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电饭煲MCS8051单片机系统的设计,毕业设计
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电饭煲系统的设计 摘要： 电饭煲是利用电能转变为热能的炊具，使用方便，清洁卫生，还具有对食品进行蒸、煮、炖、煨等多种操作功能。本系统采用 MCS8051单片机 自动检测、调整加工程序、计算加工定时时间 。加热完成后，单片机自 动启动报警驱动程序，驱动蜂鸣器报警，既而实现自动或人工切断电路， 系统停止工作。整个工作过程均通过传感器总成实时安全防护、自动故障检测，确保安全。 关键词： 电饭煲， MCS8051单片机， 定时， 报警。 一、 引言 电饭煲 工艺介绍 电饭煲是利用电能转变为热能的炊具，使用方便，清洁卫 生，还具有对食品进行蒸、煮、炖、煨等多种操作功能。常见的电饭锅分为保温自动式、定时保温式以及新型的微电脑控制式三类。现在已经成为日常的家用电器，在中国饮食文化的大背景下，是一种不可缺少的生活用品， 智能电饭煲主要由电源部分和控制电路组成，主控电路与热敏电阻形成反馈回路，主控电路实现两种功能，一是采集热敏电阻反馈回来的温度值，二是依据用户选nts用的工作方式，对继电器的工作方式的改变来对电热盘加热的控制。控制方法大至为：当电热盘温度达到当前的要求后，继电器的开关打开，以切断电热盘的电源，当下降到一定的温度 范围后通电加热，闭合继电器，以使电热盘始终保持在适合的温度范围以内。 系统 总体设计框图 如下：电饭煲总 框架图 二、 硬件设计 1.8051 单片机 主控制器 本 机采用 MCS51系列单片机 ，该单片机 具有性能稳定、工作可靠、价格低廉等特点，因此 无论 在国内，国外 其应用 都 相当广泛 ，已经成为工业标准产品，尤其适功能键选择 1.开关 /保温 2.开始 3.功能选择 4.定时加 5.定时减 8051 单片机 驱动电路 蜂鸣器报警 驱动电路 功能指示灯 继电器 电源电路 加热盘 顶盖温度传感器 顶盖温度传感器 器 220v nts合于自动控制，人工智能等领域 。 MCS-51 单片机是在一块芯片中集成了 CPU， RAM， ROM、定时器 /计数器和多种功能的 I/O 线等一台计算机所需要的基本功 能部件。 如图 2-1 所示。 其 主要资源如下： 8位 CPU.即， MCS-51单片机是 8位微机，能以 8位二进制数为一字节进行处理数据； 片内带震荡器，其震荡频率为fosc=1.2 12MHz; 128B片内 RAM; 4KB片内程序存储器 ROM(8031无 )； 程序存储器的寻址范围 64KB; 片外数据存储器 PAM寻址范围 64KB; 21个特殊功能寄存器 SFR； 4个 8位并行 I/O接口： P0,P1,P2,P3; 1个全双工串行 I/O接口，可多机通信； 2个 16位定时器 /计数器 T0/T1; 中断系统有 5个中断源； 111条指令，含乘法，除法指令； 位操作功能强（位操作指令 17条）； 片内采用单总线结构； 用单一电源 +5V. 8051 单片机采用 40 引脚的双列直插封装方式。图2-2 为引脚排列图， 40 条引脚说明如下： 1、主电源引脚 Vss和 Vcc Vss 接地 Vcc正常操作时为 +5伏电源 2、外接晶振引脚 XTAL1和 XTAL2 nts (图 2-1) MCS8051单片机框图 XTAL1 内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。 XTAL2 内部振 荡电路反相放大器的输出端。是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。 3、控制或与其它电源复用引脚 RST/VPD，ALE/PROG ， PSEN 和 EA /Vpp RST/VPD 当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位 。在 Vcc 掉电期间，此引脚可接图 2-2所示 8051 引脚排列图上备用电源，由 VPD 向内部提供备用电源，以保持内部 RAM 中的数据。 ALE/PROG 正常操作时为 ALE功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存到外部锁存器， ALE 引脚以不变的频率（振荡器频率的61）周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时振荡器及 定时电路 8051CPU 4K 字节 ROM 128 字节 RAM 2 个 16 位定时器 /计数器 64K 总线扩展控制 可编程 I/O 可编程 串行口 nts目的。