微机课程设计电饭煲系统的设计.doc

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1、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

2、。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：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

3、电源电路加热盘顶盖温度传感器顶盖温度传感器器220v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：l 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；l 片内带震荡器，其震荡频率为fosc=1.212MHz;l 128B

4、片内RAM;l 4KB片内程序存储器ROM(8031无)；l 程序存储器的寻址范围64KB;l 片外数据存储器PAM寻址范围64KB;l 21个特殊功能寄存器SFR；l 4个8位并行I/O接口：P0,P1,P2,P3;l 1个全双工串行I/O接口，可多机通信；l 2个16位定时器/计数器T0/T1;l 中断系统有5个中断源；l 111条指令，含乘法，除法指令；l 位操作功能强（位操作指令17条）；l 片内采用单总线结构；l 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

5、伏电源2、外接晶振引脚XTAL1和XTAL2振荡器及定时电路8051CPU4K字节ROM128字节RAM2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(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/，和/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

6、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/ 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）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（功能） 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，在每个机器周期内两次有效。同样可以驱动八L

7、STTL输入。 /Vpp 、 /Vpp为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当/Vpp为高电平时，访问内部程序存储器，当/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

8、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 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，

9、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。XTAL1XTAL2 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12MHz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

10、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。 MCS-51RESMCS-51RES+5V +5V10F 1K 10F 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

11、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 P0 -P3 0FFH IP 00000 IE 000000TMOP 00HTCON 00HTH0 00HTL0 00HTH1 00HTL1 00HSCON 00HSBUF 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

12、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

13、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1.52.5kHZ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

14、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：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

15、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#2

16、28为其他值，听听蜂鸣器音调的改变。ORG 0000HAJMP 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 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

17、，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2-66. 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、

18、安全工作区等保护电路，所需外接元件少，使用方便、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。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

19、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

20、PID控制算式 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：

21、（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：（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

22、)=KP E(k)积分项输出： 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

23、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 . . 单片机初始化加热？发送加热命令定时加

24、热是否完成？报警自动切断电源结束开始YYNN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

25、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，世上的事就怕认真二字。确实，做什么，只是认真地去做，踏踏实实，戒躁戒躁，静静地思考，慢慢地进步，真的是天下无难事。在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识应用到实际当中，学习单机片机更是如此，程序只有在经

26、常的写与读的过程中才能提高，这就是我这次课程设计中得到的最大的体会，受益匪浅。参考文献：1蒋力培.单片机微机系统实用教程.北京：机械工业 出版社， 20042 立民. 单片机应用系统设计. 北京: 北京航空航 天大学出版社,19893李华. MCS-51系列单片机实用接口技术. 北京: 北京航空航天大学出版社，19934 王树勋，王朝玉，张新发，MCS-51单片微型计算机原理与开发，机械工业出版社，1990,9 5 李惠光 . 微型计算机控制技术. 北京：机械工业出版社，2002 .6 余锡存，曹国华 . 单片机原理及接口技术M . 西安：西安电子科技大学出版社，20027 曹素芬. MCS-

27、51系列原理与接口技术. 沈阳: 东 北大学出版社,19948 叶林章，微机与单片机原理及应用，1995年8月 第1版，上海：复旦大学出版社9 锡雄. 微型计算机控制技术. 北京: 科学出版社，1999.810 迎新. 单片微型计算机原理应用及接口技术. 北 京: 国防工业出版社，200011 人杰. 计算机控制技术. 西安: 西安交通大学出版社，1991.512 李志忠. 微型计算机应用技术. 北京: 清华大学出版社 ,1989致谢在本次微机课程设计即将完稿之际，在此，向自始至终一直关心和耐心指导我们课程设计的王振臣老师，温淑焕老师表示深深的感谢！在课程设计的过程中两位老师多次询问设计的进程，为我们课程设计中所遇到的问题进行细心的答疑，提出了很多宝贵的建议和意见，帮助我开拓研究思路。本文是在温老师精心指导和大力支持下完成的。两位老师悉心细致的教诲和无私的帮助，极大的增加了我的知识，开拓了视野。他们广博的学识、严谨求实的作风、敏锐的学术洞察力、灵活的教育方式、开阔的思维以及谦和、平易的为人态度给我留下了深刻印象。在此对两位老师表示真诚地感谢和深深的谢意。