便携式低功耗温度控制系统毕业.doc

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1、1 引言1.1 课题研究的目的和意义 在化工、石油、冶金等生产过程的物理过程和化学反应中，温度往往是一个很重要的量，需要准确地加以控制。除了这些部门之外，温度控制系统还广泛应用于其他领域，是用途很广的一类工业控制系统1。例如：航空航天领域、粮食存储、酒类生产、在食品加工、冶金工业、电力工程、造纸行业和机械制造，还有广泛使用的各种锅炉、加热炉、热处理炉和反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。在实际生产应用中，发电厂锅炉的温度必须控制在一定范围之内；许多化学反应工艺过程必须在适当温度下才能正常进行；炼油过程中，原油必须在不同温度和压力条件下分馏才能得到汽油、柴油、煤油的产品；没有合适的温度环境许

2、多电子设备就不能正常工作，粮仓的粮食就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。这些都是以适当的温度检测与控制温度对于提高产品质量，节约能耗，降低成本，都具有重要意义2。在实际的生产实验环境下，由于系统内部和外界的热交换通常是难以控制的，再加上其他热源的干扰也是无法精确计算的。因此，温度量的变化往往受到不可预测的外界环境扰动的影响。为了使系统与外界的能量交换尽可能满足人们的要求，就需要采取一定的手段来对温度进行准确的控制。在利用电阻炉加热过程中当燃料的热值与压力稳定时，这种控制系统的控制效果还比较好，而对于燃料的热值与压力频繁波动的情况，常规模拟仪表系统就难以达到预期目标，操作者必须经常通过“看火孔”

3、去观察火焰，调节空燃比以改善燃烧效果，或者手动的调节电源的电压大小3。这不仅给操作者带来许多不便，而且靠人工随时调节空燃比或者电压大小，很难跟踪热值变化的速度，加之加热炉都需要按照加热工艺曲线进行周期性的加热，而炉子的特性是变化的，要使加热炉实现最有效的节能运行还应该考虑到进料状况（冷锭或热锭）以及轧机故障待轧的运行状态。对这些要求，模拟控制系统是难以实现的。出于上述原因，为提高工业效率，新型温度控制系统应运而生。在实际的生产实验环境下，由于系统内部和外界的热交换通常是难以控制的，再加上其他热源的干扰也是无法精确计算的。因此，温度量的变化往往受到不可预测的外界环境扰动的影响。为了使系统与外界的

4、能量交换尽可能满足人们的要求，就需要采取一定的手段来对温度进行准确的控制。在利用电阻炉加热过程中当燃料的热值与压力稳定时，这种控制系统的控制效果还比较好，而对于燃料的热值与压力频繁波动的情况，常规模拟仪表系统就难以达到预期目标，操作者必须经常通过“看火孔”去观察火焰，调节空燃比以改善燃烧效果，或者手动的调节电源的电压大小3。这不仅给操作者带来许多不便，而且靠人工随时调节空燃比或者电压大小，很难跟踪热值变化的速度，加之加热炉都需要按照加热工艺曲线进行周期性的加热，而炉子的特性是变化的，要使加热炉实现最有效的节能运行还应该考虑到进料状况（冷锭或热锭）以及轧机故障待轧的运行状态。对这些要求，模拟控制

5、系统是难以实现的。出于上述原因，为提高工业效率，新型温度控制系统应运而生4。可见温度的测量和控制是非常重要的。采用单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。本次设计采用AT89C51单片机与各种外围电路构成单片机温度自动检测和控制系统，实现对温度的实时检测和控制。同时设计模/数转换电路，键盘/LED显示电路,报警电路，信号放大电路；在描述了外围硬件电路的同时，还做了大量的软件工作，包括数据处理软件，PID控制算法。1.2 温度控制系统的国

6、内外现状 近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时的随温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。温度测控技术主要包括温度测量技术和温度控制技术两方面。在温度测量技术方面，主要的温度仪表，热电偶、热电阻及辐射温度计等技术已经成熟。目前，在高科技领域，国内外专家都竞相在有针对性的开放各种新型温度传感器和特殊测量环境的测温技术，延生或扩展测温和温标上下限5,6。就一般温度控制系统中的测量装置而言，它对被控温度进行测量，并将测量值与给定值比较，若存在偏差便由调节器对偏差信号进行处理，再输送给执行机构来增加或减少供

