結構圖 ADC0809 的引腳入各引腳雙引直插式封裝 其引腳排列見圖 2 3 1 2 所示 各引腳功能如下 A INT 2NO 8 咱模擬量輸入引腳 ADC0809 對輸入模擬量的要求主要有二信號 的單極性 電壓范圍 0 5V 若信號過小還需要進行放大 另外 在 A D 轉換的過種中 模擬量輸入值不應變化太快 因此 對變化速度快模擬量在輸入前應增加采樣保持電 路 B A B C 地址線 A 為低位地址 C 為高位地址用于對模擬通道進行的選擇 C ALE 地址鎖存允許信號 在對應 ALE 跳轉 A B C 地址狀態(tài)送入地址的鎖 存器中 XXX 大學本科畢業(yè)設計 13 圖 2 3 1 2 ADC0809 引腳功能圖 D Vref 參考電壓正端參考電壓用來與輸入模擬信號進行比較 作為逐次逼近的 基準 其曲型值為 5V Vref 5V Vref 0 D START 轉換啟動信號 START 上跳轉時 所有內部寄存器清 0 START 下跳轉時 開始進行 A D 轉換 在 A D 轉換期間 START 應保持低電平 E DT D0 數(shù)據(jù)輸出線 其為三態(tài)緩沖輸出形式 可以和單片機數(shù)據(jù)線直接相連 F DE 輸出允許信號 ADC0809 的內部設有時鐘電路 所需時鐘 信號由外界提 供 因此有時鐘信號的引腳 通常使用頻率為 500KHZ 時鐘信號 I Vcc 5 電源 2 3 2 AT89C51 單片機與 ADC0809 接口 A 8 路模擬通道選擇 A B C 分別接地址鎖存器提供的低三位地址 只要把三位地址寫入 0809 中的地 址鎖存器就實現(xiàn)了模擬通道選擇 對系統(tǒng)來說 地址鎖存器是一個輸出口 為了把三 位地址寫入 還要提供口地址 B 數(shù)據(jù)的傳輸方式 定時傳輸方式 查詢方式 中斷方式 2 4 放大器電路設計 傳感器是將待測物理量或化學量轉換成電信號的輸出 但其輸出的信號通常的都 很小 需要進行放大 傳感器信號的放大 根據(jù)具體情況可采用分立元件放大器 晶 XXX 大學本科畢業(yè)設計 14 體管放大器 和集成元件放大器 運算放大器 2 4 1 交流放大器電路 a 共發(fā)射極放大電路 A 工作點不穩(wěn)定狀態(tài) 靜態(tài)工作點 Ec Ib Rb IcIb UceEcIcRc 交流等效電路 R fzRcRfz 圖 2 4 1 1 工作點不穩(wěn)定狀態(tài)放大電路 輸入電阻 rsr rbe 當 rbe Rb 時 輸出電阻 rsc Rce Rc rsc 放大倍數(shù) K R fz rbc 此放大器特點 放大倍數(shù)大 B 工作點穩(wěn)定狀態(tài) a 靜態(tài)工作點 由 1 2 11 12Re1 Ue R Ube RR 2 1 EeUeUbe Rc 交流等效電路 R fz1 Rc1 rbe R fz2 Rc2 Rfz 輸入電阻 rsr rbe2 當 rbe1 R1 R2 時 輸出電阻 rsc Rc 放大倍數(shù) K 當 RC1 rb2 時 Usc Usr 1 2 2 1 R fz Rbe 此放大電路特點 放大倍數(shù)大 工作點穩(wěn)定 XXX 大學本科畢業(yè)設計 15 b 靜態(tài)工作點 Ub Ua Ub Ube 1 12 EcRb RbRb Ie Uce Ec Ic Re Rc Re Ue 交流等效電路 R fz Rc