电烤箱的智能温控仪表设计.doc

太原理工大学现代科技学院 课程设计 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 11MHz 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总结 对温度控制系统的发展提出了几点建议 关键词关键词 单片机 单片机 温度温度 电烤箱电烤箱 控制控制 太原理工大学现代科技学院 课程设计 目目 录录 前 言 4 第 1 章 概 述 4 1 1 技术指标 4 1 2 控制方案 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 5 2 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 控制线 9 2 2 6 STC89C51 单片机的存储器结构 9 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 13 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 14 2 5 放大器电路设计 16 2 5 1 交流放大器电路 16 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 22 2 7 抗干扰电路设计 23 2 7 1 电磁干扰的形成因素 24 2 7 2 干扰的分类 24 2 7 3 单片机应用系统电磁干扰控制的一般方法 24 太原理工大学现代科技学院 课程设计 2 7 4 硬件抗干扰措施 25 第 3 章 软件部分设计 26 3 1 工作流程 26 3 2 功能模块 26 3 3 资源分配 26 3 4 功能软件设计 26 3 4 1 键盘管理模块 26 3 4 2 显示模块 29 3 4 3 温度检测模块 31 3 4 4 温度控制模块 32 3 4 5 温度越限报警模块 34 3 4 6 主程序和中断服务子程序 35 第 4 章 结 论 37 参考文献 37 附录 1 38 附录 2 38 太原理工大学现代科技学院 课程设计 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 第 1 章 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 控制精度高 有较强的通用性 1 1 技术指标 功能及技术指标 功能及技术指标 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 11MHz 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 太原理工大学现代科技学院 课程设计 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 y 1 水泵导通 水箱开始进水 当水位达到或超 出了 A 时 y 0 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 A D 太原理工大学现代科技学院 课程设计 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 I O 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 1 2 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 算术逻辑单元 ALU 不但能完成 8 位二进制的加 减 乘 除等算数的运算 而且还能对 8 位变量进行逻辑 与 或 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 太原理工大学现代科技学院 课程设计 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 太原理工大学现代科技学院 课程设计 2 2 4 引脚功能 I O 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 0IM 外部中断 0 输入 P3 3 1IM 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 太原理工大学现代科技学院 课程设计 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 P1 