单片机炉温系统的课程设计Word格式文档下载.docx
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本课题设计在对各类温度传感器原理介绍的基础上,根据本课题设计实际的任务要求,完成温度传感器芯片的选型,系统芯片的选择,并设计电源电路、显示接口电路、键盘电路、报警电路、时钟电路、单片机与上位机通信电平转换电路。
系统开始工作后,根据初始条件读取温度值,测量数据经处理后,将其与设定的温度值比较,如果发现当前的温度超限,则发出报警信号,未超限时,系统显示正常的温度度值,并在达到设定的恒温温度时开始恒温计时。
根据设定的算法计算出控制量,根据控制量来控制固态继电器的导通和关闭从而控制电阻丝的导通时间,以实现对炉温的控制[3]。
第2章系统总体设计
2.1系统总体的结构图
本系统结构框如图2.1所示,系统由AT89C51单片机、温度检测电路、模数转换电路、温度控制电路、8279键盘显示器等组成。
炉内温度由热电阻测温元件和电阻元件构成的桥式电路测量并转换成电压信号送给放大器的输入端,使信号变成0-5V电压信号,将信号送入A/D转换器,将此数字量经过数字滤波,标度转换后,一方面通过LED将炉温显示出来;
另一方面,将该温度值与被测温度值比较,根据其偏差值的大小,采用比例微分控制(PID控制),通过固态继电器控温电路控制电炉丝的加热功率大小,从而控制电炉的温度,使其逐渐趋于给定值且达到平衡。
预期达到的性能指标如下:
(1)可测控的温度范围0—1000℃;
(2)实时显示温度、越限报警;
(3)控制精度±
2℃,显示精度±
1℃;
(4)实现一炉多点检测,并可扩展多炉多点检测。
图2.1系统结构框图
2.2温度控制元器件选择
第一:
单片机温度控制系统中的重要环节就是温度检测元件的选择以及测温电路的设计。
一般测量电路由测温元件、信号调理电路、信号放大器等组成。
本次设计采用的是pt100型铂电阻温度传感器,因其测量范围大,复现性好,稳定性强等特点而被广泛使用。
放大器则选用单芯片高精度集成AD522。
放大器AD522是AD公司推出的高精度数据采集放大器,利用它可在恶劣的环境下获得高精度的数据。
它的线性好,具有较高的共模抑制比、低电压漂移和低噪声的优点。
图2.2AD522芯片
AD522采用14脚DIP封装,图2.2给出了AD522的引脚排列,表1给出了各引脚的功能说明。
表2.1AD522芯片引脚功能图
引脚
名称
功能
1
+INPUT
正输入端
2
RGAIN
增益补偿端
3
-INPUT
输入端
4
NULL
空端
5
V-
负电源端
6
7
OUTPUT
输出端
8
V+
正电源端
9
GND
地参考端
10
NC
不接
11
REF
参考端
12
SENSE
补偿端
13
DATAGUARD
数据保护端
14
第二:
桥式测量电路设计测量电路由测温元件和电阻元件构成的,如图2.3所示,此电路为典型的桥式测量电路,可在低电压、高阻抗、大噪声的环境中获得最佳性能。
[2]
图2.3桥式测量电路
该桥式电路能够把温度变化所引起的热电阻阻值的变化转换成电压信号送给放大器的输入端,由于铂电阻安装在内,通过长导线接入控制台,为了减少引线电阻的影响采用三线制接法。
AD522是高精度集成放大器,AD522的第1引脚和第3引脚为信号差动输入端;
第2、14引脚外接电阻RG用于调整放大倍数;
第4、6引脚为条零端;
第13引脚为数据屏蔽端;
第12脚为测量端;
第11脚为参考端;
这两端的电压差即为加到负载上的电压信号。
使用时,测量端与OUT输出端(第7脚)在外部相连接,输出放大后的信号。
将信号地与放大器的电源地(第9脚)相连接为放大器的偏置电流提供通路。
第二章系统的硬件设计
3.1单片机最小系统
本模块采用51系列单片机作为核心处理器。
单片机控制系统基本由最小系统和外围信号I/O口组成,其中最小系统包括电源(地),CPU时序电路(一般使用11.0592M或者12M和30P电容组成),复位电路、看门狗电路。
有了以上三块,单片机就能够正常工作。
图3-1AT89C51芯片图
管脚说明:
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位
漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下所示:
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6WR(外部数据存储器写通)
P3.7RD(外部数据存储器读通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
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。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;
