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1.1.1系统实现的功能
设计基于AT89C51单片机的加热温度控制器,用于控制温度。
功能如下:
温度实现在0-500度连续可调,温度误小于等于±
1℃,还可以设置需要到达的温度值并显示,显示当前加热温度,当温度到达预设温度时,继电器吸合(停止加热)。
1.1.2方案的选择
热敏电阻作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。
加热温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。
该方案采用负系数热敏电阻NTC进行采集温度,在工业上其温度的可测范围特别广,它单片机接口只需要一位I/O口,因此由它构成的系统简单使用,其特性非线性,可测精度高,而且经A/D转换与单片机连接简单方便,所以温度采集采用热敏电阻.
1.1.3系统整体结构布局
本设计系统采用单片机作为微处理单元进行控制。
其次由按键电路、温度采集电路、显示电路、温控电路组成。
系统总框图如图1-1所示。
图1-1系统框图
1.2最小系统模块的设计
1.2.1单片机AT89C51简介
主要特性:
1.与MCS单片机产品兼容
2.4K字节在系统可编程存储器
3.1000次擦写周期
4.全静态工作:
0Hz—33MHz
5.32个可编程I/O口线
6.2个16位定时器/计数器
7.4个中断源
8.全双工UART串行通道图1-2
9.低功耗空闲和掉电模式
10.掉电后中断可唤醒
11.双数据指针
12.灵活的ISP编程
13.4.0---5.5V电压工作范围
1.2.2最小系统模块
目前的单片机开发系统只能够仿真单片机,却没有给用户提供一个通用的系统。
由设计的要求,只要做很小集成度的系统应用在一些小的控制单元。
其应用特点:
(1)全部I/O口线均可供用户使用。
(2)内部存储器容量有限(只有4KB地址空间)。
(3)应用系统开发具有特殊性
图1-3最小系统图
单片机系统如图1-3所示,其中有4个双向的8位并行I/O端口,分别记作P0、P1、P2、P3,都可以用于数据的输出和输入,P3口具有第二功能为系统提供一些控制信号。
时钟电路用于产生MCS-51单片机工作所必须的时钟控制信号,内部电路在时钟信号的控制下,严格地按时序指令工作。
MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器,该高增益反向放大器的输入端为芯片的引脚XTAL1,输出端为XTAL2。
这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容,就构成了一个稳定的自激振荡器。
电路中的微调电容通常选择为33pF左右,该电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。
晶体的振荡频率为11.0592MHz。
把EA脚接高电平,单片机访问片内程序存储器,但在PC值超过0FFFH(4Kbyte地址范围)时,将自动转向执行外部程序存储器内的程序。
MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现。
采用最简单的外部按键复位电路。
按键自动复位是通过外部复位电路的来实现的。
复位是单片机的一个重要的工作方式。
在单片机应用系统工作时,除了进入系统正常的初始化之外,当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时,为摆脱困境,也通过某一操作来重新启动。
复位电路通常用以下几种方式,即上电自动复位、按键电平复位与系统复位三种方式
R2,C3构成的微分电路,在接电瞬间,产生一个微分脉冲,其宽度大于两个机器周期,单片机复位。
当按RESET键时,单片机的复位端将出现一个由200Ω电阻和1KΩ电阻分压的电平,使单片机复位。
为保证微分脉冲宽度足够大,R2、C3的时间常数应大于两个机器周期,一般电容取22μF,电阻取1KΩ。
1.3热敏电阻以及ADC0804的简介
1.3.1热敏电阻简介
热敏电阻器是敏感元件的一类,按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器(PTC)和负温度系数热敏电阻器(NTC)。
热敏电阻器的典型特点是对温度敏感,不同的温度下表现出不同的电阻值。
正温度系数热敏电阻器(PTC)在温度越高时电阻值越大,负温度系数热敏电阻器(NTC)在温度越高时电阻值越低,它们同属于半导体器件。
我们选用的是负温度系数的热敏电阻器。
NTC(NegativeTemperatureCoeffiCient)是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料.该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷,可制成具有负温度系数(NTC)的热敏电阻.其电阻率和材料常数随材料成分比例、烧结气氛、烧结温度和结构状态不同而变化.现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表的非氧化物系NTC热敏电阻材料. NTC热敏半导瓷大多是尖晶石结构或其他结构的氧化物陶瓷,具有负的温度系数,电阻值可近似表示为:
Rt=RT*EXP(Bn*(1/T-1/T0)
式中RT、RT0分别为温度T、T0时的电阻值,Bn为材料常数.陶瓷晶粒本身由于温度变化而使电阻率发生变化,这是由半导体特性决定的.