Rfz 輸入電阻 rsr rbe 當 rbe Rb1 Rb2 輸出電阻 rsc Rc 放大倍數(shù) K R fz rbe 圖 2 4 1 2 工作點穩(wěn)定狀態(tài) a 類放大器電路 此放大電路特點 rsr 較大 K 1 且與晶體管參數(shù)幾乎無關 圖 2 4 1 3 工作點穩(wěn)定狀態(tài) b 類放大器電路 C 靜態(tài)工作點 Ub Uc 同左 但 Ie Uce Ec Ic Rc Re RF Re Uc RF 交流等效電路 R fz Rc Rfz XXX 大學本科畢業(yè)設計 16 輸入電阻 12 srbbFberRRRr 輸出電阻 當時 bbe sc Rr r eR bbeRr 放大倍數(shù) 當 fzR K RF beRFr 此放大電路特點 大 小 srrscr1K 圖 2 4 1 4 工作點穩(wěn)定狀態(tài) c 類放大器電路 A V 共集電極放大電路 靜態(tài)工作點 c bcbceccc bc E III UEI R RR 交流等效電路 輸入電阻 fzcfzRRR srbfzrRR 放大倍數(shù) 1 1 fz befz R K rR XXX 大學本科畢業(yè)設計 17 圖 2 4 1 5 共集電極放大器電路 B 反饋 凡是引入反饋以后使放大鏡器的放大倍數(shù)減小的稱為負反饋 反之凡是引反饋以 后使放大倍數(shù)增大的稱為正反饋贈 其中換反饋有電壓串聯(lián)負反饋贈 電流串聯(lián)負反 饋贈 電壓并聯(lián)負反饋贈 電流并聯(lián)的負反饋 2 4 2 直流放大器電路 將緩慢直流量信號進行廣大器件稱直流放大器 它與前述交流放大器的區(qū)別是交 流放大器級與級之間加了三個隔離的直電流電容 即耦合電容 而直流放大器級與級 之間沒有這個電路 故直流放大器又稱直接耦合放大器 2 4 3 運算放大器電路 A 概述 在直流差動放大器的輸入端子輸出端之間跨接各種網(wǎng)絡 如電阻 R1 電容 C 等 使構成用來實現(xiàn)信號組合和運算的運算放大器 運算放大器通常是由放大電路組成 輸入級 第一級 由晶體管 T1 和 T2 組成差動放大鏡電路 T3 和 T4 是 T1 和 T2 的有源 負載 T9 是恒流源 第二級放大電路由晶體管 T5 和 T6 組成 T10 是恒流源 T6 的有 源負載 為了獲得輸出阻抗 輸出級 第三級 由晶體管 T7 和 T8 組成 采用互補對 稱放大電路 運算放大器是一種具有高放大倍數(shù) 深度負反饋的直流放大器 便于實現(xiàn)信號的 組合和運算 有很大靈活性 尤其在線性固體組件出現(xiàn)后 有具有體積小 質量輕等 優(yōu)點 所以在實際中應用固體組件運算放大器所組成的電路是多種多樣的 理想運算放大器的特性 a 開環(huán)增益 Ad 無限大 b 輸入阻抗無限大 c 輸出阻抗 Z 為 0 XXX 大學本科畢業(yè)設計 18 圖 2 4 3 1 運算放大器電路圖 d 輸入電壓的失調電壓 rf 為 e 帶寬無限大 f 上述 a e 的特性不隨環(huán)境溫度 的變化而變化 B 運算放大器的典型電路 a 反饋型號放大電路 b 加法放大電路 c 減法放大電路 d 積分電路 e 對數(shù)放大 電路 f 乘法器電路 g 除法器電路 h 比較器電路 i 整流器電路 j 限頻器電路 k 數(shù)據(jù) 放大器電路 l 弱電流放大器 m 