当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
3.1.1时钟电路
本设计的两个相同的时钟电路可以分别为单片机和M50462AP芯片提供时钟信号,单片机的时钟产生有两种方法:
内部时钟方式和外部时钟方式。
系统的时钟电路设计是采用的内部方式,即利用芯片内部的振荡电路。
AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。
引脚XTAL1和XTAL2分别是此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晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。
外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路,接在放大器的反馈回路中。
对外接电容的值虽然没有严格的要求,但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。
因此,此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz,电容应尽可能的选择陶瓷电容,电容值通常取30PF。
在焊接刷电路板时,晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近,以减少寄生电容,更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。
图3-2时钟电路设计
3.1.2复位电路
同样设计两个相同的复位电路也是可以分别为单片机和M50462AP芯片提供复位信号,复位是由外部的复位电路来实现的。
片内复位电路是复位引脚RST通过一个触发器与复位电路相连,触发器用来抑制噪声,它的输出在每个机器周期中由复位电路采样一次。
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
所谓上电复位,是指计算机加电瞬间,要在RST引脚出现大于10MS的正脉冲,使单片机进入复位状态。
按钮复位是指用户按下“复位”按钮,使单片机进入复位状态[5]。
如图3-2是上电复位及按钮复位的一种实用电路。
图3-3复位电路
上电时,+5V电源立即对单片机芯片和M50462AP芯片供电,同时经电阻R对电容C3充电。
C3上电压建立的规程就产生一定宽度的负脉冲,经反向后,RST上出现正脉冲使单片机实现了上电复位。
按钮按下时,RST上同样出现高电平,实现了按钮复位。
3.1.3看门狗电路
看门狗电路是一个定时器电路。
在由单片机构成的微型计算机系统中,由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰,造成程序的跑飞,而陷入死循环,程序的正常运行被打断,由单片机控制的系统无法继续工作,会造成整个系统的陷入停滞状态,发生不可预料的后果,所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑,便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片,即看门狗。
看门狗电路的应用,使单片机可以在无人状态下实现连续工作,其工作原理是:
看门狗芯片和单片机的一个I/O引脚相连,该I/O引脚通过程序控制它定时地往看门狗的这个引脚上送入高电平(或低电平),这一程序语句是分散地放在看门狗其他控制语句中间的,一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段进入死循环状态时,写看门狗引脚的程序便不能被执行,这个时候,看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号,便在它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号,使单片机发生复位,即程序从程序存储器的起始位置开始执行,这样便实现了单片机的自动复位[5]。
看门狗有硬件和软件两种。
硬件看门狗是利用了一个定时器,来监控主程序的运行,也就是说在主程序的运行过程中,我们要在定时时间到之前对定时器进行复位如果出现死循环,或者说PC指针不能回来。
那么定时时间到后就会使单片机复位[4]。
常用的WDT芯片如MAX813,5045,IMP813等。
软件看门狗技术的原理和硬件差不多,只不过是用软件的方法实现。
本文所用为硬件看门狗,所以对软件的原理及设计思路不作表述。
本文采用MAX813作为看门狗电路主芯片。
MAX813是具有监控电路的微处理芯片,它具有独立的看门狗计时器,如果输入在1.6s内无变化就会产生输出;
当掉电或电源电压低于1.25V时,产生掉电输出.
