模电课设报告.docx
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模电课设报告
课程设计任务书
学生姓名:
专业班级:
指导教师:
工作单位:
信息工程学院
题目:
基于单片机80C52的温度控制系统
初始条件:
1.模拟电子线路基础知识。
2.单片机C语言编程开发知识。
要求完成的主要任务:
1.控制密闭容器内空气温度
2.容器容积>5cm*5cm*5cm
3.测温和控温范围:
0℃~室温
4.控温精度±1℃
参考书:
1.《51单片机C语言教程》郭天祥主编,电子工业出版社
2.《晶体管电路设计(上)》铃木雅晨主编,科学出版社
3.《电子线路设计·实验·测试》第三版,谢自美主编,华中科技大学出版社
时间安排:
第17周(7、8节):
理论讲解
第18周:
理论设计及实验室安装调试;
地点:
鉴主15通信工程实验室
(1),鉴主13通信工程专业实验室;
第19周:
撰写设计报告及答辩;地点:
鉴主17楼研究室。
指导教师签名:
2011年1月4日
系主任(或责任教师)签名:
年月日
摘要4
Abstract5
1温度控制系统原理6
1.1温度控制系统原理6
1.2温度控制系统总方案概述6
2温度控制系统元件的选用及简介6
2.1单片机STC89C52简介6
2.2单片机程序下载芯片MAX2329
2.3温度采集芯片DS18B2010
2.4光耦合器4N2513
2.5LCD1602液晶显示14
2.6半导体制冷器TEC115
3.温控系统硬件原理图15
3.1温控原理总图16
3.2控制模块原理图.16
3.3LCD1602显示模块17
3.4DS18B20温度采集模块18
3.5半导体制冷的驱动19
4温控系统Protues软件仿真19
4.1温控系统Protues软件仿真总图20
4.2采样显示模块仿真21
4.3半导体制冷器驱动仿真22
4.4温控系统的仿真调试23
5温度控制系统实物25
6设计心得26
7参考文献27
8附录28
8.1单片机程序C语言代码28
8.2元件清单33
摘要
单片机是20世纪中期发展起来的一种面向控制的大规模集成电路模块,具有功能强、体积小、可靠性高、价格低廉等特点,在工业控制、数据采集、智能仪表、机电一体化、家用电器等领域得到了广泛的应用,极大的提高了这些领域的技术水平和自动化程度。
51系列单片机是国内目前应用最广泛的一种8位单片机之一,随着嵌入式系统、片上系统等概念的提出和普遍接受及应用。
51系列及其衍生单片机还会在继后很长一段时间占据嵌入式系统产品的低端市场,因此,作为新世纪的大学生,在信息产业高速发展的今天,掌握单片机的基本结构、原理和使用是非常重要的。
本次课程设计的内容是使用STC89C52单片机最小系统设计温度控制系统,系统以单片机为主控单元,主要用于对温度的测量和控制。
Abstract
SCMisthemid-20thcentury,developedamoduleforthecontroloflargescaleintegratedcircuitswithfeatures,smallvolume,highreliability,lowpriceand,inindustrialcontrol,dataacquisition,intelligentinstruments,mechanicalandelectricalintegration,homeapplianceshavebeenwidelyused,greatlyimprovethetechnicallevelintheseareasandautomation.
51seriesisthemostwidelyoneofa8-bitmicrocontrollerwithembeddedsystems,systemonchip,andputforwardtheconceptsofuniversalacceptanceandapplication.SCM51anditsderivativeswillalsocontinueforalongtimeaftertheaccountofthelow-endembeddedsystemproductsmarket,asthenewcentury,collegestudents,therapiddevelopmentintheinformationindustrytoday,tograspthebasicstructureofSCM,theprincipleanduseisveryimportant.
ThecontentofcurriculumdesignistheuseofSTC89C52todesignthetemperaturecontrolsystem,amicrocomputercontrolunit,mainlyusedforthetemperaturemeasurementsandthetemperaturecontral.