電荷放大器電路 2 4 4 集成運算放大器概述 在信號放大 信號的運算 加 法 乘 除 對數(shù) 反對數(shù) 平方 開方 信號 的處理 濾波 調制 以及波形的產(chǎn)生和變換的單元中 運算放大器是它們的核心部 分 由多級直接耦合放大電路組成 主要有 總體 偏置電路 單位增益轉換 電平 轉移 恒流反饋 消振補償?shù)冉M成 主要參數(shù)有 差模開環(huán)增益 或差模開環(huán)放大倍 數(shù) AUD 共模開環(huán)增益 AUC 共模抑制比 KCMR 輸入失調電壓 Vi0 失調電壓溫度系數(shù) aUi0 dUi0 dT 輸入失調電流 Ii0 I1 I 失調電流溫度系數(shù) aI10 dI10 dT 單位增益 寬帶 fBWG 轉換速率 Sr 以及其他參數(shù) 本次設計根據(jù)實際情況采用多級交流放大電路 接線圖見附圖 2 5 鍵盤及顯示電路的設計 2 5 1 鍵盤接口電路 A 鍵盤的工作原理 a 按鍵的確認 在單片機應用系統(tǒng)中 按鍵都是以開關狀態(tài)來設置控制功能或能入數(shù)據(jù)的 鍵的 半合與否 反映在電壓上就是呈高電平或低電平 如果高電平表示斷開的話 那么低 XXX 大學本科畢業(yè)設計 19 電平就是表示閉合 所以通過電平的高代狀態(tài)的檢測 使可以克認按鍵接下與否 b 按鍵的抖動處理 當按鍵被迫按下或釋放時 通常伴隨有一定的時間的觸點機械抖動 然后其獨占 才穩(wěn)定下來 抖動時間一般為 5 10ms 在使用過程 必須去抖措施 去抖有硬件和軟 件兩種方法 硬件方法通常采用通過 RS 觸發(fā)器連接按鍵除抖 軟件方法采用昝方法除 抖 其過程是在檢測到有按鍵按下時 進行一個 10ms 左右的昝程序后 若該鍵仍保持 閉合狀態(tài) 則確認該鍵處于討債狀態(tài) 同理 在檢測到該鍵釋放后 也應珠步驟進行 確認 從而可消除抖動的影響 B 獨立工按鍵 獨立式按鍵是直接用 I O 口線構成的單個按鍵電路 其特點是每個按鍵單獨占用 一根 I O 口線 每個按鍵的工作不會其他 I O 口線的狀態(tài) C 矩陣式按鍵 單片機系統(tǒng)中 若使用按鍵分明 通常采用矩陣式 也稱行列式 鍵盤 如圖 2 5 1 1 所示 一個 4 4 的行列結構可以構成一個含有 16 個按鍵的鍵盤 在矩陣式鍵盤中 行列 式分別連接到按鍵開關的兩端 行式通過二伴電阻接到 5V 上 當無鍵按下時 行式于 高電平狀態(tài) 當有鍵按下時 行列式將貫通 此時 圖 2 5 1 1 矩陣式鍵盤結構 行線電平 將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定 這是識別按鍵是否按下的關鍵 然而 矩陣鍵盤中的行線 列線和多個鍵相邊 各按鍵按下與否均影響該鍵反在行線 和死線的電平 各按鍵間將相互影響 因此必須將行線 列線信號配合起來作適應處 理 才能確定閉合鍵的位置 其中 矩陣式鍵盤有以下幾種工作方式 a 編程掃描方式 XXX 大學本科畢業(yè)設計 20 編程掃描是 CPU 完成其他工作的空余時間 調用鍵盤掃描子程序來響應鍵盤輸入 的要求 在執(zhí)行鍵功能程序時 CPU 不再響應鍵輸入要求 直到 CPU 重新掃描鍵盤為止 鍵盤掃描程序一般應飫以下內容 a 差別有無鍵按下降鍵盤掃描取得閉合鍵的行 列值 b 用計算法或查表法得到鍵值 c 判斷閉合鍵是否釋放 