基于MAX813的具体电路设计如图4-5所示。
图3-4看门狗电路设计
3.1.4单片机扩展电路设计
在很多复杂的应用情况下,单片机内的RAM,ROM和I/O接口数量有限,不够使用,这种情况下就需要进行扩展。
因此单片机的系统扩展主要是指外接数据存贮器、程序存贮器或I/O接口等,以满足应用系统的需要。
介绍如下:
1、27256是EPROM是可紫外线擦除的只读存储器;
而EEPROM24C256是电可擦除的只读存储器,不用紫外线擦除。
27256是单+5V供电,紫外线可擦除可改写。
使用次数为1万次,信息保存时间为10年。
读出时间为ns级,写入时间为ms级。
27256为8KBEEPROM维持电流为60mA,典型读出时间为200-350ns,字节编程写入时间为10-20μs,芯片内有电压提升电路,编程时不必增高压,单一+5V供电。
8XX51扩展27256硬件电路如下图所示。
图中27256即可作为数据存储器,有又可作为程序存储器。
由于只扩展了一片,片选端接地。
图3-5单片机扩展接口电路
图中74LS373为8D锁存器,其主要特点在于:
控制端为高电平时,输出Qo-Q7复现输入Do-D7的状态;
G为下跳沿时Do-D7的状态被锁存在Qo-Q7上。
当把ALE与G相连后,ALE的下跳沿正好把Po端口上此时出现的PC寄存器指示的低8位指令地址Ao-A7锁存在74LS373的Qo-Q7上,PC的高4位地址A8-A11则直接由P2.0-P2.3提供。
2、MCS-51单片机内只有128字节的数据RAM,当应用中需要更多的RAM时,只能在片外扩展,可扩展的最大容量为64KB,图3-6是单片机对片外RAM进行读操作的时序。
当执行指令MOVXA,@Ri或MOVXA,@DPTR时进入外部数据RAM是的读周期。
在ALE的上升沿,把外部程序存储器的指令读入后就开始了对片外RAM的读过程。
ALE高电平期间,在P0处于高阻三态后,根据指令间址提供的地址,P2口输出外部RAM的高8位地址A15-A8,P0端口输出低8位地址A7-A0;
在ALE下跳沿,P0输出的低8位地址被锁存在锁存器中,随后P0又进入高阻三态,RD信号有效后,被选中的RAM的数据出现在数据总线上,P0处于输入状态,CPU从P0读入外部RAM的数据。
图3-6扩展RAM6264
由图3-6可见,ALE把P0端口输出的低8位地址A0-A7锁存在74LS373,P2口的P2.0-P2.4直接输出高5位地址A8-A12,由于单片机的RD和WR分别与6264的输出允许OE和写信号WE相连,执行读操作指令时,RD使OE有效,6262RAM中指定地址单元的数据经D0-D7由P0口读入;
执行写指令时,WR使WE有效,由P0口提供的要写入RAM的数据经Do-D7写入6264的指定地址单元中。
单片机读写外部数据RAM的操作使用MOVX指令,用Ri间址或用DPTR间址。
3.1.5电源电路设计
由于系统用到的电源有5V、12V、15V,普通的5V直流稳压电源已不能够满足要求,所以需要设计一种5~15V电压可调的直流稳压电源电路。
电源电路设计依据电子技术相关知识为基本原理,电路主要由取样、基准电压、比较放大、调整四部分组成[3]。
原理框图如3-7所示。
图3-7电源电路原理图
2.2数据采集电路
数据采集在控制系统中是一个很重要的环节,其性质的好坏直接影响控制的精度,由于本次设计要求测量多点温度值,所以选择芯片CD4051为多路转换开关,AD574为模数转换器。
模拟量输入接口的功能是把工业生产控制现场送来的模拟信号转换成能接收的数字信号。
本次设计选用的A/D转换器为AD574。
AD574是AD公司生产的12位逐次逼近型A/D转换芯片,它将A/D转换电路、基准电压、时钟、比较器、逐次逼近寄存器以及输出缓冲存储器等集成在一块芯片上,并具有三态输出。
在一般情况下,无需加任何外部电路,只要接上+5V及-15V电源,加上模拟输入,给出启动转换信号,即可实现12位A/D转换。
AD574的主要特性指标如下:
(1)分辨率12位;
(2)转换时间25µ
s;
(3)转换精度±
2LSB;
(4)输入信号单极性或双极性;
(5)电源+5V及-15V;
AD574可由+5V及-15V供电,输入模拟电压可以是单极性0至+10V,或者是双极性+5V至-5V。
输入电压极性可由BIPOFF引脚的连接方式而定。
单极性输入时BIPOFF接地,双极性输入时应悬空或接+5V电源。