1温度控制系统原理
1.1温度控制系统原理
图1、温度控制系统原理图
.1.2温度控制系统总方案概述
温度控制系统的设计以AT89S52单片机为核心,利用DS18B20做为温度传感器。
将DS18B20采集的实时温度信号经过STC89C52处理,输出到LCD1602屏幕显示并与设定温度进行对比。
若温度比预设的高,则通过单片机STC89C52管脚输出的方波控制继电器的导通,从而控制半导体制冷器制冷的目的。
2.温度控制系统元件的选用及简介
2.1单片机STC89C52简介
图2﹑STC89C52实物
80C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品,它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机,属于标准的MCS-51的HCMOS产品。
它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征,它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统,属于80C51增强型单片机版本,集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能,适合于类似马达控制等应用场合。
80C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器(ROM)32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内时钟振荡电路。
此外,80C52还可工作于低功耗模式,可通过两种软件选择空闲和掉电模式。
在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。
掉电模式下,保存RAM数据,时钟振荡停止,同时停止芯片内其它功能。
80C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。
STC89C52是40管脚的封装。
STC89C52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口作为AT89C51的一些特殊功能口,管脚备选功能
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)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
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/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。
2.2单片机程序下载芯片MAX232
图3﹑MAX232实物
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。
引脚介绍:
第一部分是电荷泵电路。
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v和-12v两个电源,提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚(R1IN)、12脚(R1OUT)、11脚(T1IN)、14脚(T1OUT)为第一数据通道。
8脚(R2IN)、9脚(R2OUT)、10脚(T2IN)、7脚(T2OUT)为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头;DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
第三部分是供电。
15脚GND、16脚VCC(+5v)。
主要特点:
1、符合所有的RS-232C技术标准
2、只需要单一+5V电源供电
3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力,能够产生+10V和-10V电压V+、V-
4、功耗低,典型供电电流5mA
5、内部集成2个RS-232C驱动器
6、内部集成两个RS-232C接收器
2.3温度采集芯片DS18B20
图4﹑DS18B20实物
DS-18B20 数字温度传感器DS18B20的数字温度计提供9至12位的摄氏温度测量,并具有与非易失性用户可编程上限和下限报警功能。
信息单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出,因此按照定义只需要一条数据线(和地线)与中央微处理器进行通信。
它的测温范围从-55°C到+125°C,其中从-10°C至+85°C可以精确到0.5°C。
此外,DS18B20可以从数据线直接供电(“寄生电源”),从而消除了供应需要一个外部电源。
每个DS18B20的有一个唯一的64位序列码,它允许多个DS18B20s的功能在同一巴士线,因此,用一个微处理器控制大面积分布的许多DS18B20是非常简单的。