如釋放則繼續(xù)等待 d 將閉合鍵鍵號保存 同時轉去執(zhí)行該執(zhí)行該閉合鍵的功能 b 定時掃描方式 定時掃描方式就是每隔一段時間對鍵盤掃描一次 它利用單片機內部的定時器產(chǎn) 生一定時間定時 當定時時間到就產(chǎn)生定時溢出中斷 CPU 響應中斷后對鍵盤進行掃描 c 中斷掃描方式 為提高 CPU 工作效率 可采用中斷掃描工作方式其工作過和如下 當無鍵接下時 CPU 處理自己的工作 當有鍵接下時產(chǎn)生中斷請求 CPU 轉去執(zhí)行鍵盤掃描子程序 并 識別鍵號 2 5 2 LED 顯示器接口電路 常用 LED 顯示器有 LED 狀態(tài)顯示器 俗稱發(fā)光二極管 LED 七段顯示器 俗稱數(shù)碼 管和 LED 十六段顯示器 發(fā)光二極管可顯示兩種狀態(tài) 用于系統(tǒng)的顯示 數(shù)碼管用于 數(shù)字的顯示 LED 十六段的顯示器 用于字符顯示 A 數(shù)碼管結構 數(shù)碼管由 8 個發(fā)光二極管 以下簡稱字段 構成 通過不同組合可用來顯示數(shù)字 0 9 字符 A F 及小數(shù)點 數(shù)碼管又分為共陰極和共陽極兩種結構 B 數(shù)碼管工作原理 共陽極數(shù)碼管 8 個發(fā)光二級管的陽極 二極管正端 連接在一起 通常會共陽極 接高電平 1 一般接電源 1 當某個陰極接低電平時 則該數(shù)碼管導通并點亮 共陰極數(shù) 碼管 8 個發(fā)光二極管的陰極 二極管負端 連接在一起 公共陰極接低電平 一般接 地 當某個陽極接高電平 則該數(shù)碼管并點亮 C 靜態(tài)顯示接口 靜態(tài)顯示是指數(shù)碼管顯示某一字符時 相應的發(fā)光二極管恒定導通或恒定截止 這種顯示方式各位數(shù)碼管相互獨立 公共端恒定接地 共陰極 獲接正電源 共陽極 每個數(shù)碼管的 8 個字段分別與一個 8 位 I O 地址相連 I O 口只要有斷碼輸出 相應字 符即顯示出來并保持不變直動 I O 口輸出新的端碼采用靜態(tài)顯示的方式 較小的電流 XXX 大學本科畢業(yè)設計 21 即可獲得較大亮度 且占用 CPU 時間少編程簡單 顯示 便于檢測和控制 但其占用 口線多 硬件電路復雜 成本高 只適合于顯示位數(shù)較少場合 D 動態(tài)顯示接口 動態(tài)顯示是一位一位地輪流點亮各位數(shù)碼管 這種逐位點亮顯示方式稱為位掃描 通常各位數(shù)碼管的段選線相應并聯(lián)在一起由 8 位 I O 口控制 各位選線 公共陰極或 陽極 有另外 I O 口線控制 動態(tài)方式顯示時 各數(shù)碼管分時輪流選通 要使穩(wěn)定顯 示 必須采用掃描方式 即在某一時刻只選通一位數(shù)碼管 并送出相應端碼 在另一 位數(shù)碼管并送出相應的端碼 依此規(guī)律循環(huán) 即可使各位數(shù)碼管顯示將要顯示字符 雖然這些字符是在不同時刻分別顯示 但由于人眼存在視覺暫留效應 只要每位顯示 間隔足夠短就可以給人以同時顯示的感覺 圖 2 5 2 1 數(shù)碼管與單片機接口 2 6 抗干擾電路設計 隨著強電弱電設備在通信計算機自動化等領域的廣泛應用 處于同一工作環(huán)境各 種電子電氣電路因距離過近而相互影響 耦合 形成電磁干擾 EMI 電磁干擾已成為 現(xiàn)代電子電氣工程設計和研究人員在設計過程中必須考慮問題 