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 每一根线还具有第二功能 太原理工大学现代科技学院 课程设计 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 太原理工大学现代科技学院 课程设计 TCON 00H TL0 TL1 00H TH0 TH1 00H SCON 00H SBUF 不定 PCON 0XXX0000B 2 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 根据国家标准 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 太原理工大学现代科技学院 课程设计 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 A 精度有关指标 包括精度 误差 重复性 线性 滞后 灵敏度误差 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 太原理工大学现代科技学院 课程设计 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 1K 3K 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 不存在热电偶参比端误差问 题 B 测量范围较宽 尤其在低温的方面 C 易于在自动测量或远距离测量中的使用 常用的热电阴材料有铂 铜 镍 铁等 2 3 3 热电阻的测量电路及应用 热电阻常用接入电桥使用引出线有两 三线式和四线式三种形式 采用两线式接法时 如图 2 2 3 1 所示 Rt 的接法 引出的导线接于电桥的一个臂上 当由于环境温度或通以电 流引起导成温度变化时 将产生附加的电阻 引起测量误差 所以 当热电阻值较小时 常 采用三线式 四线式接法 以消除接线电阻和引线电阻影响 三线式接法是将两条具有相同温度特性的导成接于相邻两桥臂上 此时由于附加电阻引 起电阻变化是相同的 根据电桥特性 电桥输出将互相抵消 图 2 3 3 1 热电阻传感器的接线方式 四线式接法 R2 R3 为固定电阻 R1 可调 热电阻 Rt 通过电阻为 r1 r2 r3 r4 的四要 导线和电桥连接 r1 r4 分别串联在相邻两桥臂内 r2 r3 与电源去路串联 将开关接通 调节 R1 使电桥平衡 则 R1 r1 Rt r4 再将开关接通 B 重新调整 R1 使电桥达到新的平衡 则 太原理工大学现代科技学院 课程设计 R1 r1 Rt r1 两式相加得 Rt 2 11RR 四线式测量方法比较麻烦 一般用于精度要求较高的场合 2 4 A D 转换电路设计 2 4 1 逐次逼近型 A D 转换器 ADC0809 a ADC0809 的内部逻辑结构 如图 2 3 1 1 如图 多路开关可达通讯员 89 模拟通道 允许 8 路模拟量分时输入 共用一个 A D 转换 器进行转换 地址锁存与译码电路完成对 A B C 三个地址供进行锁存和译码 其译码输出 用于通道的选择 8 位 A D 转换器是逐次逼近式 由控制时序电路 逐次逼近寄存器 树状开关以及其 256R 电阻下型网络等组成 输出锁存器用于存放和输出转换得到的数字量 b ADC0809 的引脚及各引脚功能 图 2 4 1 1 ADC0809 内部逻辑结构图 ADC0809 的引脚入各引脚双引直插式封装 其引脚排列见图 2 3 1 2 所示 各引脚功能如下 太原理工大学现代科技学院 课程设计 A INT 2NO 8 咱模拟量输入引脚 ADC0809 对输入模拟量的要求主要有二信号的单极 性 电压范围 0 5V 若信号过小还需要进行放大 另外 在 A D 转换的过种中 模拟量输 入值不应变化太快 因此 对变化速度快模拟量在输入前应增加采样保持电路 B A B C 地址线 A 为低位地址 C 为高位地址用于对模拟通道进行的选择 C ALE 地址锁存允许信号 在对应 ALE 跳转 A B C 地址状态送入地址的锁存器中 图 2 4 1 2 ADC0809 引脚功能图 D Vref 参考电压正端参考电压用来与输入模拟信号进行比较 作为逐次逼近的基准 其曲型值为 5V Vref 5V Vref 0 D START 转换启动信号 START 上跳转时 所有内部寄存器清 0 START 下跳转时 开始进行 A D 转换 在 A D 转换期间 START 应保持 低电平 E DT D0 数据输出线 其为三态缓冲输出形式 可以和单片机数据线直接相连 F DE 输出允许信号 ADC0809 的内部设有时钟电路 所需时钟 信号由外界提供 因 