NTC热敏电阻器的发展经历了漫长的阶段.1834年,科学家首次发现了硫化银有负温度系数的特性.1930年,科学家发现氧化亚铜-氧化铜也具有负温度系数的性能,并将之成功地运用在航空仪器的温度补偿电路中.随后,由于晶体管技术的不断发展,热敏电阻器的研究取得重大进展.1960年研制出了N1C热敏电阻器.NTC热敏电阻器广泛用于测温、控温、温度补偿等方面.
它的测量范围一般为-10~+300℃,也可做到-200~+10℃,甚至可用于+300~+1200℃环境中作测温用.热敏电阻器温度计的精度可以达到0.1℃,感温时间可少至10s以下.它不仅适用于粮仓测温仪,同时也可应用于食品储存、医药卫生、科学种田、海洋、深井、高空、冰川等方面的温度测量.
1.3.2热敏电阻的特性
热敏电阻是一个非线性的电器元件,其特性是一条圆弧曲线,其特性图大概如下图1-4:
图1-4
因此要计算出其温度值要紧过一定的数值处理。
1.3.3热敏电阻的特点
热敏电阻的主要特点是:
①灵敏度较高,其电阻温度系数要比金属大10~100倍以上,能检测出10-6℃的温度变化;
②工作温度范围宽,常温器件适用于-55℃~315℃,高温器件适用温度高于315℃(目前最高可达到2000℃),低温器件适用于-273℃~55℃;
③体积小,能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度;
④使用方便,电阻值可在0.1~100kΩ间任意选择;
⑤易加工成复杂的形状,可大批量生产;
⑥稳定性好、过载能力强。
1.3.4ADC0804的简单资料
ADC0804的管脚图如下所示:
它的主要电气特性如下:
工作电压:
+5V,即VCC=+5V模拟输入电压范围:
0~+5V,即0≤Vin≤+5V。
分辨率:
8位,即分辨率为1/28=1/256,转换值介于0~255之间。
转换时间:
100us(fCK=640KHz时)。
转换误差:
±
1LSB。
参考电压:
2.5V,即Vref=2.5V。
、ADC0804的转换原理
ADC0804是属于连续渐进式(SuccessiveApproximationMethod)的A/D转换器,这类型的A/D转换器除了转换速度快(几十至几百us)、分辨率高外。
以输出8位的ADC0804动作来说明“连续渐进式A/D转换器”的转换原理,
其输出步骤如下:
第一次寻找结果:
10000000(若假设值≤输入值,则寻找位=假设位=1)第二次寻找结果:
11000000(若假设值≤输入值,则寻找位=假设位=1)第三次寻找结果:
11000000(若假设值>
输入值,则寻找位=该假设位=0)第四次寻找结果:
11010000(若假设值≤输入值,则寻找位=假设位=1)第五次寻找结果:
11010000(若假设值>
输入值,则寻找位=该假设位=0)第六次寻找结果:
11010100(若假设值≤输入值,则寻找位=假设位=1)第七次寻找结果:
11010110(若假设值≤输入值,则寻找位=假设位=1)第八次寻找结果:
11010110(若假设值>
输入值,则寻找位=该假设位=0)
、分辨率与内部转换频率的计算
对8位ADC0804而言,它的输出准位共有28=256种,即它的分辨率是1/256,假设输入信号Vin为0~5V电压范围,则它最小输出电压是5V/256=0.01953V,这代表ADC0804所能转换的最小电压值。
表1列出的是8~12位A/D转换器的分辨率和最小电压转换值。
表1A/D转换器的分辨率和最小电压值
位数目
分辨率
最小电压转换值
8
1/256
0.01953V
10
1/1024
0.00488V
12
1/4096
0.00122V
1.4温度的测量原理与方法
1.4.1温度的测量原理
利用负温度系数热敏电阻NTC的特性进行测试,NTC热敏电阻着温度的升高电阻非线性变小,加在其两边的电压随着变小,而对应的ad值也随着改变。
利用ad值的改变我们可以利用单片机读取数据,根据ad值的大小转换成温度值。
首先我在热敏电阻提供一个5v的电源,并在其串联上一个3.9k的电阻使得电流不会太大使得电阻热功耗过大影响精确度。
然后再接入模数转换器。
如下图:
图1-5温度测量电路的方框图
1.4.2温度的测量方法
由于热敏电阻是非线性特性,因此我们必须要先了解热敏电阻的特性,然后根据其特性进行数值处理。
我们可以把曲线无限放大,可以得到无数个点,然而每两个点可以得到一条直线,知道要我你们知道这条直线的斜率以及一个点的值,我们就可以用数学上“以直代取”的方法结合AD0804的ad值求出实在的温度值。
由温度测量电路的方框图以及上图我们可以得出计算温度的公式:
K=(AD0-AD1)/(Tem1-Tem0)⑴