一方面 這是由于當 前電子技術正朝著高速 高靈敏度 高集程度方面的發(fā)展 增加了現(xiàn)代電子設備內部 產(chǎn)生電磁干擾的可能性 另一方面 使用隨著自動化技術裝備的廣泛使用 形成了電 子設備和大功率強電設備在同一場合共存和使用的局面 惡化了電子電路工作的外部 電磁環(huán)境 因此 電磁干擾已成為許多電子設備與系統(tǒng)在環(huán)境正常操作運行主要障礙 之一 XXX 大學本科畢業(yè)設計 22 2 6 1 電磁干擾的形成因素 電池干擾由電磁干擾源發(fā)射經(jīng)過耦合途徑傳輸?shù)奖桓蓴_設備 敏感設備 因此形 成電磁干擾的要素有 電磁干擾源 傳輸通到 敏感設備 2 6 2 干擾的分類 A 按干擾源分為自然干擾和人為干擾 B 按噪聲波形及性質分為持續(xù)正弦波干擾和浪涌脈沖波形干擾以及脈沖列干擾 C 按干擾傳輸系統(tǒng)的方式分為共模干擾 差模干擾 傳導耦合 感應耦合和輻射 耦合 2 6 3 單片機應用系統(tǒng)電磁干擾控制的一般方法 單片機應用系統(tǒng)干擾源分為內部干擾源和外部干擾源 其中內部干擾源主要來自 于印制電路板的布局及布線 單片機系統(tǒng)的抗干擾技術主要包括以下四個方面的內容 A 精心選擇元器件 元器件是構成部件或系統(tǒng)的基礎 要選擇集成度高 抗干擾能力強功耗小電子器 件 B 元部件要精密調整 元器件的精密度是保證系統(tǒng)完成設定功能重要保證 因此在使用前或經(jīng)過一段運 行時間之后 都應該對元器件及部件進行精確調整 如 A D 芯片的調零及滿量程調整 C 采用硬件抗干擾技術 硬件抗干擾技術是設計系統(tǒng)時首選的抗干擾措施 它能有效抑制干擾源 阻斷干 擾傳輸通道 只要合理地布置與選擇有關的參數(shù) 硬件抗干擾措施就能抑制系統(tǒng)的絕 大部分干擾 常用的硬件抗干擾技術措施有 吸收技術 去耦技術 屏蔽技術 接地 技術 隔離技術以及印制電路板布線技術 D 采用軟件抗干擾技術 軟件抗干擾方法具有簡單 靈活方便 耗費硬件資源少的特點 在微機測控系統(tǒng) 中獲得了廣泛應用 常用的軟件抗干擾技術有 數(shù)字濾波 信息傳輸過程的自動檢驗 系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)視與發(fā)生故障時的自動恢復 本次設計采用硬件抗干擾技術中的屏蔽技術 通過合理的硬件抗干擾措施 可以消除絕大部分電磁干擾 應用硬件抗干擾措施 是經(jīng)常采用的一種方法 下面做詳細介紹 XXX 大學本科畢業(yè)設計 23 2 6 4 硬件抗干擾措施 A 屏蔽技術 屏蔽技術能有效地抑制通過自由空間傳播的電磁干擾 通過應用屏蔽技術 可以 限制系統(tǒng)內部的輻射電磁能對外部元件和裝置干擾 同時也防止來自系統(tǒng)外部輻射干 擾進入系統(tǒng)內部 屏蔽接地其原理可分為電場屏蔽 磁場屏蔽和電磁場屏蔽 屏蔽分析一般采用兩種方法 一種是應用電路理論 另一種是應用場理論 B 接地技術 實踐證明 良好的接地可以在很大程度上抑制系統(tǒng)內部噪聲耦合 防止外部干擾 的侵入 提高系統(tǒng)的抗干擾能力 反之若接地處理得不好 會導致噪聲耦合 形成嚴 重干擾 電氣設備中的 地 通常有兩種含義 一種是 大地 另一種是 工作基準地 所謂 大地 這里是指電氣設備的金屬外殼 線路等通過通過接地線 