单片机原理接口技术课程设计报告电烤箱加热控制器设计.doc
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1、- -辽 宁 工 业 大 学单片机原理及接口技术 课程设计论文题目: 电烤箱加热控制器设计 院系: 新能源学院 专业班级: 电气131学 号:131803027学生: 胡筱璇 指导教师:签字起止时间:2021.06.23-2021.07.05- word.zl- -课程设计论文任务及评语院系:新能源学院 教研室: 学 号131803027学生胡筱璇专业班级电气131课程设计论文题目电烤箱加热控制器设计课程设计论文任务电烤箱由电阻丝加热,功率达5kW。通过传感器测量温度并调节加热功率。温度控制围0300,可设定恒温值。设计任务:1. CPU最小系统设计包括CPU选择,晶振电路,复位电路2. 温度
2、传感器选择及接口电路设计3. 温度显示、电热丝驱动电路设计4 . 程序流程图及程序清单编写技术参数:1温度控制围0300,功率达5kW2工作电源220V设计要求:1、分析系统功能,选择适宜的单片机及传感器,温度检测电路设计等;2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图;3、按规定格式,撰写、打印设计说明书一份,其中程序开发要有详细的软件设计说明,详细阐述系统的工作过程,字数应在4000字以上。进度方案第1天 查阅收集资料第2天 总体设计方案确实定第4天 CPU最小系统设计第5天 传感器选择及其接口电路设计第6天温度显示、电热丝驱动电路及电源电路设计第7天 程序流程图设计第8天 软件编写与调
3、试第9天 设计说明书完成第10天 辩论指导教师评语及成绩平时: 论文质量: 辩论:总成绩: 指导教师签字: 年 月 日注:成绩:平时20% 论文质量60% 辩论20% 以百分制计算摘 要家用电烤箱是一种具有自动控温、加热、定时等功能的家用厨房器具。制出的食品色、香、味俱全。本课题主要针对家用电烤箱温度控制器进展研究。本课题以AT89C51单片机系统为核心,对单点的温度进展实时检测。采用模拟温度传感器PT100对温度进展检测;采用串型模数转换器MAX197进展A/D转换把温度信号调解转换为电压信号与AT89C51单片机接口设置LED八段数码管实时显示温度值。本设计包括温度传感器、A/D转换模块、
4、数据传输模块、温度显示模块四个局部。文中对每个局部功能、实现过程作了详细介绍。关键词:电烤箱;单片机微处理器;温度传感器PT100 目 录第1章 绪论11.1 温度控制器概况11.2 本文研究容2第2章 CPU最小系统设计32.1 电烤箱加热控制器总体设计方案32.2 CPU的选择42.3 数据存储器扩展62.4 复位电路设计62.5 时钟电路设计72.6 电源电路设计82.7 CPU最小系统图8第3章 89C51输入输出接口电路设计103.1 温度传感器的选择103.2 温度检测接口电路设计103.2.1 A/D转换器选择103.2.2 模拟量检测接口电路图123.3 加热输出接口电路设计1
5、23.4 人机对话接口电路设计13第4章 电烤箱软件设计154.1 软件实现功能综述154.2 流程图设计154.2.1 主程序流程图设计154.2.2 模拟量检测流程图设计174.3 程序清单18第5章 系统设计与分析215.1系统原理图215.2 系统原理综述21第6章 课程设计总结23参考文献24- word.zl- -第1章 绪论1.1 温度控制器概况电烤箱作为家用西式小电器之一,在我国随着人们居住环境的不断改善,厨房的地位也越来越重要。电烤箱易于操作而且制作食物方便,味道保持了传统烧烤的美味而被人们争相购置。在电烤箱的研究过程中,温度的控制尤为重要,温度控制器的研究又显得举足轻重。温
6、度控制系统在国各行各业的应用虽然已经十分广泛,但从生产的温度控制器来讲,总体开展水平仍然不高。目前,我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平,成熟产品主要以“点位控制及常规的PID控制器为主。它只能适应一般温度控制系统,难于控制滞后、复杂、时变温度控制系统。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表,国技术还不十分成熟,形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面。目前社会上温度控制大多采用智能调节器,国产调节器分辨率和精度较低,温度控制效果不是很理想,但价格廉价,国外调节器分辨率和精度较高,价格较贵。通过对智能控制算法及相关温度控制器的深入研究,设计出了一整套的温度控制系统,包括其