7、给被控对象的热量，使被控温度调节到整定值。测量装置是温度控制系统的重要部件，包括温度传感器和相应的辅助部分，如放大、变换电路等。通过网上查询、翻阅图书了解到目前国内外市场以单片机为核心的温度控制系统很多，而且方案灵活，且应用面比较广，可用于工业上的加热炉、热处理炉、反应炉，在生活当中的应用也比较广泛，如热水器，室温控制，农业中的大棚温度控制等。选出其中具有代表性的几种如下：1.1996年江苏理工大学研制成功了一套温室环境控制设备，通过对温室内部温度、湿度等的监控，在150温室内实现了温度、湿度的综合控制。2. 虚拟仪器温室大棚温度测控系统在农业应用方面虚拟仪器温室大棚温度测控系统是一种比较智能

8、，经济的方案，适于大力推广，该系统能够对大棚内的温度进行采集、比较，通过比较对大棚内的温度是否超过温度限制进行分析，如果超过温度限制，温度报警系统将进行报警，来通知管理人员大棚内的温度超过限制，温控系统出现故障。本系统最大的优点是在一台电脑上可以监测到多个大棚内的温度情况，从而进行控制。该系统有单片机，温度传感器，串口通信，和计算机组成。计算机主要是进行编程，对温度进行显示、报警和控制等；温度传感器是对大棚内温度进行测量，显示；单片机是对温度传感器进行编程，去读温度传感器的温度值，并把温度值通过串口通信送入计算机；串口通信作用是把单片机送来的数据送到计算机里，起到传输作用。3电烤箱温度控制系统

9、，该方案采用美国TI公司生产的FLASH型超低功耗16位单片机MSP430F123为核心器件，通过热电偶检测系统温度，用集成温度传感器AD590作为温度测量器件利用该芯片内置的比较器完成高精度AD信号采样，根据温度的变化情况，通过单片机编写闭环算法，从而成功地实现了对温度的测量和自动控制功能。其测温范围较低,大概在0-250之间，具有精度高，相应速度快等特点。1.3 本论文的结构安排第一章是引言部分，阐述本系统设计的目的意义以及国内外发展状况；第二章为温度控制系统的总体方案即提出的几种方案论证；第三章是系统硬件设计电路，主要阐述了本次设计用到的硬件的属性即相关功能，以及电路的连接；第四章是软件

10、部分，包括系统流程图和程序编写；最后是参考文献和结束语。2 温度控制系统的总体方案本系统设计所须做的工作：（1）选择温度传感器、A/D转换器及单片机，实现试件的温度检测；（2）选择D/A转换器，设计温度控制系统，控制温度为200，控制精度为2%；（3）设计数据处理电路、键盘和显示电路，编写控制程序，实现温度控制、显示及报警功能。2.1本系统设计方案论证1. 传统模拟控制温度数据采集比较器固态继电器信号放大负载信 号 放 大温度预置 图2.1 模拟控制温度框图此方案是传统的模拟控制方案，选用模拟电路，用电位器设定值，反馈的温度值和设定值比较后，决定加热或不加热。其特点是电路简单，易于实现，但是系

11、统所得结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静态差大、不稳定。系统受环境影响大，不能实现复杂的控制算法，不能用数码管显示，不能用键盘设定。2.基于单片机的闭环温度控制系统报警电路被控对象温度传感器继电器加热单片机A/D转换PWM控制器D/A转换键盘控制显示电路 图2.2 基于单片机的闭环温度控制系统此方案采用单片机系统来实现。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。单片机系统可以用数码管来显示水温的实际值，能用键盘输入设定值。本方案选用了AT89C51芯片，不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单。结论：前一种方案是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂

12、的控制规律，控制方案的修改也较为繁琐。而方案二是采用以单片机为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，可达到模拟控制所达不到的效果，并且实现显示和键盘设定功能，大大提高了系统的智能化。也使得系统所测得结果的精度大大提高。所以，经过对两种方案的比较，本次毕业设计采用了方案二。 3 系统硬件电路设计3.1 单片机选型3.1.1 单片机的组成由中央处理器（CPU）、存储器（RAM和ROM）、I/O（Input/Output）接口和I/O设备就构成了通用的微型计算机系统。通用微机系统由多个IC（Intergraded Circuit）芯片组成，CPU只是其中的一个组织部分。如果把CPU、RAM、ROM、终

