基于C8051F040的温度控制器毕业论文(硬件).doc

1 1 论文题目：基于 c8051f040 的温度控制器设计（硬件） 专 业：测控技术与仪器 本 科 生： （签名） 指导老师： （签名） 摘 要 相对于世界各国来说，中国的温度控制器的生产产量居高不下使我国成为了一个温 度控制器生产大国。人们对于温度的感知和关注已经造就了温度的控制必然会成为一种 趋势，因此研究温度的测量方法和装置具有十分重要的意义。 在工业生产氨的过程中，不同温度下的产品合成效率不同，在 700c 时效率最高， 其他温度下会产生可逆反应。在农业方面，大棚蔬菜在不同温度下光合作用不同，产量 会不同。温度控制器的研究对工业和农业都有重要的影响。 本文设计温度控制系统以 c8051f040 单片机为控制核心，可以实时显示当前测量的 温度值，可以预设温度，通过加热模块对温度进行加热，从而达到控制温度的目的。 本设计对于软件和硬件进行了联调，确保系统运行和显示的正确性，对温度感知和 控制的灵敏性，实现了系统的整体功能。 关键词：单片机，温度控制器，pt1000 热电阻，显示电路 2 subject: based on c8051f040 temperature controller design specialty: measure and control technology and instrument name: (signature) instructor: (signature) abstract relative all over the world, chinas production of high temperature controller makes our country becomes one of the biggest country in the production of temperature controller. peoples perception of the concern and attention for temperature made the control of the temperature will become a trend, so learning the temperature the device and measurement method has the very vital significance. industrial production in the process of ammonia, different temperature product synthesis efficiency is different, when in 700 degrees c ,it has the highest efficiency, other temperature will produce reversible reaction. in agriculture, the big awning vegetables in different temperature photosynthesis is different, the output will be different. the temperature controller to industry and agriculture has important implications. this paper design temperature control system to c8051f040 microcontroller as control core, can display current measurement of the temperature every moment, the system can set temperature in advance, through the heating module to heat the water, so as to achieve the purpose of temperature control. the design for the software and hardware for the alignment, ensure that the operation of the system and the correctness of the temperature of perception and the sensitivity of the control, realize the whole function of the system. key words: single chip microcomputer ，temperature controller, pt1000 heat resistance, show circuit 3 目目 录录 第 1 章 绪 论 1 1.1 国内外温度控制器的发展和发展趋势 .1 1.2 温度控制方法的发展和分类3 1.2.1 定值开关温度控制法 3 1.2.2 pid 温度控制法 4 1.6 论文的主要工作 .6 1.7 本章总结 .7 第 2 章 系统设计方案及主控制芯片介绍 .8 2.1 系统总体方案的设计 .8 2.2 系统方案的选择8 2.2.1 驱动控制加热模块的选择 9 2.2.2 输入显示模块的选择 .9 2.3 系统工作原理.10 2.4 c8051f040 单片机最小系统介绍 .10 2.4.1 c8051f040 引脚 .10 2.4.2 c8051f040 最小系统 .11 2.5 本章小结 13 第 3 章 各部分单元电路的设计及器件选择 .14 3.1 测温模块.14 3.1.1 温度传感器的介绍 14 3.1.2 lm324 的介绍 15 3.1.3 测温电路 .15 3.2 控制加热模块.17 3.2.1 固态继电器的介绍 17 3.2.2 加热棒的介绍 .18 3.2.3 加热控制电路 .19 3.3 键盘输入模块.20 3.4 液晶显示模块 21 3.5 本章小结.22 第 4 章 系统的软件设计 23 4.1 编程工具的介绍.23 4.1.1 c 语言的主要优点 .23 4.1.2 c 语言使用的工具 .24 4.1.3 keil 编程软件的介绍 24 4.1.4 c 语言编程实现的功能 .24 4.5 本章小结.27 4 第 5 章 系统调试 28 5.1 硬件调试 28 5.1.1 元器件的检测 28 5.1.2 模块电路的检测 28 5.1.3 整个硬件电路的静态调试 28 5.1.4 整个硬件电路的动态调试 29 5.2 系统软硬件联机调试 29 5.4 调试经验 30 5.5 本章小结.30 第 6 章 总 结 31 6.1 系统的不足 31 6.2 设计展望.31 6.3 设计心得体会 31 致 谢 33 参考文献 34 附录 35 附 录 1：系统设计原理图 .35 附 录 2：pt1000 的分度表 .36 附 录 3：系统设计实物图 .37 1 第 1 章 绪 论 1.1 国内外温度控制器的发展和发展趋势 科技迅猛发展的同时，现在的温度控制系统功能日益完善，准确性的要求也日益升 高。单片机以迅猛的方式已经被社会接受，温度控制系统也借助单片机广泛的应用。温 度控制系统以其制作简单安装维护方便等优点日益受各行各业的重视。温度控制器在国 内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，同发达国家相 比，中国总体发展水平仍然不是很高，传统的温度控制器在国内一些比较落后的工厂还 可以见到。传统的温度控制器如图 1.1： 图 1.1 传统的温度控制器 科技迅猛的发展的同时，比较成熟的温控产品已经代替传统的温度控制器。一般的 温度控制系统采用“点位“控制的成熟温度控制器。温度控制器用于要求较高的控制场 合，温度系统的智能化、自适应控制还不成熟。随着我国经济的发展及加入世界贸易组 织 wto，在温度控制器方面的差距使我国政府及企业意识到温控系统发展的落后，对相 关企业资源进行了重组，相继建立了研究开发中心，开展创新性研究，使我国温度控制 仪表工业得到了迅速的发展，同时温度控制技术也得到飞速发展。多点控制成熟的温控 产品如下图： 2 图 1.2 多点控制温度控制器 在科技迅猛发展温度控制系统已趋向于集成测试系统，集成测试系统也走向了网络 化，各个仪器之间通过总线相互通信已变成一种趋势。借助仪器仪表的应用日益高升， 温度控制系统应用已经要求更加精细并趋于微机化和网络化。 网络化网络化 伴随着仪器仪表行业的发展，集成(vlsi)的新器件以大量的超大规模的形式被采用、 与此同时贴装技术(smt)与多层线路板的印刷技术被应用并成为计算机的辅助技术。由 于新技术的产生已经被广泛应用，人机交互的重要性、模糊控制和人工神经元网络的控 制技术已经被社会所重视，温度控制器行业也得到了飞速发展。如图 1.3 kdsd 系列隧 道式灭菌干燥网络化的温度控制系统： 图 1.3 kdsd 系列隧道式灭菌干燥网络化的温度控制系统： 3 微型化微型化 计算机控制技术日益趋于完善，基于计算机的智能仪器在已陆续推向控制市场，许 多企业也经历着重大的变革，微型化的仪器仪表已经代替了传统的笨重的仪器。微型化 仪器的轻巧，占用体积小。如图 1.4 为微型温度控制器。 图 1.4 微型温度控制器 温度控制器应用已经渗透到各行各业，例如，化工行业生产的产品都要求对温度进 行控制，农业方面温室大棚的农作物产量依靠的是温度的变化而定，那么对于温度的控 制就至关重要。由此可见，在工农业的发展过程中，温度控制器处于牵一发而动全局的 境地。 1.2 温度控制方法的发展和分类 1.2.1 定值开关温度控制法 对系统冷却装置（或加热源）进行通断控制，就是利用通过硬件电路或软件计算判 别设定目标温度值与当前温度值与之间的关系。这种控制就是定制温度控制法。若当前 温度值比设定温度值低，则关断制冷器并同时开启加热器。如果开关设定温度值低于当 前温度值，则开动制冷装置，或者关断加热器。如果没有计算机参与，用很简单的模拟 电路就能够实现开关控温方法。目前，我国许多工厂的老式工业电炉中采用这种控制方 法的温度控制器。这种控制方式无法克服温度变化过程的滞后性，因而完全不适用于高 精度的温度控制。定制开关控制法致使系统温度波动较大，控制精度低，因为它是当系 统温度下降至设定点时开通电源，当系统温度上升至设定点时断开电源。