7、系统软硬件组成构造。将嵌入式引进温度控制系统中,参加键盘和LCD显示。清晰显示系统的运行状态,用户也可以根据实际情况通过核心板键盘和计算机随时更改初始数据,使温控系统更加智能化,更易于操作。这种设计方法弥补了国产调节器精度较低的缺点。实验证明。系统在增量式PID算法的控制下运用ARM控制器系统的稳态精度到达0.5以,运行速度极快。从市场角度看,如果我国的大中型企业将温度控制,可以降低消耗,控制本钱,从而提高生产效率。嵌入式温度控制系统符合国家提出的“节能减排的要求,符合国家经济开展政策,具有十分广阔的市场前景。现今,应用比拟成熟的如电力脱硫设备中,主控制器在主蒸汽温度控制系统中的应用,已经到达
8、了世界前沿。电力部门1980年产生废气是现今的八倍。节约了两倍的初级能源,相当于少开采了三个中型煤矿。如今,在微电子行业中。温度控制系统也越来越重要,如单晶炉、神经网络系统的控制。因此。温度控制系统经济前景非常广泛,我国的高新精尖行业研究其应用的意义更是更加重大。 1.2 本文研究容本文研究电烤箱温度控制器。电烤箱由电阻丝加热,功率达5kW。通过传感器测量温度并调节加热功率。温度控制围0300,可设定恒温值。研究包括CPU最小系统设计包括CPU选择,晶振电路,复位电路、 温度传感器选择及接口电路设计、温度显示、电热丝驱动电路设计、程序流程图及程序清单编写等步骤。第2章 CPU最小系统设计2.1
9、 电烤箱加热控制器总体设计方案根据加热炉的功能和指标要求,本系统可以从元件级开场设计,选用单片机为主控机。通过连接外围控制电路,实现对加热炉温度的测量和控制。该系统以89C51单片机为核心,由温度传感器、运算放大器、A/D转换器、输入光电隔离、驱动电路、键盘、LED显示电路共同组成。在系统中,温度的设置、温度值及误差显示、控制参数的设置、运行、暂停及复位等功能由键盘及显示电路完成。温度传感器把测量的电阻炉温度信号转换成弱电压信号,经过信号放大电路,送入低通滤波电路,以消除噪音和干扰,滤波后的信号输入到A/D转换器,转换成数字信号输入89C51单片机。下列图为加热炉温度控制系统框图:图2.1 电
10、烤箱加热控制器设计框图温度传感器完成对电烤箱温度的采集,运算放大器对温度传感器的采样进展放大,A/D转化器完成把模拟量转换成单片机可以识别的数字信号,单片机的CPU将对这个信号进展处理和响应,温度的数值通过LED显示器显示出来,如果还需要加热,单片时机对驱动器发出指令,驱动器经过光电隔离提高系统抗干扰能力、晶闸管通过控制晶闸管的导通来改变温度使加热器的电阻丝发热,继续对电烤箱进展加热;用户可以通过键盘对温度进展手动控制; 电压同步信号完成将220V的交流电转换成单片机的工作电压直流电+5V。2.2 CPU的选择本次设计的温度控制系统精度较高,需要的I/O接口也比拟多,因此采用AT89C51单片
11、机作为本系统的微处理器。AT89C51是一个低电压,高性能CMOS 8位单片机,40个引脚,32个外部双向输入/输出I/O端口,同时含2个外中断口,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口。片含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器RAM,可以按照常规方法进展编程,也可以在线编程。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片置通用8位中央处理器和Flash存储单元,置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。因此此单片机完全能满足温度控制系统的要求。AT89C51的主要
12、特性如下:1、寿命达1000写/擦循环2、 数据保存时间:10年 3、 全静态工作:0Hz24MHz 4、三级程序存储器锁定 5、128B部RAM 4KB部ROM 6、4个并行I/O口,共32条可单独编程的I/O线 7、2个16位定时器/计数器 8、5个中断源,2个中断优先级 9、可编程串行通道 10、低功耗闲置和掉电模式 11、片振荡器和时钟电路89C51单片机的接法及引脚功能为:VCC40:接5V电源 GND20:接地P0口3932:P0口为8位漏极开路双向I/O口,每个引脚可吸收8个TTL门电流。 P1口18:P1口是从部提供上拉电阻器的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收和输出4个TT