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个 ALE脉冲， ALE 端可以驱动（吸收或输出电流）八个 LSTTL电路。 对于 EPROM 型单片机，在 EPROM 编程期间，此引脚接收编程脉冲（ PROG 功能） PSEN 外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间， PSEN 在每个机器周期内两次有效。 PSEN 同样可以驱动八 LSTTL 输入。 EA /Vpp 、 EA /Vpp为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当 EA /Vpp 为高电平时，访问内部程序存储器，当 EA /Vpp 为低电平时，则访问外部程序存储器。对于 EPROM 型单片机，在 EPROM 编程期间，此引脚上加 21伏 EPROM 编程电源（ Vpp）。 4、输入 /输出引脚 P0.0 - P0.7， P1.0 - P1.7， P2.0 - P2.7， P3.0 - P3.7。 P0口（ P0.0 - P0.7）是一个 8 位漏极开路型双向 I/O 口，在访问外部存储器时，它是分时传送的低字节地址和数据总线， P0口能以吸收电流的方式驱 动八个LSTTL 负载。 P1口（ P1.0 - P1.7）是一个带有内部提升电阻的 8 位准双向 I/O 口。能驱动 (吸收或输出电流 )四个LSTTL 负载。 P2口（ P2.0 - P2.7）是一个带有内部提升电阻的 8 位准双向 I/O 口，在访问外部存储器时，它输出高8 位地址。 P2 口可以驱动 (吸收或输出电流 )四个 LSTTL负载。 P3口（ P3.0 - P3.7）是一个带有内部提升电阻的 8 位准双向 I/O 口。能驱动 (吸收或输出电流 )四个LSTTL 负载。 2. 时钟电路 8051 片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路， XTAL1和 XTAL2分别为振荡电路的输入和输出端， 时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式时 nts 图 2-2 钟电路如图 2-3 所示。在 XTAL1 和 XTAL2 引脚上外接定时元件，内部振荡电路就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振可以在 1.2MHz 到 12MHz 之间选择，电容值在 5-30PF之间选择，电容的大小可起频率微调作用。 电容 1 晶振 电容 2 图 2-3 内部方式时钟电路 外部方式的时钟很少用，若要用时，只要将 XTAL1接地， XTAL2 接外部振荡器就行。对外部振荡信号无特殊要求，只要保证脉冲宽度，一般采用频率低于 12MHzXTAL1 XTAL2 P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78R S T /V P D9R X D P 3. 010T X D P 3. 111I NT 0 P 3. 212I NT 1 P 3. 313T 0 P 3. 414T 1 P 3. 515W R P 3. 616R D P 3. 717X T AL 218X T AL 119V S S20P 2 . 021P 2 . 122P 2 . 223P 2 . 324P 2 . 425P 2 . 526P 2 . 627P 2 . 728P S E N29AL E /P R OG30E A/V P P31P 0 . 732P 0 . 633P 0 . 534P 0 . 435P 0 . 336P 0 . 237P 0 . 138P 0 . 039V C C408031 8051 8751nts的方波信号。时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟信号 P1 和 P2 供单片机使用。 P1 在每一个状态 S 的前半部分有效， P2 在每个状态的后半部分有效。 3.复位和复位电路 8051 单片机的复位电路如图 2-4 所示。在 RESET（图中表示为 RES）输入端出现高电平时实现复位 和初始化。 +5V +5V 10 F 1K 10 F 复 8.2K 按键 5.1K 地 地 (a) (b) 图 2-4 复位电路 在振荡运行的情况下，要实现复位操作，必须使RES 引脚至少保持两个机器周期（ 24 个振荡器周期）的高电平。 