定值开关的温 度控制装置如图 1.5： 4 图 1.5 定制开关温度控制装置 1.2.2 pid 温度控制法 20 世纪 3040 年代，频域设计法是具时代意义经典的设计法并且得到了很快的发 展。nyquist 和 bode 是在频域设计法稳定性理论的基础上所取得的重要成就。频域设计 法以获得一定量的稳定裕度设计的一种反馈补偿器，来减少系统对模型误差灵敏度和干 扰。它利用反馈的原理重点考虑了模型的不确定性。采用由 nyquist 稳定准则引申出来 的图解法作为补偿器的设计是经典的方法之一。 进入 50 年代以后，一些瞬态性能指标的定义奠定了解析法的迅速发展。为了检测 时域响应指标方便，模拟计算机的加入使得检测变得简单明了，但是解析法的发展使得 人们降低了对控制系统的灵敏度和鲁棒性。 20 世纪 50 年代中期，用差分方程来描述控制系统模型随着数字计算机的出现了， 并且这种描述方法得到了应用。 20 世纪 60 年代，在解决各种不同设计问题上，控制器的最优化技术设计方法显示 出了其优势。实际的过程控制应用了现代控制理论，但这种控制理论需要对控制的过程 对象建立非常精确的数学模型，但是非常精确的数学模型实际上往往难以建立，因此鲁 棒性问题在七十年代以后得到了人们更多的关注。 从 20 世纪 80 年代开始，由于自适应控制理论和参数整定在单回路 pid 控制器中的 应用， pid 控制理论在 20 世纪 80 年代高速发展。 在控制技术高速发展的今天，鉴于在工业过程控制中 pid 控制算法较为可靠简单等 特点，它仍然占有主导地位。系统的误差，误差积累及系统误差变化在 pid 模型的建立 占有很大的因素，因此定值开关控温法远远比不上 pid 温度控制算法。pid 温度控制法 采用计算机软件方法与模拟电路或来实现 pid 调节功能是非常优越的。被称为模拟 pid 5 调节器采用的是模拟电路，被称为数字 pid 调节器采用的是计算机软件的方法，两种方 法都有它的优越性。其中具有较大的灵活性的数字 pid 调节器的参数可以在线整定，所 以可以得到较好的现场控制效果。采用数字 pid 实现的温度控制器，pid 参数（即比例 值、积分值、微分值）决定了温度控制器的控制品质的优良。正确的选择 pid 参数，对 于较为要求精确的控制系统，是非常重要的。pid 控制器图如 1.5 所示： 图 1.5 pid 控制器 pid 控制器对大多数工业控制对象都能达到比较满意的控制效果。随着生产的迅速 发展发展，对于越来越复杂的被控对象，控制要求的精度也越来越高，鉴于常规 pid 控 制器己不能达到系统所要求的条件，许多新的控制方法逐渐开始在舞台上出现。自适应、 最优、智能、鲁棒、满意控制等控制策略的引入 pid 控制系统中大大的提高了系统的控 制精度和性能。智能 pid 控制近几年引起了人们极大的研究兴趣。智能 pid 是常规 pid 控制方法结合智能控制方法而形成的。智能 pid 调节器不但吸收了智能控制的优点而且 具备常规 pid 控制优点。 1.2.3 智能温度控制法 智能控制系统是某些具有仿人智能的工程控制和信息处理系统。温控系统由于被控 过程常常具有严重的非线性时变性，所以智能控制系统的出现具有即时性。智能控制作 为一门新兴的交叉前沿学科应用相当的广泛。信息可以有效的获取、传递、处理、再生 和利用被称为智能控制。利用模型化人们的思维过程、利用计算机来模仿人的智能的学 科被称为人工智能。人工智能与控制理论比起来具有更广泛的应用。高度脑力行为和体 力行为包括判断问题、理解问题、推理预测、识别、规划、决策、学习和求知都可以用 智能控制理论化。智能控制就是将智能控制与 pid 控制相结合并应用运筹学的优化方法 6 和人工智能的理论和技术，实现温度的智能控制，与此同时还要应用控制理论方法与技 术相结合的方法。适当加以专家系统并采用模糊数学和神经元网络为理论基础被称为智 能控温法。智能控温法中应用较为广泛的有专家系统、模糊控制、神经网络控制等。在 实际工程技术中模糊控温法与其它温度控制法比起来得到了极为广泛的应用。从理论上 讲高精度的模糊控制器，可以在一定基础上完全消除静态误差。智能温度控制器如图 1.6 所示： 图 1.6 智能温度控制器 在温控仪的发展上，国内和国外有着一定的差距。国内的温控仪在控制算法方面表 现的不太理想，譬如温度控制在全量程精度低并且自适应性较差。这种不足的原因是多 方面造成的，不可能一朝一夕的完成。在对于不同的被控对象，控制算法是非常重要的， 控制算法直接决定着系统的稳定性和精度。 追根溯源，温度控制器的发展是伴随着仪器仪表行业的发展技术之间提高。相信未 来国内的温度控制器技术将更加的发达。 1.6 论文的主要工作 论文的研究内容主要如下： (1) 掌握 c8051fxxx 系列单片机的基本结构和指令系统，掌握 c8051f040 单片机的 控制功能，理解本论文所设计系统的工作原理； (2) 系统硬件设计； （3）系统器件的选择； （4）系统硬件模块的调试； (5) 系统调试； (6) 总结; 7 1.7 本章总结 本章叙述了温度控制器在国内外的发展，温度控制算法从简单到复杂的经历过程。 简洁的表达了人类现阶段对温度控制算法的应用及本次设计需要完成的工作和要求。论 文的主要工作和温度控制系统设计的步骤。 8 第 2 章 系统设计方案及主控制芯片介绍 本设计是基于 51 单片机的基础上选择 c8051f040 芯片作为系统的中心，经过一系 列的选择，我们设计了一套含有输入、测量、控制、显示等功能的系统方案。