13、L门电流。 P2口2128:P2口为部上拉电阻器的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收和输出4个TTL门电流。 P3口1017:P3口是8个带有部上拉电阻器的双向I/O口,可接收和输出4个TTL门电流,P3口也可作为AT89C51的特殊功能口。 RST9:复位输入。当振荡器复位时,要保持RST引脚2个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG30:当外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节,在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6,它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的,要注意的是,每当外部数据存储
14、器时,将跳过1个ALE脉冲。 PSEN29:外部程序存储器的读选通信号。在由外部程序存储器取值期间,每个机器周期2次PSEN有效,但在外部数据存储器时,这2次有效的PSEN信号将不出现。 EA/VPP31:当EA保持低电平时,外部程序存储器地址为0000HFFFFH不管是否有部程序存储器。FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源VPP。 XTAL119:反向振荡器放大器的输入及部时钟工作电路的输入。 XTAL218:来自反向振荡器的输出。图2.2 89C51引脚图2.3 数据存储器扩展由于本次设计中选用的CPU,89C51单片机的部仅有128个字节的RAM,在实时采集电压、电流和隔离
15、开关、断路器的闭、合,以及对这些数据进展处理等,仅靠片提供的RAM容量远远不够,这就需要扩展外部数据存储器。本次设计的数据存储器的电路采用8K的静态6264数据存储器。具体扩展如下所示:6264数据存储器的容量为8K。共有13根地址线A0-A12。其中,低八位地址线通过锁存器与89C51的P0口相连,高5位与89C51的P2.0-P2.4相连。当89C51发出13位地址信息时,分别选中6264片8KB存储器中个单元,而8根数据线直接与89C51的P0口相连。6264的OE端与89C51的RD相连。6264的WE端与89C51的WR相连。6264的片选线CE直接连89C51的P2.6。图2.3
16、数据存储器扩展图2.4 复位电路设计单片机的复位电路分上电复位和按键复位两种方式。A. 上电复位:在加电之后通过外部复位电路的电容充电来实现的。当Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位,即接通电源就完成了系统的初始化电路原理图。RST上的电压必须保证在斯密特触发器的阀值电压以上足够长时间,满足复位操作的要求。B. 按键复位:程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时,为了摆脱困境,也需按复位键以重新启动。RST引脚是复位信号的输入端,复位信号是高电平有效。按键复位又分按键脉冲复位和按键电平复位。电平复位将复位端通过电阻与Vcc相连,按键脉冲复位是利用RC分电路产生正脉冲来到达复位
17、的。图2.4 复位电路原理图2.5 时钟电路设计单片机部有一个高增益反向放大器,输入端为芯片引脚 ,输出端为引脚 。而在芯片外部 和 之间跨接晶体振荡器和微调电容,从而构成一个稳定的自激振荡器。晶体震荡频率高,那么系统的时钟频率也高,单片机运行速度也就快,但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高,对印制电路板的工艺要求也高,所以,这里使用震荡频率为12MHz的石英晶体。震荡电路产生的震荡脉冲并不直接是使用,而是经分频后再为系统所用,震荡脉冲经过二分频后才作为系统的时钟信号。在设计电路板时,振荡器和电容应尽量靠近单片机,以防止干扰。需要注意的是:电路板时,振荡器和电容应尽量安装得与单片机靠近,以
18、减小寄生电容的存在更好的保障振荡器稳定、可靠的工作电路图如下图。图2.5 时钟电路原理图2.6 电源电路设计控制系统主控制局部电源需要用5V直流电源供电,其电路如图3-10所示,把频率为50Hz、有效值为220V的单相交流电压转换为幅值稳定的5V直流电压。其主要原理是把单相交流电经 过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路转换成稳定的直流。由于输入电压为电网电压,一般情况下所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大,因而电源变压器的作用显现出来起到降压作用。降压后还是交流电压,所以需要整流电路把交流电压转换成直流电压。由于经整流电路整流后的电压含有较大的交流分量,会影响到负载电路的正常工作
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