此有时钟信号的引脚 通常使用频率为 500KHZ 时钟信号 I Vcc 5 电源 2 4 2 STC89C51 单片机与 ADC0809 接口 A 8 路模拟通道选择 A B C 分别接地址锁存器提供的低三位地址 只要把三位地址写入 0809 中的地址锁存 器就实现了模拟通道选择 对系统来说 地址锁存器是一个输出口 为了把三位地址写入 还要提供口地址 太原理工大学现代科技学院 课程设计 B 数据的传输方式 定时传输方式 查询方式 中断方式 2 5 放大器电路设计 传感器是将待测物理量或化学量转换成电信号的输出 但其输出的信号通常的都很小 需要进行放大 传感器信号的放大 根据具体情况可采用分立元件放大器 晶体管放大器 和集成元件放大器 运算放大器 2 5 1 交流放大器电路 a 共发射极放大电路 A 工作点不稳定状态 静态工作点 Ec Ib Rb IcIb UceEcIcRc 交流等效电路 R fzRcRfz 图 2 5 1 1 工作点不稳定状态放大电路 输入电阻 rsr rbe 当 rbe Rb 时 输出电阻 rsc Rce Rc rsc 放大倍数 K R fz rbc 此放大器特点 放大倍数大 B 工作点稳定状态 a 静态工作点 由 1 2 11 12Re1 Ue R Ube RR 2 1 EeUeUbe Rc 交流等效电路 R fz1 Rc1 rbe R fz2 Rc2 Rfz 输入电阻 rsr rbe2 当 rbe1 R1 R2 时 太原理工大学现代科技学院 课程设计 输出电阻 rsc Rc 放大倍数 K 当 RC1 rb2 时 Usc Usr 1 2 2 1 R fz Rbe 此放大电路特点 放大倍数大 工作点稳定 b 静态工作点 Ub Ua Ub Ube 1 12 EcRb RbRb Ie Uce Ec Ic Re Rc Re Ue 交流等效电路 R fz Rc Rfz 输入电阻 rsr rbe 当 rbe Rb1 Rb2 输出电阻 rsc Rc 放大倍数 K R fz rbe 图 2 5 1 2 工作点稳定状态 a 类放大器电路 此放大电路特点 rsr 较大 K 1 且与晶体管参数几乎无关 图 2 5 1 3 工作点稳定状态 b 类放大器电路 C 静态工作点 Ub Uc 同左 但 Ie Uce Ec Ic Rc Re RF Re Uc RF 太原理工大学现代科技学院 课程设计 交流等效电路 R fz Rc Rfz 输入电阻 12 srbbFberRRRr 输出电阻 当时 bbe sc Rr r eR bbeRr 放大倍数 当 fzR K RF beRFr 此放大电路特点 大 小 srrscr1K 图 2 5 1 4 工作点稳定状态 c 类放大器电路 A V 共集电极放大电路 静态工作点 c bcbceccc bc E III UEI R RR 交流等效电路 输入电阻 fzcfzRRR srbfzrRR 放大倍数 1 1 fz befz R K rR 太原理工大学现代科技学院 课程设计 图 2 5 1 5 共集电极放大器电路 B 反馈 凡是引入反馈以后使放大镜器的放大倍数减小的称为负反馈 反之凡是引反馈以后使放 大倍数增大的称为正反馈赠 其中换反馈有电压串联负反馈赠 电流串联负反馈赠 电压并 联负反馈赠 电流并联的负反馈 2 5 2 直流放大器电路 将缓慢直流量信号进行广大器件称直流放大器 它与前述交流放大器的区别是交流放大 器级与级之间加了三个隔离的直电流电容 即耦合电容 而直流放大器级与级之间没有这个 电路 故直流放大器又称直接耦合放大器 2 5 3 运算放大器电路 A 概述 在直流差动放大器的输入端子输出端之间跨接各种网络 如电阻 R1 电容 C 等 使构 成用来实现信号组合和运算的运算放大器 运算放大器通常是由放大电路组成 输入级 第 一级 由晶体管 T1 和 T2 组成差动放大镜电路 T3 和 T4 是 T1 和 T2 的有源负载 T9 是恒流源 第二级放大电路由晶体管 T5 和 T6 组成 T10 是恒流源 T6 的有源负载 为了获得输出阻抗 输出级 第三级 由晶体管 T7 和 T8 组成 采用互补对称放大电路 运算放大器是一种具有高放大倍数 深度负反馈的直流放大器 便于实现信号的组合和 运算 有很大灵活性 尤其在线性固体组件出现后 有具有体积小 质量轻等优点 所以在 实际中应用固体组件运算放大器所组成的电路是多种多样的 理想运算放大器的特性 a 开环增益 Ad 无限大 b 输入阻抗无限大 c 输出阻抗 Z 为 0 太原理工大学现代科技学院 课程设计 图 2 5 3 1 运算放大器电路图 d 输入电压的失调电压 rf 为 e 带宽无限大 f 上述 a e 的特性不随环境温度的变化 而变化 B 运算放大器的典型电路 a 