13、端系统、定时/计数器、以及I/O口等主要微型机部件集成在一块芯片上，就称该芯片为单片微型计算机SCMC（Single Chip Micro Computer）,简称单片机。单片机的基本结构如下： 运算器：用于实现算术和逻辑运算。计算机的运算和处理都在这里进行控制器：是计算机的控制指挥部件，使计算机各部份能自动协调的工作存储器：用于存放程序和数据（又分为内存储器和外存储器，内存储器就如我们电脑的硬盘，外存储器就如我们的U盘）输入设备：用于将程序和数据输入到计算机（例如我们电脑的键盘、扫描仪）输出设备：输出设备用于把计算机数据计算或加工的结果以用户需要的形式显示或保存（例如我们的打印机）1 中央处

14、理器（CPU）通常把运算器和控制器合在一起称为中央处理器（Central Processing Unit）,简称CPU。需要提醒的是MCS-51的CPU能处理8位二进制数或代码。2 内部数据存储器（RAM）8051芯片共有256个RAM单元，其中后128单元被专用寄存器占用（稍后我们详解），能作为寄存器供用户使用的只是前128单元，用于存放可读写的数据。因此通常所说的内部数据存储器就是指前128单元，简称内部RAM。地址范围为00HFFH（256B）。是一个多用多功能数据存储器，有数据存储、通用工作寄存器、堆栈、位地址等空间。3 内部程序存储器（ROM）8051内部有4KB的ROM，用于存放程

15、序、原始数据或表格。因此称之为程序存储器，简称内部ROM。地址范围为0000HFFFFH（64KB）。 4 定时器/计数器8051共有2个16位的定时器/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。定时时靠内部分频时钟频率计数实现，做计数器时，对P3.4（T0）或P3.5（T1）端口的低电平脉冲计数。 5 并行I/O口 MCS-51共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3）以实现数据的输入输出。具体功能在后面章节中将会详细论述。 6 串行口 MCS-51有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使

16、用，也可作为移位器使用。RXD（ P3.0）脚为接收端口，TXD（P3.1）脚为发送端口。 7 中断控制系统 MCS-51单片机的中断功能较强，以满足不同控制应用的需要。共有5个中断源，即外中断2个，定时中断2个，串行中断1个，全部中断分为高级和低级共二个优先级别。 8 时钟电路 MCS-51芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。系统允许的晶振频率为12MHZ。3.1.2 AT89C51的介绍 AT89C51单片机作为温度控制系统设计的核心器件。该器件是INTEL公司生产的MCS-51系列产品中的基础产品，采用了可靠的CMOS工艺制造技术。具有高性

17、能的8为单片机，属于标准的MCS-51的CMOS的产品。不仅结合了HMOS的高速和搞密度技术及CHMOS的低功耗特征，而且继承和扩展了MCS-48的单片机的体系结构和指令系统。主要性能参数为:1) 与MCS-51产品指令系统完全兼容2) 4K字节可重擦写Flash闪速存储器3) 100次擦写周期4) 全静态操作:0Hz-24MHz5) 三级加密程序存储器6) 128*8字节内部RAM7) 32个可编程I/O口线8) 2个16位定时/计数器9) 5个中断源，两级中断优先级10) 可编程串行UART通道11) 低功耗空闲和掉电模式3.1.3 功能特性概述AT89C51提供以下标准功能:4K字节Fl

18、ash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,两个16位定时/计数器,一个向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路.同时,AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式.空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作.掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到一个硬件复位。AT89C51电路原理如图3.1所示： 图3.1 AT89C51电路原理图第42页 共36页 3.1.4 AT89C51引脚功能说明1）VCC:电源电压2）GND:地P0口:P0口是一组8位漏极开路型双

19、向I/O口,也即地址/数据总线复用作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。P1口:P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路,对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出阻抗一个电流IIL。Flash编

20、程和程序校验期间,P1接收低8位地址。P2口:P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路,对端口写“1”,通过内部上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流IIL。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX DPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据,在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX RI指令)时,P2口线上的内容(也即特殊功能寄存器(SFR)区中R2寄存器的内容),在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时,P2亦