本次设计 的温度控制系统采用闭环控制。其控制框图如图 2.1 所示。 图 2.1 系统控制框图 2.1 系统总体方案的设计 本系统要含有电源电路、键盘输入、pt1000 测温电路、加热电路以及显示电路。 系统要达到的功能：具有设定和显示功能；温度控制精度：2；控温范围： 3080；系统原理框图如图 2.2： 图 2.2 系统原理框图 2.2 系统方案的选择 在确定设计方案之前，系统方案的选择对于设计的简化灵活具有很重要的意义。 矩阵式键盘 测温电路 c8051f040 单片机最 小系统 显示电路 加热电路 控制器执行器水槽 温度传感器 _ +yr 9 2.2.1 驱动控制加热模块的选择 驱动控制模块也是整个设计的重要环节，它通过固态继电器控制电热棒的通或断， 使水温保持恒定。常用的温度测量方案有如下几种： 方案一：采用继电器。继电器的价格低廉，但由于继电器采用电磁吸合方式，在开 关瞬间，触点容易产生火花从而引起干扰。另外继电器采用机械开关，具有时间延迟大 和寿命短的缺点。本系统输出电压较大普通继电器不能达到要求。 方案二：采用可控硅。单片机是通过高低电平来控制电路，以实现加热器的供给。 可控硅需要单片机触发脉冲，增加软件的编程难度，因此不宜采用。 方案三：采用固态继电器。固态继电器是 可控硅过零触发器，无触点，不用调相， 对电网不会引起波形畸变。 c8051f040 经过控制算法(本次设计采用 pid 控制)得到 的输出结果转换为调占空比，控制输出口p3.0 输出相应的高低电平，控制固态继 电器的通断。 固态继电器除具有与 电磁继电器 一样的功能外，还具有输入功率小， 灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好， 通断迅速， 噪声低和工作频率高等特点。 在本设计中，针对驱动控制部分，为了简化输出通道的硬件结构，同时考虑到加热 系统具有较大的热惯性，本系统采用固态继电器控制通断时间，即采用方案三。 2.2.2 输入显示模块的选择 方案一：四位 led 数码管显示温度值和输入的键值，独立式键盘设置数值，并确认 数字的输入。 方案二：由 lcd1602 液晶显示模块显示温度值，由独立式键盘设置输入，并确认。 方案三：由 lcd12864 液晶显示模块显示温度值，由矩阵式键盘设置数字键和功能 键，实时显示温度值。 方案比较：lcd 液晶屏显示器与数码管相比，有功耗小、体积小、显示内容丰富、 画面美观、超薄轻巧、使用方便等特点，lcd12864 与 lcd1602 比较，有丰富的中文字库， 方便调用，显示灵活等特点。 矩阵式键盘与独立键盘相比，有按键功能多、简单明了的特点，所以方案三为最佳 的选择。 综上所述，驱动加热模块采用固态继电器控制，输入模块采用矩阵式键盘，显示模 块采用 lcd12864 会使系统更加完美。 10 2.3 系统工作原理 本温度计采用一种具有温度引起电阻值变化的铂电阻作为检测元件。考虑到下载程 序的方便和单片机功耗小等条件的限制我选了 c8051f040 这款单片机作为控制器。显示 电路方面，我选择 lcd12864 作为显示电路。键盘输入部分考虑到输入的方便和快捷性 选择 4*4 矩阵式键盘作为单片机的温度输入部分。控制部分，考虑到电路的简单和控制 的迅速灵敏性，选择固态继电器作为控制部分的开关量。当键盘输入温度，测温电路铂 电阻的电阻变化量，通过电路转化成电压的变化量送入单片机，单片机进行 ad 转化成 数字量通过 lcd12864 显示实测温度值。单片机比较键盘输入的温度，当输入温度小于 实测温度时，单片机控制加热电路不动作，当输入温度大于实测温度时，单片机 io 口 给高电平控制固态继电器动作，加热电路工作对水温进行加热，使水温维持稳定的温度。 整个过程中显示部分实测温度实时显示。 2.4 c8051f040 单片机最小系统介绍 c8051f040 是 cygnal 公司的 51 系列单片机，它是集成混合信号系统级在一块芯片 上的单片机，它代表了目前 8 位单片机控制系统的发展方向。芯片上包含的 12 位多通 道 adc 有 1 个，电压比较器有 2 个， 12 位 dac 有 2 个，电压基准 1 个， 32kb 的 flash 存储器 1 个，拥有与 mcs51 指令集完全兼容的高速 cip51 内核，拥有可达 25mips 峰值速度，并且完全支持 can2.0b 和 can2.0a 的 can 控制器，拥有硬件实现的 uart 串 行接口。 c8051f040 是具有与 8051 单片机兼容的高速 cip-51 微控制器内核的高度集成的混 合信号 soc 级微控制器芯片，c8051f040 除了标准 8051 的数字外设部件外，片内还集成 了控制系统中常用的模拟部件及其它一些数字外设器件并且集成了数据采集器件。 2.4.1 c8051f040 引脚 在本设计的温度控制器中，控制核心芯片为 c8051f040 单片机,芯片管如图 2.3： 11 图 2.3 c8051f040 单片机芯片引脚图 2.4.2 c8051f040 最小系统 （1）时钟电路 c8051f040 的时钟可以由内部方式产生或外部方式产生，本系统所用的时钟由外部 方式发生。