反馈型号放大电路 b 加法放大电路 c 减法放大电路 d 积分电路 e 对数放大电路 f 乘法器电路 g 除法器电路 h 比较器电路 i 整流器电路 j 限频器电路 k 数据放大器电路 l 弱 电流放大器 m 电荷放大器电路 2 6 键盘及显示电路的设计 2 6 1 键盘接口电路 A 键盘的工作原理 a 按键的确认 在单片机应用系统中 按键都是以开关状态来设置控制功能或能入数据的 键的半合与 否 反映在电压上就是呈高电平或低电平 如果高电平表示断开的话 那么低电平就是表示 闭合 所以通过电平的高代状态的检测 使可以克认按键接下与否 b 按键的抖动处理 当按键被迫按下或释放时 通常伴随有一定的时间的触点机械抖动 然后其独占才稳定 下来 抖动时间一般为 5 10ms 在使用过程 必须去抖措施 去抖有硬件和软件两种方法 硬件方法通常采用通过 RS 触发器连接按键除抖 软件方法采用昝方法除抖 其过程是在检测 到有按键按下时 进行一个 10ms 左右的昝程序后 若该键仍保持闭合状态 则确认该键处于 太原理工大学现代科技学院 课程设计 讨债状态 同理 在检测到该键释放后 也应珠步骤进行确认 从而可消除抖动的影响 B 独立工按键 独立式按键是直接用 I O 口线构成的单个按键电路 其特点是每个按键单独占用一根 I O 口线 每个按键的工作不会其他 I O 口线的状态 C 矩阵式按键 单片机系统中 若使用按键分明 通常采用矩阵式 也称行列式 键盘 如图 2 5 1 1 所示 一个 4 4 的行列结构可以构成一个含有 16 个按键的键盘 在矩阵式键盘中 行列式分别 连接到按键开关的两端 行式通过二伴电阻接到 5V 上 当无键按下时 行式于高电平状态 当有键按下时 行列式将贯通 此时 图 2 6 1 1 矩阵式键盘结构 行线电平 将由与此行线相连的列线电平决定 这是识别按键是否按下的关键 然而 矩阵键盘中的行线 列线和多个键相边 各按键按下与否均影响该键反在行线和死线的电平 各按键间将相互影响 因此必须将行线 列线信号配合起来作适应处理 才能确定闭合键的 位置 其中 矩阵式键盘有以下几种工作方式 a 编程扫描方式 编程扫描是 CPU 完成其他工作的空余时间 调用键盘扫描子程序来响应键盘输入的要求 在执行键功能程序时 CPU 不再响应键输入要求 直到 CPU 重新扫描键盘为止 键盘扫描程序一般应饫以下内容 a 差别有无键按下降键盘扫描取得闭合键的行 列值 b 用计算法或查表法得到键值 c 判断闭合键是否释放 如释放则继续等待 d 将闭合键 键号保存 同时转去执行该执行该闭合键的功能 b 定时扫描方式 定时扫描方式就是每隔一段时间对键盘扫描一次 它利用单片机内部的定时器产生一定 太原理工大学现代科技学院 课程设计 时间定时 当定时时间到就产生定时溢出中断 CPU 响应中断后对键盘进行扫描 c 中断扫描方式 为提高 CPU 工作效率 可采用中断扫描工作方式其工作过和如下 当无键接下时 CPU 处理自己的工作 当有键接下时产生中断请求 CPU 转去执行键盘扫描子程序 并识别键号 2 6 2 LED 显示器接口电路 常用 LED 显示器有 LED 状态显示器 俗称发光二极管 LED 七段显示器 俗称数码管和 LED 十六段显示器 发光二极管可显示两种状态 用于系统的显示 数码管用于数字的显示 LED 十六段的显示器 用于字符显示 A 数码管结构 数码管由 8 个发光二极管 以下简称字段 构成 通过不同组合可用来显示数字 0 9 字 符 A F 及小数点 数码管又分为共阴极和共阳极两种结构 B 数码管工作原理 共阳极数码管 8 个发光二级管的阳极 二极管正端 连接在一起 通常会共阳极接高电 平 1 一般接电源 1 当某个阴极接低电平时 则该数码管导通并点亮 共阴极数码管 8 个发光 二极管的阴极 二极管负端 连接在一起 公共阴极接低电平 一般接地 当某个阳极接高 电平 则该数码管并点亮 C 静态显示接口 静态显示是指数码管显示某一字符时 相应的发光二极管恒定导通或恒定截止 这种显 示方式各位数码管相互独立 公共端恒定接地 共阴极 获接正电源 共阳极 每个数码管 的 8 个字段分别与一个 8 位 I O 地址相连 I O 口只要有断码输出 相应字符即显示出来并 保持不变直动 I O 口输出新的端码采用静态显示的方式 较小的电流即可获得较大亮度 且 占用 CPU 时间少编程简单 显示 便于检测和控制 但其占用口线多 硬件电路复杂 成本 高 只适合于显示位数较少场合 D 动态显示接口 动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管 这种逐位点亮显示方式称为位扫描 通常 各位数码管的段选线相应并联在一起由 8 位 I O 