如果我们知道在这两点之间的AD值,那么我们可以通过,直线上的点求出对应的温度值,AD为测到的模数值,Tem为要求的温度值。
如下:
y=K*x+b⑵
Tem=K*(AD0-AD+Tem0⑶
根据公式⑶以及温度测量的原理图我们可以测量出一下数据进行编程,如下表格:
表2温度值和输出数据的关系
R1(K)
温度C
热敏电阻值K
电源V
AD峰值
对应的电压值
对应的ad值
对应的斜率
3.9
32.7900
5
255
4.468520033
228
25.3400
4.333105335
221
-0.724
19.8300
4.178255373
213
-0.633
15
15.6600
4.003067485
204
-0.560
20
12.4700
3.808796579
194
-0.505
25
10.0000
3.597122302
183
-0.463
30
8.0650
3.370246552
172
-0.432
35
6.5390
3.132004981
160
-0.412
40
5.3280
2.88686606
147
-0.400
45
4.3620
2.639796659
135
-0.397
50
3.5880
2.395833333
122
-0.402
55
2.9660
2.159918439
110
-0.416
60
2.4630
1.935407826
99
-0.437
65
2.0550
1.725440806
88
-0.467
70
1.7240
1.532716927
78
-0.509
75
1.4540
1.35786328
69
-0.561
80
1.2320
1.200311769
61
-0.622
85
1.0510
1.061401737
54
-0.706
90
0.9027
0.939783872
48
-0.806
95
0.7788
0.832264683
42
-0.912
100
0.6741
0.736866269
38
-1.028
105
0.5851
0.652270852
33
-1.159
110
0.5091
0.577328707
29
-1.308
115
0.4440
0.511049724
26
-1.479
120
0.3880
0.452425373
23
-1.672
125
0.3397
0.400617968
20
-1.892
130
0.2980
0.354930919
18
-2.146
135
0.2620
0.314752523
16
-2.440
140
0.2309
0.279479048
14
-2.779
145
0.2039
0.248422233
13
-3.157
150
0.1807
0.221408092
11
-3.629
1.5显示模块
1.5.1数码管显示电路
我的设计采用的四位八段共阳数码管,共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。
共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V,当某一字段发光二极管的阴极为低电平时,相应字段就点亮。
当某一字段的阴极为高电平时,相应字段就不亮。
共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。
共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上,当某一字段发光二极管的阳极为高电平时,相应字段就点亮。
当某一字段的阳极为低电平时,相应字段就不亮。
显示效果:
由于发光二极管基本上属于电流敏感器件,其正向压降的分散性很大,并且还与温度有关,为了保证数码管具有良好的亮度均匀度,就需要使其具有恒定的工作电流,且不能受温度及其它因素的影响。
另外,当水温变化时驱动芯片还要能够自动调节输出电流的大小以实现色差平衡温度补。
所以在数码管的数据段加了74LS245驱动,在位选端加三极管放大。
电路如1-6图所示:
图1-6
1.5.274LS245简介
74LS245是我们常用的芯片,是用来驱动数码管从而显示热水器当前的温度,它是8路同相三态双向总线收发器,可双向传输数据。
74LS245还具有双向三态功能,既可以输出,也可以输入数据。
当8951单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时,必须接入74LS245等总线驱动器。
当片选端/CE低电平有效时,DIR=“0”,信号由B向A传输;
(接收)DIR=“1”,信号由A向B传输;
(发送)当/CE为高电平时,A、B均为高阻态。
