周安喜烤火箱温度控制系统设计.docx
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周安喜烤火箱温度控制系统设计
烤火箱温度控制系统设计
一、引言2
1.1烤火箱温度控制系统简介2
1.2烤火箱温度控制系统的发展状况2
二、系统方案论证3
2.1系统方案设计3
2.2系统总体框架图3
三、系统原理论述4
3.1温度采集模块4
3.2稳压电源模块4
3.3温度显示模块5
3.3.1译码器45115
3.3.2显示电路7
3.5语音报警模块7
四、硬件设计10
4.1模数转换器ADC080910
4.1.1ADC0809芯片引脚功能10
4.1.2ADC0809对模拟信号的要求11
4.2驱动控制电路11
4.3过欠压保护电路12
五、总结及展望13
5.1总结13
5.2展望13
致谢14
参考文献15
摘要：
近年来，随着电子技术的发展，温控系统得到了广泛的普及，电烤火箱是家庭的常备电器，其安全性和稳定性一直是人们广泛关注的。
本系统设计的温度控制系统，具有较高的安全性、可靠性和低功耗的特点，非常适合家庭中使用。
本文通过DS1820温度传感器采集烤火箱的温度，将采集到的温度值经过模数转换后与电压比较器进行比较，其目的是计算烤火箱的温度是否符合系统的要求，即10℃到60℃。
如果温度过高或过低，将启动驱动控制电路，以此开启或关闭加热器。
该系统还提供LED温度显示功能，可以实时显示烤火箱的温度值，为用户提供直观的视觉体验。
该系统的温度控制精度为0.5℃，完全满足日常生活的要求。
关键词：
烤火箱温度控制系统；DS1820温度传感器；温度显示电路；驱动控制电路
一、引言
1.1烤火箱温度控制系统简介
现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制,早期温度控制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。
电子技术的迅猛发展，极大程度地促进了工业自动化的发展，微型芯片的产生给人们的生产生活带来了革命性突破。
微型计算机和芯片的产生促进了微型化和信息化。
本设计就是利用微型芯片来采集和控制烤火箱的温度。
研究烤火箱温度控制系统，需要深入理解模拟电子技术和数字电路技术的相关知识和原理，尝试从多角度分析模拟电路的设计方法和原理，灵活运用电子设计知识。
通过分析温度控制系统，了解烤火箱相关知识，掌握DS1820温度传感器及ADC0809转换器的性能特点及连接方法，包括一些外围芯片的使用及模拟电路的设计，同时将温度控制系统的设计原理及设计思想应用到实际问题中，掌握分析同类问题的原理。
1.2烤火箱温度控制系统的发展状况
最初的控制方法是利用人工仪表控制，这种方法在生产过程中的弊端是显而易见的，工作强度大，重复性的操作容易引起工作倦怠和疏忽。
20世纪末，电子信息和通信技术的迅速发展，推动了温度控制系统革命性的突破。
将微型芯片应用到温度显示仪表中，当温度变化超过设定值时，系统将自动启动或关闭加热器，将温度始终控制在合理范围内。
随着应用的普及，目前这种温度控制系统也逐渐应用到家庭中，作为家庭电器的重要部分，烤火箱得到了广泛的普及。
因此设计合理的、便捷、可靠的家庭取暖用烤火箱的温度控制系统，是非常实用的。
二、系统方案论证
2.1系统方案设计
传统的控温的方法是采用移相触发电路改变晶闸管导通角的大小来调节输出功率，达到自动控制电加热炉温度的目的。
这种移相方式输出一种非正弦波，实践表明这种控制方式产生相当大的中频干扰，并通过电网传输，给电力系统造成“公害”。
采用固态继电器控温电路，通过微型芯片控制固态继电器，其波形为完整的正弦波，是一种稳定、可靠、较先进的控制方法。
为了降低成本和保证较高的控温精度，采用普通的ADC0809芯片和具有零点迁移、冷端补偿功能的温度变送器桥路，使实际测温范围缩小。
2.2系统总体框架图
系统主要包括单片机控制模块，温度采集模块，温度显示模块，温度上下限调整模块，电机驱动模块和外部存储模块等六大部分，系统总体框架如图1所示:
图1系统总体框架图
三、系统原理论述
3.1温度采集模块
图3.1为DS1820的测温原理，从图中可以看出，低温度系数晶振的振荡频率用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在零下55℃时，所对应的一个基数值。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
2中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。
图3.1DS1820原理框图
3.2稳压电源模块
为了解决系统电源的问题，需要设计一种输出为+5V的稳压电源。
本文采用的电源电路是220V电压到+5V电压的转换电路。
将变压器的电压变换和隔离、桥式全波整流、电容滤波，再通过三端稳压器稳压后，即可形成+5V的稳压电源，具体电路如图3.2所示：
图3.2220V至+5V电源转换电路
220V的交流电通过变压器变压之后，通过桥式整流器整流，整流后的电压通过C5、C6滤波电容进行滤波后输入到集成稳压器LM7805，在输出端再通过C7进行滤波，防止谐波干扰，以便得到无干扰的直流电压。
3.3温度显示模块
3.3.1译码器4511
该电路的译码部分由译码电路组成，电路图如图3.3所示。
图3.3LED七段数码显示译码电路
当ADC0809模数转换电路转换出数字温度值时，需要确定温度值的个位和十位分别为多少，以此进行相应数字的显示。
具体算法如图3.4所示：
图3.4温度值算法流程图
结合3.3和3.4可知，通过加法器、除法器和比较器将具体要显示的数字确定之后，译码器将要显示的十进制数转换成8421BCD码，其对应的译码表如下表2所示：
表24511译码表
8421BCD码
十进制数
0000
0
0001
1
0010
2
0011
3
0100
4
0101
5
0110
6
0111
7
1000
8
1001
9
将译出的8421BCD码分别送到LED七段数码管的相应管脚进行显示，即可完成温度值的实时显示。