口控制 各位选线 公共阴极或阳极 有另 外 I O 口线控制 动态方式显示时 各数码管分时轮流选通 要使稳定显示 必须采用扫描 方式 即在某一时刻只选通一位数码管 并送出相应端码 在另一位数码管并送出相应的端 太原理工大学现代科技学院 课程设计 码 依此规律循环 即可使各位数码管显示将要显示字符 虽然这些字符是在不同时刻分别 显示 但由于人眼存在视觉暂留效应 只要每位显示间隔足够短就可以给人以同时显示的感 觉 图 2 6 2 1 数码管与单片机接口 2 7 抗干扰电路设计 随着强电弱电设备在通信计算机自动化等领域的广泛应用 处于同一工作环境各种电子 电气电路因距离过近而相互影响 耦合 形成电磁干扰 EMI 电磁干扰已成为现代电子电气 工程设计和研究人员在设计过程中必须考虑问题 一方面 这是由于当前电子技术正朝着高 速 高灵敏度 高集程度方面的发展 增加了现代电子设备内部产生电磁干扰的可能性 另 一方面 使用随着自动化技术装备的广泛使用 形成了电子设备和大功率强电设备在同一场 合共存和使用的局面 恶化了电子电路工作的外部电磁环境 因此 电磁干扰已成为许多电 子设备与系统在环境正常操作运行主要障碍之一 2 7 1 电磁干扰的形成因素 电池干扰由电磁干扰源发射经过耦合途径传输到被干扰设备 敏感设备 因此形成电磁 干扰的要素有 电磁干扰源 传输通到 敏感设备 2 7 2 干扰的分类 A 按干扰源分为自然干扰和人为干扰 B 按噪声波形及性质分为持续正弦波干扰和浪涌脉冲波形干扰以及脉冲列干扰 C 按干扰传输系统的方式分为共模干扰 差模干扰 传导耦合 感应耦合和辐射耦合 太原理工大学现代科技学院 课程设计 2 7 3 单片机应用系统电磁干扰控制的一般方法 单片机应用系统干扰源分为内部干扰源和外部干扰源 其中内部干扰源主要来自于印制 电路板的布局及布线 单片机系统的抗干扰技术主要包括以下四个方面的内容 A 精心选择元器件 元器件是构成部件或系统的基础 要选择集成度高 抗干扰能力强功耗小电子器件 B 元部件要精密调整 元器件的精密度是保证系统完成设定功能重要保证 因此在使用前或经过一段运行时间 之后 都应该对元器件及部件进行精确调整 如 A D 芯片的调零及满量程调整 C 采用硬件抗干扰技术 硬件抗干扰技术是设计系统时首选的抗干扰措施 它能有效抑制干扰源 阻断干扰传输 通道 只要合理地布置与选择有关的参数 硬件抗干扰措施就能抑制系统的绝大部分干扰 常用的硬件抗干扰技术措施有 吸收技术 去耦技术 屏蔽技术 接地技术 隔离技术以及 印制电路板布线技术 D 采用软件抗干扰技术 软件抗干扰方法具有简单 灵活方便 耗费硬件资源少的特点 在微机测控系统中获得 了广泛应用 常用的软件抗干扰技术有 数字滤波 信息传输过程的自动检验 系统运行状 态监视与发生故障时的自动恢复 本次设计采用硬件抗干扰技术中的屏蔽技术 通过合理的硬件抗干扰措施 可以消除绝大部分电磁干扰 应用硬件抗干扰措施是经常 采用的一种方法 下面做详细介绍 2 7 4 硬件抗干扰措施 A 屏蔽技术 屏蔽技术能有效地抑制通过自由空间传播的电磁干扰 通过应用屏蔽技术 可以限制系 统内部的辐射电磁能对外部元件和装置干扰 同时也防止来自系统外部辐射干扰进入系统内 部 屏蔽接地其原理可分为电场屏蔽 磁场屏蔽和电磁场屏蔽 屏蔽分析一般采用两种方法 一种是应用电路理论 另一种是应用场理论 B 接地技术 太原理工大学现代科技学院 课程设计 实践证明 良好的接地可以在很大程度上抑制系统内部噪声耦合 防止外部干扰的侵入 提高系统的抗干扰能力 反之若接地处理得不好 会导致噪声耦合 形成严重干扰 电气设备中的 地 通常有两种含义 一种是 大地 另一种是 工作基准地 所谓 大地 这里是指电气设备的金属外壳 线路等通过通过接地线 接地极与地球大地的相连 接 这种接地可以保证设备和人身安全 提供静电的屏蔽 通路降低电磁感应噪声 工作基准地 是指信号回答的基准导体 如控制电源的零电位 称 系统地 这是的所谓接地是指将各单元 装置内部各部分电路信号返回线与基准导 体之间的连接 这种接地的目的是为各部分提供稳定的基准电位 对这种接地的要求时尽量 减小接地回路中的公共阻抗压降 以减少系统中干扰信号公共阻抗的耦合 电气设备接地的目的有三个 其一是为各电路的工作提供基准电位 其二是为了安全 其三是为了抑制干扰 根据电气设备回路性质和接地目的 可将接地方式分为三类 安全接地 工作接地和屏 蔽接地 此外电磁干扰源硬件控制技术还有滤波技术 隔离技术 电路平衡结构 双绞线抗干扰 接地 信号线间的抑制 漏电干扰防止措施 第三章 软件部分设计 3 1 工作流程 烤箱在上电复位后先处于停止加热的状态 这时可以用 1 键设定预置温度 显示器 显示预定温度 