21、接收高位地址和其它控制信号。P3口:P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P3口输出阻抗缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路,对P3口写入“1”时,它被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口.作输入时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出阻抗电流IIL。P3口除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能,如表3.1所示: 表3.1 P3口的第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2(外中断0)P3.3(外中断1)P3.4T0(定时/计数器0)P3.5T1定时/计数器1P3.6(外部数据存储器写选通)P3.7(外部数据存储器

22、读选通)P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号: 1）RST： 复位输入,当振荡器器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将单片机复位。2）ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8E单元的D0位置位，可禁止ALE操

23、作。该位置前后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。3）PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读先通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，将访问外部数据存储器，这再次有效的PSEN信号不出现。4）EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH）。EA端必须保持低电平（接地），需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程

24、序存储器中的指令。 Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。5）XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。6）XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。7）时钟振荡器：AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应该符合产品技术条件的要求。8

25、）空闲节电模式： AT89C51有两种可用软件编程的省电模式，它们有空闲模式和掉电工作模式。这两种方式是控制专用寄存器PCON（即电源控制寄存器）中的PD（PCON.1）和IDL（PCON.0）位来实现的。PD是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。IDL是空闲等待方式，当IDL=1，激活空闲工作模式，单片机进入睡眠状态。如需同时进入两种工作模式，即PD和IDL同时为1，则先激活掉电模式。掉电模式：在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重

26、新定义特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在VCC恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启并稳定工作。见下表： 表3.2 空闲和掉电模式外部引脚状态模式程序存储器ALEPSENP0P1P2P3空闲模式内部11数据数据数据数据空闲模式外部11浮空数据地址数据掉电模式内部00数据数据数据数据掉电模式外部00浮空数据数据数据3.2 数模转换器选型3.2.1 ADC0809简介 A/D转换部分采用ADC0809组成A/D转换电路，ADC0809是一种8路模拟输入的8位逐次逼近式A/D转换器件。由于温度的控制精度要求2显然采用8位A/D转换器完全可以达到要求的精度。ADC08

27、09由单+5V电源供电；片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路05V的输入模拟电压分时进行转换，成一次转换约需100S；片内具有多路开关的地址译码器和锁存器、高阻抗斩波器、稳定的比较器，256电阻T型网络和树状电子开关以及逐次逼近寄存器。1D7D0：8位数字量输出引脚。 2IN0IN7：8路模拟量输入引脚。 3VCC：+5V工作电压。 4GND：接地。 5REF（+）：参考电压正端。 6REF（-）：参考电压负端。 7START：A/D转换启动信号输入端。 8A、B、C：地址输入端。9. ALE：地址锁存允许信号输入端。 10EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时

28、为高电平。 11OE： 输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。 12CLK：时钟信号输入端，译码后可选通IN0IN7八个通道中的一个进行转换。 ADC0809的内部逻辑结构如图3.2所示。 图3.2 ADC0809内部逻辑结构由上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 引脚结构如图3.3 所示。 图3.3 ADC0809引脚结构IN0IN7：8

29、条模拟量输入通道。 ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线：4条 ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量送入转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如表3.3： 表3.3通道选择CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111

30、IN7数字量输出及控制线：11条 ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ。VREF（），VREF（）为参考电压输入。ADC0809应用注意事项 ： ADC0809内部带

31、有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。 初始化时，使ST和OE信号全为低电平。 送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。 当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。3.2.2 模数转换电路设计由图3.4可以看出A、B、C都接地（都为0），故信号输入口选IN0，其空间地址为7FF8H。 图3.4 A/D转换电路原理图3.3 温度信号的获取与放大3.3.1 温度传感器选型本设计温度检测范围要求0500，故以PT100为温度传感器获取温度信号，PT100电阻温度系数

32、分散性小，其精度高，线性好，灵明度比较高。pt100它的阻值跟温度的变化成正比。PT100铂热电阻的阻值随着温度变化而变化，利用这一特点来采集温度信号，再经过A/D转换成数字信号并有单片机系统读取；单片机系统把读取到的数字信号进行识别处理，并换算成与温度对应的数字信号，最后由显示器显示温度。PT100的阻值与温度变化关系为：当PT100温度为0时它的阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。以放大器LM741为信号放大器件。PT100温度传感器为正温度系数热电阻传感器。实体图如3