由于P2口始终输出地址的高8位,接口时74LS245的三态控制端/1G和/2G接地,P2口与驱动器输入线对应相连。
P0口与74LS245输入端相连,/E端接地,保证数据现畅通。
8951的/RD和/PSEN相与后接DIR,使得/RD或/PSEN有效时,74LS245输入(P0.i←Di),其它时间处于输出(P0.i→Di)。
74LS245(如图1-7)与74LS640逻辑功能相似,但74LS245具有原码(正相)输出。
图1-7
1.6控制模块设计
加热模块由单片机P3.6口输出信号给光电耦合2脚,当单片机P3.6口输出低电平时光耦工作,将电信号传递给继电器,继电器吸合,外围电路通电,热水器停止工作。
当P3.6输出高电平时光耦不工作,继续加热。
外围电路通常是交流电机电压为(220V),强电不能和弱电有任何电器接触,防止强电进入到单片机内,继电器和光耦起到隔离作用。
电路如图1-8所示。
图1-8控制电路
1.6.1光耦工作原理及其结构特点
原理:
耦合器以光为媒介传输电信号。
它对输入、输出电信号有良好的隔离作用,所以,它在各种电路中得到广泛的应用。
而且它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。
光耦合器一般由三部分组成:
光的发射、光的接收及信号放大。
输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定波长的光,被光探测器接收而产生光电流,再经过进一步放大后输出。
这就完成了电—光—电的转换,从而起到输入、输出、隔离的作用。
由于光耦合器输入输出间互相隔离,电信号传输具有单向性等特点,因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件,因而具有很强的共模抑制能力。
所以,它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。
在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件,可以大大增加计算机工作的可靠性。
结构特点:
1.输入和输出端之间绝缘,其绝缘电阻一般都大于1010Ω,耐压一般可超过1kV,有的甚至可以达到10kV以上。
2.由于“光”传输的单向性,所以信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反馈现象,其输出信号也不会影响输入端。
3.由于发光器件(砷化镓红外二极管)是阻抗电流驱动性器件,而噪音是一种高内阻微电流电压信号。
因此光电耦合器件的共模抑制比很大,所以,光电耦合器件可以很好地抑制干扰并消除噪音。
4.容易和逻辑电路配合。
5.响应速度快。
光电耦合器件的时间常数通常在微秒甚至毫微秒极。
6.无触点、寿命长、体积小、耐冲击。
1.6.2光电耦合电路分析
P521是常用的线性光藕,在各种要求比较精密的功能电路中常常被当作耦合器件,具有上下级电路完全隔离的作用,相互不产生影响。
当输入端加电信号时,发光器发出光线,照射在受光器上,受光器接受光线后导通,产生光电流从输出端输出,从而实现了“电-光-电”的转换。
普通光电耦合器只能传输数字信号(开关信号),不适合传输模拟信号。
线性光电耦合器是一种新型的光电隔离器件,能够传输连续变化的模拟电压或电流信号,这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号,从而使光敏晶体管的导通程度也不同,输出的电压或电流也随之不同。
P521光电耦合器不但可以起到反馈作用还可以起到隔离作用。
1.6.3继电器电路分析
继电器有线圈,常开触点,常闭触点。
常开触点在线圈不通电的情况下是断开的,当线圈中有电流经过时,常开触点闭合;
常闭触点在线圈不通电的情况下是闭合的,当线圈中有电流经过时断开。
本文用到的是继电器的常开触点,即在继电器线圈没有电流经过时是断开的状态,当继电器线圈中有电流经过时闭合导通。
实现弱电控制强电,单片机是弱电器件,一般情况下它的工作电压为5V,热水器工作所需电压为220V,属于强电,强电不能和弱电有任何电器接触,防止强电进入到单片机内,继电器起到隔离作用。
由于单片机是一个弱电器件,它的工作电压是5V,驱动电流在mA级以下,而现在要把它用于一些大功率场合,控制热水器,显然是不行的。
所以,就要有一个环节来衔接,这个环节就是所谓的“功率驱动”,继电器驱动就是一个典型的、简单的功率驱动环节。
继电器驱动就是单片机与其他大功率负载接口,起到控制作用,三
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