温度设定好后就可以按启动键启动系统工作了 温度检测系统不断定时检测 当前温度 并送往显示器显示 达到预定值后停止加热并显示当前温度 当温度下降到下限 比预定值低 2 时再启动加热 这样不断重复上述过程 使温度保持在预定温度范围之 内 启动后不能再修改预置温度 必须按复位 停止键回到停止加热状态再重新设定的预置温 度 3 2 功能模块 根据上面对工作流程的分析 系统软件可以分为以下几个功能模块 a 键盘管理 监测键盘输入 接收温度预置 启动系统工作 b 显示 显示设置温度及当前温度 c 温度检测及温度值变换 完成 A D 转换及数字滤波 d 温度控制 根据检测到的温度控制电炉工作 太原理工大学现代科技学院 课程设计 e 报警 当预置温度或当前炉温越限时报警 3 3 资源分配 为了便于阅读程序 首先给出单片机资源分配情况 如表 3 4 1 1 所示 程序存储器 EPROM2764 的地址范围为 0000H 1FFFH I O 口 P1 0 P1 3 键盘输入 P1 6 P1 7 报警控制和电炉控制 A D 转换器 ADC0809 通道 0 7 的地址为 7FF8H 7FFFH 使用通道 0 3 4 功能软件设计 3 4 1 键盘管理模块 上电或复位后系统处于键盘管理状态 其功能是监测键盘输入 接收温度预置和启动键 程序设有预置温度合法检测报警 当预置温度超过 500 时会报警并将温度设定在 500 键 盘管理子程序流程图如图所示 键盘管理子程序 KIN KIN ACAL CHK 预置温度合法性检测 MOV BT1 ST1 MOV BT0 ST0 预置温度送显示缓冲区 ACALL DISP 二次调用显示子程序延时去抖 ACALL KEY 再检测有无键按下 表 3 4 1 1 温度控制软件数据存储器分配表 地址功能名称初始发值 50H 51H 当前检测温度 高位在前 TEMP1TEMP000H 52H 53H 预置温度 高位 在前 ST1ST000H 54H 56H BCD 码显示缓冲 区 百位 十位 个位 T100T10T00H 57H 58H 二进制显示缓冲 区 高位在前 BT1BT000H 太原理工大学现代科技学院 课程设计 59H 7FH 堆栈区 PSW 5 报警允许标志 F0 0 时禁止报警 F0 1 时允许报警 F00 LCALL DISP 显示预置温度 KIN0 ACALL KEY 读键值 JZ KIN0 无键闭合和重新检测 ACALL DISP JZ KIN0 无键按下重新检测 JB ACC 1 S10 MOV A 100 百位键按下 AJMP S A P1 1 0 P1 2 0 P1 3 0 P1 0 0 100 A 10 A 1 A A A Y N Y N N Y Y Y N N N Y N Y 太原理工大学现代科技学院 课程设计 图 3 4 1 1 键盘管理子程序流程图 S10 JB ACC 2 S1 MOV A 10 十位键按下 AJMP SUM S1 JB ACC 3 S0 MOV A 01 个位键按下 SUM ADD A ST0 预置温度按键 1 MOV ST0 A MOV A 00H ADDC A ST1 MOV ST1 A KIN1 ACALL KEY 判断闭合键释放 JNZ KIN1 未释放继续判断 AJMP KIN 闭合键释放继续扫描键盘 S0 JNB ACC 0 KIN 无键按下重新扫描键盘 RET 启动键按下返回 KEY MOV A P1 读键值子程序 CPL A ANL A 0FH RET 预置温度合法性检测子程序 CHK 用双字节减法比较预置温度是否大于 500 01F4H CHK MOVA 0F4H 预置温度上限低 8 位送 A CLRC SUBBA ST0 低 8 位减 借位送 CY MOVA 01H 预置温度上限高 8 位送 A 太原理工大学现代科技学院 课程设计 SUBBA ST1 高 8 位带借位减 JC OUTA 预置温度越界 转报警 MOVA 00H 预置温度合法标志 RET OUTA MOV ST1 01H 将 500 写入预置温度数据区 MOV ST0 0F4H CLRP1 6 发报警信号 0 6 s ACALL D0 6s SETB P1 6 停止报警 RET 3 4 2 显示模块 显示子程序功能是将显示缓冲区 57H 和 58H 的二进制数据先转换成三个 BCD 码 分别存 入百位 十位和个位显示缓冲区 54H 55H 和 56H 单元 然后通过串口送出显示 显示子 程序 DISP DISP ACALL HTB 将显示数据转换为 BCD 码 MOV SCON 00H 置串行口为方式 0 MOV R2 03H 显示位数送 R2 MOV R0 T100 显示缓冲区首地址送 R0 LD MOV DPT