33、.5所示： 图3.5 pt100温度传感器实体图主要技术参数如下： 测量范围：-200+850； 允许偏差值： A级 ， B级 ； 响应时间30s； 最小置入深度：热电阻的最小置入深度200mm； 允通电流5mA。另外，PT100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。鉑热电阻的线性较好，在0100摄氏度之间变化时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。鉑热电阻阻值与温度关系为： -200t0时，； 0t850时，；式中，A=0.00390802；B=-0.000000580；C=0.0000000000042735。可见PT100在常温0100摄氏度之间变化时线性度非常好，其阻值

34、表达式可近似简化为：，当温度变化1，PT100阻值近似变化0.39。3.3.2 放大电路的设计热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。通常将其放在电桥的桥臂上，当温度发生变化时，PT100铂热电阻两端的电压信号被送到仪器放大器LM741的输入端，经过仪器放大器放大后的电压输出送给A/D转换芯片，从而把热电阻的阻值转换成数字量。对信号放大，我们使用了低价格、高精度的仪器放大器LM741，它运用方便，可以通过外接电阻方便的进行各种增益（1-1000）的调整。 图3.6 信号放大电路其增益计算公式为： 式3.1温度值计算过程：由于A/D检测到的模拟电压值 式3.2

35、计算可到的值，然后利用如下公式求出温度值： 式3.3其中，。3.3.3 键盘电路设计本设计采用1*3独立按键。其原理图如图3.7 图3.7 键盘电路原理图3.3.4 LED显示电路的设计在单片机应用系统中，如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用LED数码管是一种较好的选择。LED数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简单易行。3.3.5LED数码管原理LED数码管是由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。图2-7a为0.5英尺LED数码管的外形和引脚图，其中七只发光二极管分别对应ag笔段构成“”字形另一只发光二极管dp作为小数点。因此这种LED显示器称为七段数码管或八段数码管。

36、 图3.8 LED数码管LED数码管按电路中的连接方式可以分为共阴极和共阳极两大类，如图2-7 b、c所示。共阳型是将各段发光二极管的正极连在一起，作为公共端COM，公共端COM接高电平，ag、dp各笔段通过限流电阻接控制端。某笔段控制端低电平时，该笔段发光，高电平时不发光。控制这几段笔段发光，就能显示出某个数码或字符。共阴型是将各数码发光二极管的负极连在一起，作为公共端COM接地，某笔段通过限流电阻接高电平时发光。3.3.6 LED数码管编码方式当LED数码管与单片机相连时，一般将LED数码管的各笔段引脚a、b、g、dp按某一顺序接到MCS51型单片机某一个并行I/O口D0、D1、D7，当该

37、I/O口输出某一特定数据时，就能使LED数码管显示出某个字符。例如要使共阳极LED数码管显示“0”，则a、b、c、d、e、f各笔段引脚为低电平，g和dp为高电平，如表3.4： 表3.4共阳极LED数码管显示数字“0”时各管段编码D7D6D5D4D3D2D1D0字段码显示数dpgfedcba11000000C0H0C0H称为共阳极LED数码管显示“0”的字段码，不计小数点的字段码称为七段码，包括小数点的字段称为八段码。LED数码管显示电路在单片机应用系统中可分为静态显示方式和动态显示方式。本设计为静态显示，在静态显示方式下，每一位显示器的字段需要一个8位I/O口控制，而且该I/O口须有锁存功能，

38、N位显示器就需要N个8位I/O口，公共端可直接接+5V（共阳）或接地（共阴）。显示时，每一位字段码分别从I/O控制口输出，保持不变直至CPU刷新显示为止。也就是各字段的亮灭状态不变。静态显示方式编程较简单，但占用I/O口线多，即软件简单、硬件成本高，一般适用显示位数较少的场合。电路如图2.8所示。显示器由4个LED数码管组成。输入有12个信号，它们是段选信号P1.0P1.7和位选信号INT1、INT0、T1、T0。若想使LED发光则必须保证有足够大的电流流过LED的各段。流过LED的电流大时，LED发光亮度高；流过LED的电流小时，LED发光亮度就低，为了使LED 能够长期可靠地工作应使流过L