接地極與 地球大地的相連接 這種接地可以保證設備和人身安全 提供靜電的屏蔽 通路降低 電磁感應噪聲 工作基準地 是指信號回答的基準導體 如控制電源的零電位 稱 系統(tǒng)地 這是的所謂接地是指將各單元 裝置內部各部分電路信號返回線與 基準導體之間的連接 這種接地的目的是為各部分提供穩(wěn)定的基準電位 對這種接地 的要求時盡量減小接地回路中的公共阻抗壓降 以減少系統(tǒng)中干擾信號公共阻抗的耦 合 電氣設備接地的目的有三個 其一是為各電路的工作提供基準電位 其二是為了 安全 其三是為了抑制干擾 根據(jù)電氣設備回路性質和接地目的 可將接地方式分為三類 安全接地 工作接 地和屏蔽接地 此外電磁干擾源硬件控制技術還有濾波技術 隔離技術 電路平衡結構 雙絞線 抗干擾接地 信號線間的抑制 漏電干擾防止措施 3 軟件部分設計 3 1 工作流程 烤箱在上電復位后先處于停止加熱的狀態(tài) 這時可以用 1 鍵設定預置溫度 顯示器顯示預定溫度 溫度設定好后就可以按啟動鍵啟動系統(tǒng)工作了 溫度檢測系統(tǒng) XXX 大學本科畢業(yè)設計 24 不斷定時檢測當前溫度 并送往顯示器顯示 達到預定值后停止加熱并顯示當前溫度 當溫度下降到下限 比預定值低 2 時再啟動加熱 這樣不斷重復上述過程 使溫度 保持在預定溫度范圍之內 啟動后不能再修改預置溫度 必須按復位 停止鍵回到停止 加熱狀態(tài)再重新設定的預置溫度 3 2 功能模塊 根據(jù)上面對工作流程的分析 系統(tǒng)軟件可以分為以下幾個功能模塊 a 鍵盤管理 監(jiān)測鍵盤輸入 接收溫度預置 啟動系統(tǒng)工作 b 顯示 顯示設置溫度及當前溫度 c 溫度檢測及溫度值變換 完成 A D 轉換及數(shù)字濾波 d 溫度控制 根據(jù)檢測到的溫度控制電爐工作 e 報警 當預置溫度或當前爐溫越限時報警 3 3 資源分配 為了便于閱讀程序 首先給出單片機資源分配情況 如表 3 4 1 1 所示 程序存儲器 EPROM2764 的地址范圍為 0000H 1FFFH I O 口 P1 0 P1 3 鍵盤輸入 P1 6 P1 7 報警控制和電爐控制 A D 轉 換器 ADC0809 通道 0 7 的地址為 7FF8H 7FFFH 使用通道 0 3 4 功能軟件設計 3 4 1 鍵盤管理模塊 上電或復位后系統(tǒng)處于鍵盤管理狀態(tài) 其功能是監(jiān)測鍵盤輸入 接收溫度預置和 啟動鍵 程序設有預置溫度合法檢測報警 當預置溫度超過 500 時會報警并將溫度設 定在 500 鍵盤管理子程序流程圖如圖所示 鍵盤管理子程序 KIN KIN ACAL CHK 預置溫度合法性檢測 MOV BT1 ST1 MOV BT0 ST0 預置溫度送顯示緩沖區(qū) ACALL DISP 二次調用顯示子程序延時去抖 ACALL KEY 再檢測有無鍵按下 XXX 大學本科畢業(yè)設計 25 表 3 4 1 1 溫度控制軟件數(shù)據(jù)存儲器分配表 地址功能名稱初始發(fā)值 50H 51H 當前檢測溫度 高 位在前 TEMP1TEMP000H 52H 53H 預置溫度 高位在 前 ST1ST000H 54H 56H BCD 碼顯示緩沖區(qū) 百位 十位 個位 T100T10T00H 57H 58H 二進制顯示緩沖區(qū) 高位在前 BT1BT000H 59H 7FH 堆棧區(qū) PSW 5 報