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。本系统选用 24mhz 的晶振。时钟电路如图 2.4 所示: 图 2.4 时钟电路 tm s 1 tck 2 tdi 3 tdo 4 rst 5 canrx 6 cantx 7 av+ 14 agnd 13 agnd 10 av+ 8 vref 12 agnd 9 av+ 11 vrefd 15 vref0 16 vref2 17 ain0.0 18 ain0.1 19 ain0.2 20 ain0.3 21 hvcap 22 hvref 23 hvain+ 24 hvain- 25 xtal1 26 xtal2 27 monen 28 ain2.7/a15/p1.7 29 ain2.6/a14/p1.6 30 ain2.5/a13/p1.5 31 ain2.4/a12/p1.4 32 ain2.3/a11/p1.3 33 ain2.2/a10/p1.2 34 ain2.1/a9/p1.1 35 ain2.0/a8/p1.0 36 vdd 37 dgnd 38 a15m/a7/p2.7 39 a14m/a6/p2.6 40 a13m/a5/p2.5 41 a12m/a4/p2.4 42 a11m/a3/p2.3 43 a10m/a2/p2.2 44 a9m/a1/p2.1 45 a8m/a0/p2.0 46 ain3.7/ad7/d7/p3.7 47 ain3.6/ad6/d6/p3.6 48 ain3.5/ad5/d5/p3.5 49 ain3.4/ad4/d4/p3.4 50 ain3.3/ad3/d3/p3.3 51 ain3.2/ad2/d2/p3.2 52 ain3.1/ad1/d1/p3.1 53 ain3.0/ad0/d0/p3.0 54 wr/p0.7 55 rd/p0.6 56 ale/p0.5 57 p0.4 58 p0.3 59 p0.2 60 p0.1 61 p0.0 62 dgnd 63 vdd 64 ad7/d7/p7.7 65 ad6/d6/p7.6 66 ad5/d5/p7.5 67 ad4/d4/p7.4 68 ad3/d3/p7.3 69 ad2/d2/p7.2 70 ad1/d1/p7.1 71 ad0/d0/p7.0 72 a15m/a7/p6.7 73 a14m/a6/p6.6 74 a13m/a5/p6.5 75 a12m/a4/p6.4 76 a11m/a3/p6.3 77 a10m/a2/p6.2 78 a9m/a1/p6.1 79 a8m/a0/p6.0 80 a15/p5.7 81 a14/p5.6 82 a13/p5.5 83 a12/p5.4 84 a11/p5.3 85 a10/p5.2 86 a9/p5.1 87 a8/p5.0 88 dgnd 89 vdd 90 wr/p4.7 91 rd/p4.6 92 ale/p4.5 93 p4.4 94 p4.3 95 p4.2 96 p4.1 97 p4.0 98 dac1 99 dac0 100 c8051f040 c8051f042 u1 tm s tck tdi tdo rst canrx cantx vref vrefd vref0 vref2 ain0.0 ain0.1 ain0.2 ain0.3 hvref hvain+ hvain- xtal1 xtal2 monen p1.7 p1.6 p1.5 p1.4 p1.3 p1.2 p1.1 p1.0 p2.7 p2.6 p2.5 p2.4 p2.3 p2.2 p2.1 p2.0 p3.7 p3.6 p3.5 p3.4 p6.5 p6.6 p6.7 p7.0 p7.1 p7.2 p7.3 p7.4 p7.5 p7.6 p7.7 p0.0 p0.1 p0.2 p0.3 p0.4 p0.5 p0.6 p0.7 p3.0 p3.1 p3.2 p3.3 dac0 dac1 p4.0 p4.1 p4.2 p4.3 p4.4 p4.5 p4.6 p4.7 p5.0 p5.1 p5.2 p5.3 p5.4 p5.5 p5.6 p5.7 p6.0 p6.1 p6.2 p6.3 p6.4 vdd vdd jz1 24m x ta l1 x ta l2 10m r8 res2 30 c17 30 c18 12 （2）复位电路 复位是使单片机的 cpu 以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态的初始化操 作。复位后单片机从这个状态开始工作。除此之外，当单片机运行出错或系统处于死循 环状态等情况时，需要对单片机进行复位以重新启动机器。 复位电路如图 2.5 所示： 图 2.5 复位电路 （3）电源电路 c8051f040 单片机的电源电路输出电压 3.3v,+5v 的电压通过 as1117 稳压器将电压 稳到 3.3v，接 0 欧电阻，然后经过电容，能够有效地限制环路电流。单片机 av+通过调 线帽连接到 3.3v。c8051f040 单片机 av+管脚模拟电源必须接+2.7v+3.6v。