CPU 在第二个机器周期内执行内部复位操作，以后每一个机器周期重复一次，直至 RES 端电平变低。复位期间不产生 ALE 及 PSEN 信号。内部复位操作使堆栈指示器 SP 为 07H，各端口都为 1（ P0-P3 口的内容均匀 0FFH），特殊功能寄存器都复位为 0，但不影响 RAM 的状态。当 RES 引脚返回低电平以后， CPU从 0 地址开始执行程序。复位后，各内部寄存状态下如下 ： 寄存器 内容 PC 0000H ACC 00H B 00H PSW 00H SP 07H DPTR 0000H MCS-51 RES MCS-51 RES nts P0 -P3 0FFH IP 00000 IE 0 00000 TMOP 00H TCON 00H TH0 00H TL0 00H TH1 00H TL1 00H SCON 00H SBUF 不定 PCON 0 图 2-4（ a）为加电自动复位电路。加电瞬间， RES 端的电位与 Vcc相同，随着 RC 电路充电电流的减小 RES的电位下降，只要 RST 端保持 10 毫秒以上的高电平就能使 MCS-51单片机有效地复位，复位电路中的 RC 参数通常由实验调整。当振荡频率选用 6MHz 时， C 选 22uF，R 选 1K，便能可靠地实现加电自动复位，若采用 RC 电路接斯密特电路的输入端，斯密特电路输出端接 MCS-51和外围电路的复位端，能使系统可靠地同步复位。图 2-4（ b）为人工复位电路。复 位电路在实际应用中很重要，不能可靠复位会导致系统不能正常工作，所以现在有专门的复位电路，如 810 系列，这种类型的器件不断有厂家推出更好的产品，如将复位电路、电源监控电路、看门狗电路、串行 E2ROM 存储器全部集成在一起的电路，有的可分开单独使用，有的可只用部份功能，让使用者就具体实际情况灵活选用。 4.蜂鸣器 报警驱动电路 蜂 鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，本文 运用单片机驱动蜂鸣器，他广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电话机等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两 种类型。电nts磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（ 1.515V 直流工作电压），多谐振荡器起振 ,输出 1.5 2.5kHZ 的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。 本文采用 电磁式蜂鸣器驱动 。 蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产 生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机 IO 引脚输出的电流较小，单片机输出的 TTL 电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。 S51 增强型单片机实验板通过一个三极管来放大驱动蜂鸣器，原理图见下面图 2-5。 单片机实验板蜂鸣器驱动 原理图 ： nts图 2-5 如图所示，蜂鸣器的正极接到 VCC（ 5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极 E，三极管的基级 B 经过限流电阻 R1 后由单片机的 P3.7 引脚控制，当 P3.7 输出高电平时，三极管 T1 截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器 不发声；当 P3.7 输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程序控制 P3.7 脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。程序中改变单片机 P3.7 引脚输出波形的频率，就可以调整控制蜂鸣器音调，产生各种不同音色、音调的声音。另外，改变 P3.7 输出电平的高低电平占空比，则可以控制蜂鸣器的声音大小，这些我们都可以通过编程来 实现 。 蜂鸣器 驱动 程序 通过在 P3.7 输出一个音频范围的方波，驱动实验板上的蜂鸣器发出蜂鸣声，其中 DELAY延时子程序的作用是使输出的方波频率在人耳朵听觉能力之内 的 20KHZ 以下，如果没有这个延时程序的话，输出的频率将大大超出人耳朵的听觉能力，我们将不能听到声音。