在AD574由微处理器控制的情况下,可在初始化程序中将BC端置为高电平,DR端的状态由芯片内部决定,其初始状态也是高电平,此时输出总线处于高阻状态。
当B/C端输入低电平信号后,AD574便开始转换。
此时,DR端及输出端状态不变,经25µ
s后转换结束,DR端变低,延时500ns后,数据线上出现转换后的数据。
当微处理器取完数据后转换命令可撤去,B/C置高电平。
在B/C变化后的1.5µ
s,DR线随之自动变高,同时数据线呈现高阻,一次转换即完成。
注意上次B/C命令撤除与下一次给出新的转换命令之间的时间间隔不得小于2µ
s,如果在转换进行期间B/C线变高,那么这次转换就停止,而且DR与数据线状态不变。
A/D转换结束时,A/D转换芯片会输出转换结束信号,通过CPU读取转换数据。
图3-8模数转换器AD574电路图
2.3键盘显示电路
8279是一种通用的可编程键盘、显示器接口芯片,能完成键盘输入和显示控制的功能,其中键盘部分提供扫描工作方式,可连接64个键的矩阵键盘,并具有自动消抖和多键同时按下保护功能。
显示部分则提供了扫描方式的显示接口。
可与8位或者16位LED数码管连接。
8279用于单片机应用系统中,可以大大提高CPU的效率,并可使接口电路更具有通用性。
8279主要由输入/输出控制、数据缓冲器、控制与定时寄存器、扫描计数器、回复缓冲器、FIFO传感器RAM、显示RAM、显示地址寄存器等电路组成[7]。
下面分别介绍各部分电路的工作原理:
(1)输入/输出控制及数据缓冲器
数据缓冲器足双向缓冲器,它将内部总线和外部总线连通,用于传送CPU和8279之间的命令和数据。
输入/输出控制线控制/向各种内部寄行器和缓冲器发送或接受数据。
CS是片选信号,只有当CS=0时,8279才被选通,CPU才能对其进行读写操作。
RD、WR是来自CPU的读写控制信号。
A0用于区别信息的特性,当A0=0时,表示输入/输出的信息均为数据;
当A0=1时,表示输入/输出的信息为指令,而输出的信息是状态字。
(2)控制与定时寄存器及定时控制
控制与定时寄存器用来寄存键盘和显示的工作方式以及由CPU编程的其他操作方式。
这些寄存器一旦接收并锁存送来的命令,就通过译码产生相应购控制信号,从而完成相应的控制功能。
定时控制包含基本的计数链,首级计数器是一个可编程的N级计数器,N可以在2~31之间由软件编程,以便从外部时钟CLK得到内部所需的100kHz时钟。
然后经过分频为键盘扫描提供适当的逐行扫描频率和显示扫描时间。
(3)扫描计数器
扫描计数器有两种工作方式,按编码方式工作时,计数器做二进制计数,四位计数状态从扫描线SL0~SL3输出,经外部译码器译码后,为键盘和显示器提供扫描线。
按译码方式时,扫描计数器的最低二位被译码后,从SL0~SL3输出,因此SL0~SL3提供了4中取1的扫描译码。
(4)回复缓冲器、键盘去抖及控制
来自RL0~RL3的8根回复线的回复信号,由回复缓冲器缓冲并锁存。
在键盘工作方式中,回复线作为行列式键盘的行列输入线。
在逐行扫描时,回复线用来搜索每一行列中闭合的键,当某一键闭合时,去抖电路被置位,延时等待10ms后,再检验该键是否继续闭和,并将该键的地址和附加的移位、控制状态一起形成键盘数据送入8279内部FIFO(先进先出)存储器。
键盘数据格式如表1.3所示。
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
控制
移位
扫描
回复
表1.3FIFO存储
控制和移位D6、D7的状态由两个独立的附加开关决定.而扫描(D5、D4、D3)和回复(D2、D1、D0)则是被按键置位的数据。
D5、D4、D3来自动扫描计数器,是按下键的行列编,而D2、D1、D0则来自列计数器,它们是根据回复信号而确定的列编码。
在传感器开关状态矩阵方式中,回复线的内容直接被送往相应的传感器RAM(即FIFO存储器)。
在选通输入方式中,回复线的内容在CNTL/STB线的脉冲上升沿被送入FIFO存储器。
(5)FIFO/传感器及其状态寄存器
FIFO/传感器RAM是—个双重功能的8×
8RAM。
在键盘或选通方式工作时,它是FIFO存储器,其输入或读出遵循先入先出的原则。
FIFO状态寄存器用于存放FIFO的工作状态。
例如,RAM是满还是空,其中存有多少数据,是否操作出错等。
当FIF0存储器不空时,状态逻辑将产生I
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