39、ED的电流为其额定电流。为LED显示器提供电流的电路称为LED的驱动电路。由于显示部分选择了静态显示，因此驱动电路也选择静态驱动。静态显示电路的驱动电路分为段驱动电路和位驱动电路两种。段驱动电路考虑到所有的段电流均流过位选线，因此位驱动电路的驱动能力应为段驱动能力的8倍(最严重情况八段全亮)。驱动电路可采用分立元件电路，也可采用集成驱动电路，此外有些硬件译码电路本身包括驱动电路。由于这里采用动态输出，且单片机的内部结构决定了数码管可以直接由单片机驱动。因此采用分立元件的显示驱动，如图3.9所示： 图3.9 LED数码管显示原理图3.4 声光报警电路报警电路原理如图3.10所示 图3.10 声光

40、报警电路原理图3.5 D/A转换电路3.5.1 D/A转换器的转换原理D/A变换器一般由变换网络和模拟电子开关组成。输入n位数字量分别控制这些电子开关，通过变换网络产生于数字量各位权对应的模拟量，通过加法电路输出与数字量成比例的模拟量。本设计的温度控制环节采用DAC0832转换器，DAC0832为8位D/A转换器。单电源供电，供电范围515V，最佳电源电压12V，基准电压范围为-10+10V.分辨率为Vref/256，建立时间1us，DAC0832的引脚图如图3.11所示 图3.11 DAC0832的引脚图3.5.2 各引脚功能说明：1 DI0DI7：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于

41、90ns； 2 ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效； 3 CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效； 4 WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存； 5 XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲有效； 6 WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入

42、DAC寄存器并开始D/A转换。 7 IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化； 8 IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数； 9 Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满精度； 10 Vcc：电源输入端，Vcc的范围为+5V+15V； 11 VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V+10V； 12 AGND：模拟信号地 13 DGND：数字信号地下图为DAC0832转换电路原理图： 图3.12 D/A转换电路原理图3.5.3 温度控制电路用于在闭环控制系统中，对被控对象实施控制。D/A转换器输出的电压可以控制TL494输出的PWM

43、占空比，此电压越大，TL494输出高电平的时间就越长，加热的时间也越长。当TL494输出为高时，继电器导通，对热点电阻进行加热；当TL494输出为低时，继电器关断，停止对电阻丝的加热。这样我们就可以控制D/A转换器的输出来控制220V交流电对电阻丝的加热时间，从而控制它的温度。温度驱动装置各点信号波形图如图3.13所示：D/A输出TL494输出电阻丝的加热电压 图3.13 加热电路图3.6 单片机接口电路3.6.1单片机的时钟电路单片机内部的振荡电路是一个高增益反相放大器，引线XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。单片机内部虽然有振荡电路，但要形成时钟，外部还需附加电路。单片机的

44、时钟产生方式有两种。1、内部时钟方式。利用其内部的振荡电路在XTAL1和XTAL2引线上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡，用示波器可以观察到XTAL2输出的时钟信号。最常用的是在XTAL1和XTAL2之间连接晶体振荡器与电容构成稳定的自激震荡器，如图3.14所示。晶体可在1.212MHz之间选择。MCS-51单片机在通常应用情况下，使用振荡频率为6MHz的石英晶体，而12Hz频率的晶体主要是在高速串行通信情况下才使用。对电容值无严格要求，但它的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响。C1和C2可在20100pF之间取值，一般取30pF左右。2、外部时钟方式。在由我

45、单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入惟一的合用外部振荡脉冲作为各单自片机的时钟。外部时钟方式中是把外部振荡信号源直接接入XTAL1或XTAL2。由于HMOS和CHMOS单片机外部时钟进入的引线不同，其外部振荡信号源接入的方式也不同。HMOS型单片机由XTAL2进入，外部振荡信号接至XTAL2，而内部反相放大器的输入端XTAL1应接地，如图3.15所示。由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，故还要接一上接电阻。CHMOS型单片机由XTAL1进入，外部振荡信号接至XTAL1，而XTAL2可不接地，如图3.16所示：图3.14内部时钟电路 图3.15HMOS型外部时钟电路 图3.16外部时钟电路3.6.2复位电路和复位状态单片机的复位是靠外部电路实现的。单片机工作后，只要在它的RST引线上加载10ms以上的高电平，单片机