更改延时常数，可以改变输出频率，也就可以调整蜂鸣器的音调。大家可以在实验中更改 #228 为其他值，听听蜂鸣器音调的改变。 ORG 0000H AJMP MAIN ； 跳转到主程序 ORG 0030H MAIN: CPL P3.7 ； 蜂鸣器驱动电平取反 LCALL DELAY ； 延时 AJMP MAIN ； 反复循环 DELAY:MOV R7,#228 ； 延时子程序，更改该延 时常数可改 变 蜂鸣器发出的音调 DE1: DJNZ R7,DE1 nts RET END 5.光电耦合开关 电路 光电耦合器具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰性能强无触点且输入与输出在电气上完全隔离等特点，因而在各种电子设备上得到广泛的应用光电耦合器可用于 隔离电路、负载接口（主要作用）及各种家 用电器等电路中图 1电路中，当输入信号 ui为低电平时，晶体管 V1 处于截止状态，光电耦合器 B1中发光二极管的电流近似为零，输出端 Q11、 Q12间的电阻很大，相当于开关 “ 断开 ” ；当 ui 为高电平时， v1导通， B1中发光二极管发光， Q11、 Q12 间的电阻变小，相当于开关 “ 接通 ” 该电路因 Ui为低电平时，开关不通，故为高电平导通状态 如图 2-6所示 图 2-6 6. 电源供电电路 本设计系统中，所需电源种类较多，为设计方便、减少元器件，选用串联型三端固定电压集成稳压器78XX 系列和 79XX 系列， 它们提供 1.5 A 额定输出电流和 5 V、 6 V、 9 V、 12 V、 15 V、 24 V 等各档稳定电压。芯片内部设有短路、过热及调整管、安全工作区等保护电路，所需外接元件少，使用nts方便、可靠。本系统中选用 7805、 7905、 7812 和 7912。电源供电电路如图 2-7 所示。 变压器输入 220 V 工频电源，采用全桥整流和电容滤波方式。电压在整流之后采取大容量的电解电容 C10 进行滤波，但这并不能抑制来自电源侧的高频干扰，频率越高，感抗越大，这也是整流电路后的高频电容 C12 不可缺少的原因。稳压器输出 端电容的作用是用来改善暂态响应，使瞬时增减负载电流时不致引起电压有较大的波动。 nts图 2-7 电源供电电路原理图 三、 控制算法 设计 在工业控制系统中，应用最广泛的控制器是所谓的 PID控制器。 PID调节是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式。 PID调节的实质是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用于输出控制。在实际应用中，根据具体情况，可以灵活地改变 PID的结构，取其一部分进行控制。 1、模拟系统的 PID算 法表达式 在模拟系统中， PID算法的表达式为： ( 7-1) 式中 ： P（ t） -调节器的输出信号 e(t)-调节器的偏差信号，它等于测量值与给定值之差 KP 调节器的比例系数 TI-调节器的积分时间 TD-调节器的微分时间 2、离散系统的 PID算法表达式 对式（ 7-1）进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，则积分项和微分项可用求和及增量式表示： （ 7-2） （ 7-3） （ 1）位置型 PID控制算式 )()(1)()( dt tdedttetetP TTK DIP njnjno jETtjEdtte 0 0 )()()(TkEkEtkEkEdttde )1()()1()()( nts 将式（ 7-2）和式（ 7-3）代入式（ 7-1），则可得离散的 PID表达式 （ 7-4） 式中 ： t=T-采样周期，必须使 T足够小； k -采样序号， k=0， 1， 2. E（ k）、 E(k-1) -第 k次和第（ k-1）次采样时的偏 差 值 P（ k） -第 k次采样时调节器的输出 由于式（ 7-4）的输出值与阀门开度的位置一一对应，因此，通常把式（ 7-4）称为位置型 PID控制算式。 （ 2）增量型 PID控制算式 式（ 7-4）不仅计算繁琐，而且为保存 E（ j）要占用很多内存。因此，用该式直接进行控制很不方便。做如下改动，根据递推原理，可写出（ k-1）次的 PID输出表达式： 用式（ 7-4）减去式（ 7-5），可得： （ 7-6） 式中 ： KI=KPT/TI -积分系数 KD=KPTD/T -微分系数 由（ 7-6）可知，要计算 k次输出值 P（ k），只需知道 P（ k-1）， E（ k-1）， E（ k-2）即可 。 