3.3.2显示电路
本系统的显示部分由一个两位的LED七段共阴数码管构成，用来显示当前温度，如图3.5所示：
图3.5LED七段共阴数码管
3.5语音报警模块
为了避免烤火箱的使用过程中造成火灾的危险。
设计一个报警电路，当检测到温度过高时提醒使用者来关闭电源。
本设计的报警电路主要由蜂鸣器和2N3702型号的三极管构成，电路由电压比较电路的输出端作为接入端，当温度高于40度时，电压比较器的输出至为高电平，报警电路接通后，将使蜂鸣器发出声音报警，报警电路如图3.6所示：
图3.6报警电路
3.6单片机主控模块
单片机主控模块的微处理器采用AT89C51芯片，AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。
AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。
AT89C51单片机各引脚功能
（1）I/O引脚（4×8＝32）：
P0，P1，P2，P3。
1、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。
2、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。
3、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。
（2）控制引脚（4个）：
1、ALE——地址锁存使能。
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。
2、/PSEN——外部程序存储器ROM的选通信号。
在由外部程序存储器ROM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RAM时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
四、硬件设计
4.1模数转换器ADC0809
4.1.1ADC0809芯片引脚功能
ADC0809芯片为28引脚，为双列直插式封装，其引脚排列如图3.3所示:
图3.3ADC0809引脚图
由图可以看出，ADC0809具有28个引脚，每个引脚具有不同的功能和特点。
最主要的引脚为IN7到IN0，该引脚为模拟量的输入通道，与其对应的是D7到D0的引脚，该引脚为数字量的输出通道。
START为转换的启动信号，通过控制该引脚的电平高低可以有效控制ADC0809的转换动作，A、B、C为地址线，地址线的不同对应着不同的通道。
ADC0809具有8个通道以转换数据，其真值表为：
C
B
A
通道
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
根据A、B、C取值的不同，可以选择不同的通道，EOC为转换结束信号，OE为输出允许信号。
4.1.2ADC0809对模拟信号的要求
ADC0809要求模拟信号是单极性的，电压范围保持在0到5V，如果电压过小，转换电路无法识别出信号的变化量，必须前置放大电路或增加放大倍数。
同时，要求模拟信号在转换过程中保持不变，或保持微弱的变换量，如果模拟量变化太快，则会导致无法准确的转换成数字信号，造成数据丢失的风险，此时，应该在转换前增加采样保持电路。
4.2驱动控制电路
该电路的主要任务是完成单片机所发出的升温或降温操作，来控制外部的升温或降温设备。
如图4.1所示，电路的GK1和GK2端分别与电压比较器的输出端相连接，其工作原理如下：
在通常情况下，GK1和GK2均为低电平，当向温度控制执行电路发送降温命令时，GK1为高电平，GK2为低电平，发光二极管D9将被点亮，提醒使用者温度过高正在进行降温操作。
当向温度控制执行电路发送升温命令时，GK1为高低平，GK2为高电平，发光二极管D4将被点亮，提醒使用者温度过低正在进行升温操作。
图4.1温度控制及相应显示电路
4.3过欠压保护电路
为了使烤火箱的运行更加安全可靠，要求电源稳定地输出+5V电压，在实际电路中，由于电压转换电路具有过压和欠压的状况，这会给系统带来不稳定的状况，容易因为短暂的高压脉冲而烧毁器件。
因此设计过欠压电路是非常必要的。
图4.2为与电源相连的过欠压保护电路：
图4.2过欠压保护电路
五、总结及展望
5.1总结
在设计和实现温控系统的过程中，产生了很多困难，通过查阅资料，反复研究探索，进行多次的方案论证和系统结构调整。
这其中得益于老师的指点和帮助。
通过设计该系统，可以整理和完善所学知识，将理论与实际进行结合，发现理论中所不易考虑和察觉的地方，同时将实际经验进行总结可以得出更加完善的理论，可以指导相关问题的研究。
因此该系统的设计具有理论和实际意义。
系统的核心技术表现在温度采集和动态显示部分，其中温度采集的硬件部分使用温度传感器DS18B20，该部分主要考虑温度采集的精度，本文选用的DS1820是一种高精度的温度采集芯片，其精度为0.5℃，完全符合烤火箱温控系统对精度的要求。
动态显示部分采用锁存器和译码器来支撑LED七段数码管的显示工作，通过震荡电路可以完成两位LED数码管的动态显示。
为了实现烤火箱温控系统的众多功能，我通过查阅资料，请教老师和同学，反复进行方案论证和系统规划，在这一过程中，极大程度地锻炼了我思考问题和解决问题的能力，巩固和提高了数字和模拟电子技术的相关知识。
5.2展望
目前广泛存在的温控系统不具备远程遥控功能，当用户使用烤火箱时，需要等待烤火箱加热到一定时间，才能感受到烤火箱带来的便捷。
远程遥控功能可使用户在还未到家时，远程打开烤火箱，当回到家时，房间已经上升到足够的温度，该功能的提出极大丰富和发展了烤火箱的应用，扩大了烤火箱的使用领域。
致谢
感谢我的指导老师。
。
。
。
。
。
的悉心指导，帮助我解决设计过程中出现的问题，启发我的思路，开阔我的视野。
同时对我的设计内容、设计方法给出了多种建议和指导。
感谢在我论文的完成过程中，给我帮助的老师和同学，在这里向每一位支持我关心我的老师、朋友致以深深的谢意。
参考文献
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