c8051f040 最小系统电源电路如图 2.6 所示： 图 2.6 电源电路 330uf p-c1 p-in1 power 0.1uf c1 cap 2.0 r5 2.0 r3 2.0 r2 15uf p-c2 12 p-led1 led2 1uf c2 0.1uf c3 +5v vin 3 gnd 1 vout 2 w1 as1117+3vd2 1uf c4 0.1uf c5 vdd 1uf c6 0.1uf c7 av+ 1k r4 res2 +3vd2 1 2 jp15 header 2 mcu-sw1 sw-pb 10k r6 res2 0.1uf c8 cap 1uf c9 cap 1k r7 res2 rst +3vd2 13 c8051f040 单片机的主芯片一共有 100 个管脚，其中 io 口总共有 7 个,从 p0- p4 是低位，p5-p7 为高位，它们可以 设置成推挽方式和开漏方式，两种方式没 有 本质的区别。 c8051f040 最小系统原理图如 2.7 所示： 图 2.7 c8051f040 最小系统原理图 2.5 本章小结 本章介绍了系统的总体方案设计过程，通过方案对比，确定出一个实用、廉价、可 行的系统方案。作为主控芯片，对 c8051f040 的详细了解是十分关键的。此外，介绍了 c8051f040 最小系统的设计。 tm s 1 tck 2 tdi 3 tdo 4 rst 5 canrx 6 cantx 7 av+ 14 agnd 13 agnd 10 av+ 8 vref 12 agnd 9 av+ 11 vrefd 15 vref0 16 vref2 17 ain0.0 18 ain0.1 19 ain0.2 20 ain0.3 21 hvcap 22 hvref 23 hvain+ 24 hvain- 25 xtal1 26 xtal2 27 monen 28 ain2.7/a15/p1.7 29 ain2.6/a14/p1.6 30 ain2.5/a13/p1.5 31 ain2.4/a12/p1.4 32 ain2.3/a11/p1.3 33 ain2.2/a10/p1.2 34 ain2.1/a9/p1.1 35 ain2.0/a8/p1.0 36 vdd 37 dgnd 38 a15m/a7/p2.7 39 a14m/a6/p2.6 40 a13m/a5/p2.5 41 a12m/a4/p2.4 42 a11m/a3/p2.3 43 a10m/a2/p2.2 44 a9m/a1/p2.1 45 a8m/a0/p2.0 46 ain3.7/ad7/d7/p3.7 47 ain3.6/ad6/d6/p3.6 48 ain3.5/ad5/d5/p3.5 49 ain3.4/ad4/d4/p3.4 50 ain3.3/ad3/d3/p3.3 51 ain3.2/ad2/d2/p3.2 52 ain3.1/ad1/d1/p3.1 53 ain3.0/ad0/d0/p3.0 54 wr/p0.7 55 rd/p0.6 56 ale/p0.5 57 p0.4 58 p0.3 59 p0.2 60 p0.1 61 p0.0 62 dgnd 63 vdd 64 ad7/d7/p7.7 65 ad6/d6/p7.6 66 ad5/d5/p7.5 67 ad4/d4/p7.4 68 ad3/d3/p7.3 69 ad2/d2/p7.2 70 ad1/d1/p7.1 71 ad0/d0/p7.0 72 a15m/a7/p6.7 73 a14m/a6/p6.6 74 a13m/a5/p6.5 75 a12m/a4/p6.4 76 a11m/a3/p6.3 77 a10m/a2/p6.2 78 a9m/a1/p6.1 79 a8m/a0/p6.0 80 a15/p5.7 81 a14/p5.6 82 a13/p5.5 83 a12/p5.4 84 a11/p5.3 85 a10/p5.2 86 a9/p5.1 87 a8/p5.0 88 dgnd 89 vdd 90 wr/p4.7 91 rd/p4.6 92 ale/p4.5 93 p4.4 94 p4.3 95 p4.2 96 p4.1 97 p4.0 98 dac1 99 dac0 100 c8051f040 c8051f042 u1 tm s tck tdi tdo rst canrx cantx vref vrefd vref0 vref2 ain0.0 ain0.1 ain0.2 ain0.3 hvcap hvref hvain+ hvain- xtal1 xtal2 monen p1.7 p1.6 p1.5 p1.4 p1.3 p1.2 p1.1 p1.0 p2.7 p2.6 p2.5 p2.4 p2.3 p2.2 p2.1 p2.0 p3.7 p3.6 p3.5 p3.4 p6.5 p6.6 p6.7 p7.0 p7.1 p7.2 p7.3 p7.4 p7.5 p7.6 p7.7 p0.0 p0.1 p0.2 p0.3 p0.4 p0.5 p0.6 p0.7 p3.0 p3.1 p3.2 p3.3 +3.3 dac0 dac1 p4.0 p4.1 p4.2 p4.3 p4.4 p4.5 p4.6 p4.7 p5.0 p5.1 p5.2 p5.3 p5.4 p5.5 p5.6 p5.7 p6.0 p6.1 p6.2 p6.3 p6.4 m cu-sw1 sw-pb 10k r6 res2 0.1uf c8 cap 1uf c9 cap 1k r7 res2 rst +3vd2 vdd vdd av+ jz1 24m xtal1 xtal2 0.01uf c11 cap 10m r8 res2 30 c17 30 c18 14 第 3 章 各部分单元电路的设计及器件选择 3.1 测温模块 在测温电路中主要用到的器件有温度传感器和放大器。