在很多控制系统中，控制机构采用的是步进电机或多圈电位器，所以只要给出一个增量信号即可。式（ 7-4）与式（ 7-5）相减得： )1()()()()(0 kEkETjETkEkP kjDIPTTK) 2()1()()1()1( 10 kEkETjETkEkP TTK DkjIp)2()1(2)()()1()()1()(kEkEkEkEkEkEkPkPKK K DI P)2()1(2)()()1()()1()()(kEkEkEkEkEkEkPkPkPKKKDIPnts （ 7-7） 式中 KP 、 KD同式（ 7-6）。式（ 7-7）叫增量型 PID控制算式。 （ 3）计算机实现 PID控制原理图 1、位置型 PID算法的程序设计 由式（ 7-4）可写出 k次采样时 PID的输出表达式 （ 7-9） 式中 ： KI 、 KD同式（ 7-6） 思路：将三项拆开，并应用递推进行编程 设比例输出： Pp (k)=KP E(k) 积分项输出： )1()()()()()(100kkEjEkEjEkPKKKKPIIkJIIkjII)1()()()()(0 kEkEjEkEkP KKK DkjIPnts 微分项输出： 所以，式（ 7-9）可写为 （ 7-10） 该式即为离散化的位置 PID编辑公式。 其流程图如下图所示， 2、增量型 PID算法的程序设计 由式（ 7-7），设 )1()()( kEkEk KP DD)()()()( kkkkP PPP DIP nts 代入式（ 7-7）得 （ 7-11） 此即为离散化的增量型的 PID编程表达式。增量型PID算法程序流程图 ， 如下 图所示 )1()()( kEkEk KP PP)()( kEk KP II )2()(2)()( kEIkEkEk KP DD)()()()( kkkkP PPP DIP nts四、 软件设计 1.控制系统总流程 本电饭煲控制系统操作简单方便， 安全可靠。实现了 8051单片机自动控制。 采用人工操作启动，启动后定时加热。加热完成后系统自动启动驱动电路，驱动蜂鸣器报警。而后系统自动切断电源。 控制系统 总流程图如下图 4-1所示： 2. 8051单片机定时系统 8051单片机有 T0和 T1两个内部定时器 /计数器。每个定时器 /计数器都属于特殊功能寄存器， TO由高 8位 TH0和低 8位 TL1组成。因此， T0和 T1均可以通过字节传送指令为他们分别设置初值，以获得不同定时时间和所需要的记数值。 MOV 30H,#00H MOV 31H,#00H MAIN: MOV 31H,#300 LOOP: LCALL DELAY1S INC 30H DJNZ 31H,LOOP . . DELAY1S: MOV R5,#20 DL0: MOV R6,#20 DL1: MOV R7,#248 DJNZ R7,$ DJNZ R6,DL1 DJNZ R5,DL0 RET . . nts 单片机初始化 加热？ 发送加热命令 定时加热是否完成？ 报警 自动切断电源 结束 开始 Y Y N N nts图 4-1 电饭煲控制系统总流程图 五、 总结与体会 经过 两 周的单片机课程设计，终于完成了我的 电饭煲的系统设计 ，虽然没有完全达 到设计要求，但 心底 还是禁不住喜悦。 微机课程设计的一个重要功能，在于运用学习成果，检验学习成果。运用学习成果，把课堂上学到的系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设计工作，并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和设想。检验学习成果，看一看课堂学习与实际工作到底有多大距离，并通过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完善学习计划，改变学习内容与方法提供实践依据。 在本次设计的过程中，我发现很多的问题，虽然以前 没有 做过这样的 设计但这次设计 让我长进了很多， 微机 课程设计重点就在于 控制 算法的设计，需要有很巧妙的程序算法，有好多的东西，只有我 们去试着做了，才能真正的掌握，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握。 从这次的课程设计中，我真真正正的意识到， 做什么事情，都要对认真，既然是该你做的事，肯定是你应该有这个能力，即使能力不够，也是应该借这个机会来培养。所以放心大胆地做，对自己有信心，就有动力。有人说，世上的事
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