此特性的应用范围包括HVAC、环境控制、建筑物、设备或机械内的温度检测以及过程监视和控制系统。
该DS18B20使用Dallas的单总线协议,总线之间的通信用一个控制信号就可以实现。
控制线需要一个弱上拉电阻,因为所有的设备都是通过3线或开漏端口连接(在DS18B20中用DQ引脚)到总线的。
在这种总线系统中,微处理器(主设备)和地址标识上使用其独有的64位代码。
因为每个设备都有一个唯一的代码,一个总线上连接设备的数量几乎是无限的。
单总线协议,包括详细的解释命令和“时间槽”,此资料的单总线系统部分包括这些内容。
DS18B20的另一个特点是:
没有外部电源供电仍然可以工作。
当DQ引脚为高电平时,电压是单总线上拉电阻通过DQ引脚供应的。
高电平信号也可以充当外部电源,当总线是低电平时供应给设备电压。
这种从但总线提供动力的方法被称为“寄生电源“。
作为替代电源,该DS18B20也可以使用连接到VDD引脚的外部电源供电。
DS18B20的性能特点:
①采用单总线专用技术,既可通过串行口线,也可通过其它I/O口线与微机接口,无须经过其它变换电路,直接输出被测温度值(9位二进制数,含符号位),②测温范围为-55℃-+125℃,测量分辨率为0.0625℃,③内含64位经过激光修正的只读存储器ROM,④适配各种单片机或系统机,⑤用
户可分别设定各路温度的上、下限,⑥内含寄生电源。
表一:
DS18B20暂存寄存器分布
寄存器内容
字节地址
温度值低位(LSByte)
0
温度值高位(MSByte)
1
高温限值(TH)
2
低温限值(TL)
3
配置寄存器
4
保留
5
保留
6
保留
7
CRC校验值
8
表二:
DS18B20ROM指令表
指令
约定代码
功能
读ROM
33H
读DS1820温度传感器ROM中的编码(即64位地址)
符合ROM
55H
发出此命令之后,接着发出64位ROM编码,访问单总线上与该编码相对应的DS1820使之作出响应,为下一步对该DS1820的读写作准备。
搜索ROM
0FOH
用于确定挂接在同一总线上DS1820的个数和识别64位ROM地址。
为操作各器件作好准备。
跳过ROM
0CCH
忽略64位ROM地址,直接向DS1820发温度变换命令。
适用于单片工作。
告警搜索命令
0ECH
执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。
表三:
RAM指令表
指令
约定代码
功能
温度变换
44H
启动DS1820进行温度转换,12位转换时最长为750ms(9位为93.75ms)。
结果存入内部9字节RAM中。
读暂存器
0BEH
读内部RAM中9字节的内容
写暂存器
4EH
发出向内部RAM的3、4字节写上、下限温度数据命令,紧跟该命令之后,是传送两字节的数据。
复制暂存器
48H
将RAM中第3、4字节的内容复制到EEPROM中。
重调EEPROM
0B8H
将EEPROM中内容恢复到RAM中的第3、4字节。
读供电方式
0B4H
读DS1820的供电模式。
寄生供电时DS1820发送“0”,外接电源供电DS1820发送“1”。
2.4光耦合器4N25
图5﹑4N25实物
光耦合器(opticalcoupler,英文缩写为OC)亦称光电隔离器,简称光耦。
光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。
目前它已成为种类最多、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。
图6﹑4N25内部结构
注意事项:
(1)在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源,若两端共用一个电源,则光电耦合器的隔离作用将失去意义。
(2)当用光电耦合器来隔离输入输出通道时,必须对所有的信号(包括数位量信号、控制量信号、状态信号)全部隔离,使得被隔离的两边没有任何电气上的联系,否则这种隔离是没有意义的。
2.5LCD1602液晶显示
图7﹑LCD液晶实物
工业字符型液晶,能够同时显示16x02即32个字符。
(16列2行)
1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形,这些字符有:
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B(41H),显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到字母“A”。
液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点,在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。
2.6半导体制冷器TEC1
图8﹑半导体制冷器实物
半导体致冷片(即温差电致冷组件)
一、特性:
依据珀尔帖效应制作的温差电致冷组件重量轻,体积小并具有相对高的致冷量,它特别适用于有限空间的致冷,由于致冷组件是一种固态热泵,因而它无需维护,无噪音,能在任何位置工作,抗冲击和抗振动能力强。