在本设计中温度传感器采用 的是热电阻 pt1000，放大器的芯片选择的是 lm324。 3.1.1 温度传感器的介绍 对于温度的感知可以采用多种的温度传感装置，例如热电偶，热电阻，热敏电阻， pn 结温度传感器，集成温度传感器等。常用的有 ds18b20。本设计采用的是 pt1000 热 电阻。实物如图 3.1 所示： 图 3.1. pt1000 热电阻实物图 pt1000 热电阻的特点： pt1000 是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化基本成线性。pt1000 的阻值与温度变化 关系为：当 pt1000 温度为 0时它的阻值为 1000 欧姆，在 100时它的阻值约为 1385.005 欧姆。它的工业原理：阻值会随着温度上升而成匀速增长的。温度每上升 1， 阻值上升 3.8 欧姆。 医疗、电机、工业、温度计算、阻值计算等高精温度设备，应用范围非常之广泛 人们利用 pt1000 铂电阻的温度与阻值变化基本呈线性的关系生产了 pt1000 热电阻 温湿度采集于一体的智能传感器传感器。pt1000 的外部结构如图 3.2 所示： 图 3.2 pt1000 传感器的结构 15 3.1.2 lm324 的介绍 lm324 内部含有四个放大器，输出管脚分别位于芯片的边沿，放大器反相输入端位 于芯片的输出管脚下方第二位，放大器同相输入端管脚位于电源上方，电源管脚位于芯 片的中心，电源左边管脚接高电平，右边电源管脚接地。lm324 的芯片管脚排列图如 3.3 所示： 图 3.3 lm324 的芯片管脚排列图 lm324 内含放大器主要是由三极管和电阻组成的集成电路，放大器的性能取决于三 极管的性能和电路的组成。 lm324 的内部结构如图 3.4 所示： 图 3.4 lm324 内部结构图 3.1.3 测温电路 由于 pt1000 随温度的变化基本呈线性关系，那么阻值的变化转换成电压送入单片 机就要进行线性化处理，使得电压与温度的变化呈线性化关系。因为 c8051f040 单片机 ad 转化接口接受的电压不得超过 2.4v，那么就要求，测温电路的输出最高电压为 2.4v。当温度是 0时，pt1000 的阻值为 1k 时，电压的输出要求为 0v，当温度达到 16 100时，pt1000 的电阻为 1385.005 欧姆，要求电压输出 为 2.4v。实际测量的电压 值与理想的电压 值存在误差， 0时，电压输出是 0.026v，100时，单片机 ad 转 化口接受的电压是 2.38v。要达到 ad 转换的准确，软件中对误差进行了一定的处理。 测温电路如图 3.5 所示： 图 3.5 系统测温电路原理图 u 为电源电压 3.3v ，u+为第一级放大器的同相输入端电压，输出端电压 u01 ，放 大器二级同相输入端电压 u01，二级输入端的电源为 u，二级反向输入端的电压 u1，二 级输出电压为 u0。 测温电路的计算公式如下: (2-1) 根据虚短虚断得： (2-2) 放大器一级输出: (2-3) 整理得： (2-4) u r rt u) 9 1(01 u rr r r rt u) 78 7 )( 9 1(01 r7 2k r12 20k r11 1k r14 10k r13 230k r9 2k r8 1k c2 1uf c1 1uf pt1000 res3 _ 1 + 2 3 3 * 加加加 _ 1 + 2 3 3 * 加加加 3.3v 3.3v gnd gnd ain0.0 gnd 2k r10 res adj1 加加加加 _ uu r7 2k r12 20k r11 1k 14 10k r13 236k r9 2k r8 1k c2 1uf c1 1uf pt1000 rt _ 1 + 2 3 3 * 加加加 _ 1 + 2 3 3 * 加加加 3.3v 3.3v agnd agnd ain0.0 agnd 2k r10 u rr r u 78 7 17 二级同相输入端电压 u1: (2-5) 输出电压 u0: (2-6) 整理得： (2-7) 带入电阻阻值得： (2-8) 3.2 控制加热模块 本设计的加热控制电路中主要用到固态继电器和加热棒。控制固态继电器用三极管 驱动。 3.2.1 固态继电器的介绍 固态继电器是利用如三极管、可控硅、双向可控硅半导体等电子元件的开关特性构 造的一种无触点通断电子开关。固态继电器是四端有源器件，它可以采用无触点无火花 的方式断开和接通电路。从正面看固态继电器结构，左端的两个端子为输入控制端，右 端的两端是输出受控端。固态继电器内部器件中采用高耐压的专业光电耦合器的目的是 实现输出输入之间的电气隔离。一旦输入端有输入信号，主回路开始处于导通状态。输 入端无信号输入时主回路呈阻断状态。固态继电器的功能实现相当于常用电磁继电器， 可动部件及触点在整个器件不允许出现，但其封装形式传统电磁继电器的封装形式基本 相同。