另外,改变组件工作电流极性时,它又可以致热,改变电流强度可调整致冷功率。
半导体制冷器的用途很多,可用于制作便携冷藏/保温箱、冷热饮水机等。
也用于电子器件的散热。
目前制冷器所采用的半导体材料最主要为碲化铋,加入不纯物经过特殊处理而成N型或P型半导体温差元件。
以市面常见的TEC1-12605为例,其额定电压为:
12v,额定电流为5A,最大温差可达60摄氏度,外型尺寸为4X4X0.4Cm,重约25克。
它的工作特点是一面制冷而一面发热。
接通直流电源后,电子由负极(-)出发,首先经过P型半导体,在此吸收热量,到了N型半导体,又将热量放出,每经过一个NP模组,就有热量由一边被送到另外一边,造成温差,从而形成冷热端。
下图是一个致冷器的典型结构,由许多N型和P型半极体之颗粒互相排列而成,而NP之间以一般的导体相连接而成一完整线路,通常是铜、铝或其他金属导体,最后用两片陶瓷片像汉堡包一样夹起来。
注意事项:
1、注意热端的散热。
半导体制冷的热面温度不应超过60℃,否则就有损坏的可能。
若在额定的工作电压(12V)下,一般的散热风扇根本无法为制冷片提供足够的散热能力,容易造成制冷片过热损坏。
同时千万不要在无散热器的情况下为致冷器长时间通电,否则会造成致冷器内部过热而烧毁。
TEC1是单面的制冷片,一面制热另一面制冷。
3.温控系统硬件原理图
3.1温控原理总图
图9﹑protel中硬件原理总图
基于单片机STC89C52的温度控制主要包括:
串口下载模块﹑液晶显示模块﹑独立按键模块﹑温度采集模块﹑单片机最小系统模块﹑半导体制冷驱动模块。
3.2控制模块原理图
图10﹑控制模块原理图
控制模块是基于单片机最小系统。
单片机最小系统包括复位电路模块和规定单片机工作频率的晶振模块。
3.3LCD1602显示模块
图11﹑LCD显示模块
液晶显示模块是由LCD1602和一个10K的电位器组成。
电位器起到调节液晶显示的亮度的作用。
3.4DS18B20温度采集模块
图12﹑温度采集模块
温度采集模块是由数字温度芯片DS18B20和一个10K保护电阻组成。
电路组成简单。
图13﹑DS18B20温度采集时序图
3.5半导体制冷器的驱动
图14﹑半导体器的驱动
半导体制冷的驱动主要是由光耦合器4N25,继电器ATX201,半导体制冷器TEC1-12706,NPN9013三极管组成。
工作原理:
当驱动电路收到单片机发给的低电平信号,光耦合器4N25中的二极管点亮,管中三极管NPN导通,三极管NPN9013的基极有电势,三极管导通,继电器闭合,半导体制冷器工作。
4温控系统Protues软件仿真
4.1温控系统Protues软件仿真总图
图15﹑温控硬件原理仿真总图
4.2采样显示模块仿真
图16﹑采样显示模块仿真图
调节DS18B20温度时,液晶显示温度也随着变化。
说明显示和温度采集模块能正常工作。
4.3半导体制冷器驱动仿真
图17﹑半导体制冷器驱动仿真图
当驱动电路收到单片机发给的低电平信号,光耦合器4N25中的二极管点亮,管中三极管NPN导通,三极管NPN9013的基极有电势,三极管导通,继电器闭合,代替半导体制冷元件的LED点亮,说明驱动部分能正常工作。
4.4温控系统的仿真调试
图18﹑温控系统调试1
当空间里的温度大于1时,单片机发出低电平信号,半导体制冷器正常工做,开始治冷。
图19﹑温控系统调试2
当空间里的温度小于1时,单片机发出高电平信号,半导体制冷器停止工作。
通过调试说明基于单片机89C52的温控系统设计能正常工作。
5温度控制系统实物
图20﹑课设实物
6设计心得
短短一周的电路课程设计结束了,在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的理论知识,锻炼了自己的动手实践能力,也培养了我在短时间内完成任务的能力。
在设计过程中,和同学们相互探讨,相互学习,相互监督。
学会了合作.
本次课程设计有较强的综合性,不仅要求设计者能灵活使用单片机的各种指令,熟练使用单片计计数器余定时器,熟练编写顺序结构程序,循环结构程序以及分支结构程序,还要求对单片机的电路连接结构,对数码管管理芯片有明确清晰的了解与认识,否则在设计的第一步就会遇到障碍。
经过几星期的查找资料,初步完成电路图的框架。
把整个板块分为几个小版块,一步一步的完成,最后完成整个课设作品。
通过本次的课设,加深了对单片机应用的理解。
同时锻炼了编写C语言程序的能力,熟悉了while,if,for等语句的应用。
做课设过程中用到了画图软件Altium.Designer,还有仿真软件Protues。
在一步步的完成自己的课设时,更加熟悉了此类软件的应用,提高了使用软件的技巧。
同时也平时课本上学习的模电知识得以应用,还学到了课本没有介绍的应用,如三极管不仅仅有电流放大作用,还可以起到开关的作用。
除了知识应用,还锻炼了自己心里承受能力和冷静的分析能力,当遇到程序出错了,面对几百行的程序,要冷静下
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