它问世于70年代，无触点工作特性使得固态继电器在电器控制方面和计算机控制 方面等许多领域得到逐渐广范的应用5。 固态继电器较之电磁继电器具有工作相当可靠、时间寿命长、对外界环境干扰较小、 能用逻辑电路控制、抗外界干扰能力强、通断速度快等许多优点。6 u rr r u 1110 11 1 1 12 13 01) 12 13 1(0u r r u r r u u rr r r r rr r r rt r r u) 1110 11 )( 12 13 () 78 7 )( 9 1)( 12 13 1(0 u r rt u )110( 1 (8.11) 2 1(*53.80 18 本设计采用的固态继电器启动电压3-32v 直流。输出电压为220v，最大限流为10a。 固态继电器实物图如图 3.6 所示： 图 3.6 固态继电器的实物图 当固态继电器输入端加 3-32v 的时，led 灯点亮，ici 光电耦合器工作，然后 v1 管导通，稳压电路导通，输出端工作。固态继电器的内部结构如图 3.7 所示： 图 3.7 固态继电器内部结构图 3.2.2 加热棒的介绍 “热得快”的加热时，主要依靠加热螺圈，加热螺圈通常是用一种较细的管内装有电 热丝金属管绕制成的。金属管主要的绝缘材料是氧化镁粉之类的化学物质。热得快主要 是把电热丝封装固定在管中间，使它不与管壁接触。加热棒的实物图如图 3.8 所示： 19 图 3.8 加热棒的实物图 热得快的工作原理：电热丝的两端接上插头，然后再分别与电源线相接。插头插电 后，电热丝中有电流流过，电热丝便逐渐发热。当 “热得快”浸没在液体中时，热量 通过液体很快散发出来，这种方式不会烧坏电热丝同时使液体很快被加热。 我们选择的加热器的工作电压为 220v 交流，功率为 30w，插头与电阻丝部分经过塑 封，完全可以浸没在水中。我们选择的热得快功率小能实现设计目的同时因为短小，方 便携带。 3.2.3 加热控制电路 控制加热电路中，固态继电器作为开关使用，三极管驱动固态继电器。当单片机 p3.0 高电平时,npn 三极管导通。固态继电器输入端有了电压差，固态继电器开关启动，加热 器与固态继电器串连在电路中，加热器开始加热，达到控制水温的作用。加热控制电路 如图 3.9 所示： 图 3.9 加热控制电路原理图 当 p3.0 高电平，单片机 io 口电压为 5v。固态继电器的开启电压为 3-32v。u=vcc- 1 1 2 2 4 4 3 3 * 加加加加加 116 1k r2a res pack2 2152k r1b res pack2 q1 npn vcc gnd p3.0 4 4 5 5 * 加加加 220ac 20 uce3v,那么固态继电器开始工作。固态继电器一旦开始工作，受固态继电器控制的加 热器开始加热从而达到控制系统的目的。 3.3 键盘输入模块 本设计输入电路采用 4*4 矩阵式键盘。 矩阵式键盘的结构与工作原理：当设计系统键盘电路时，如果按键数量比较多，最 常使用的方法就是将按键排列成矩阵形式。目的是为了减少 i/o 口的占用。在矩阵式键 盘中，每条水平线和垂直线是通过一个按键加以连接而在交叉处不直接连通，这样，一 个端口（如 p4 口）就可以构成 4*4=16 个按键，与直接将端口线与按键相连，这种方法 使得 io 口占用较少而且连接键盘多出了一倍。当线数越多，区别就会越明显，由此可 见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。键盘输入电路如图 3.10 所示： 图 3.10 矩阵式键盘原理图 工作原理： 监测有无键被按下 将全部行线 p4.4-p.7 置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低， 则表示这列键盘中有键被按下，而且被按下的键位是低电平线与 4 根行线相交叉的位置。 若所有单片机检查所有列线均为高电平，则表示键盘电路中无键闭合。 识别哪一个键被按下 确认键盘电路中有键闭合后，那么开始确定按键的位置。其方法是：将键盘中所有 s4 sw-pb s5 sw-pb s6 sw-pb s7 sw-pb s8 sw-pb s9 sw-pb s10 sw-pb s11 sw-pb s12 sw-pb s13 sw-pb s14 sw-pb s15 sw-pb s0 sw-pb s1 sw-pb s2 sw-pb s3 sw-pb 116 10k r3a res pack2 215 10k r4b res pack2 314 10k r5c res pack2 413 10k r6d res pack2 vcc p4.0 p4.1 p4.2 p4.3 p4.4 p4.5 p4.6 p4.7 21 行线依照次序设置为低电平，行线设置时中不能同时设置两个高电平。在保证键盘某根 行线为低电平后，再依次检查各列线的电平状态。若键盘中某列为低，则被按下的键所 处的位置为该列线与置为低电平的行线交叉处。 3.4 液晶显示模块 lcd12864 是一种汉字及图形点阵液晶显示模块，不但可以显示汉字还可以显示图 形，带字库的 12864 内部含有 8192 个中文汉字（16x16 点阵） 、128 个常用及不常用的 字符（8x16 点阵）及 64x256 点阵显示 ram。 主要技术参数和显