毕业设计基于单片机消毒柜控制器的设计Word格式.docx
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根据中国预防医学科学院消毒研究中心测试数据表明：
消毒柜内部温度必须达到125℃，而且需要持续保持10分钟，才能把对人身体有害的病菌杀死。
由于这个原因，只有单一远红外线消毒功能的消毒柜中不适宜存放塑料器皿，因为要想在消毒柜内达到125℃，无论是采用石英管还是电热丝发热，发热元件附近的温度肯定会高于125℃，塑料容器在长时间的烘烤之下，很容易发生变形。
纵观国所有的消毒柜产品，其发展方向就是系统采用微电脑控制，VFD动态显示当前系统工作情况和其他参数，同时采用数码控制定时开关、自动除臭等，采用高新纳米磁性门封材料、排气孔特别设有防虫网，有效杜绝二次污染的消毒柜等。
1.3本文主要的研究内容
本文主要研究基于89C51单片机控制的消毒框系统，设计中前端温度采集电路采用的是铂热电阻PT-100为基础的电桥电路，然后经过放大电路，将采集的数据送单片机处理并在7279模块中显示出来。
本设计是最适合老百姓的，有良好的人机对话界面，有简单的按键操作，动态可调的工作参数，都是十分人性化的。
相对于其他的那些消毒柜，本设计很容易实现，成本低，一切按照工业设计的流程进行的，对于工业生产有很大的意义。
本设计使用的是单片机智能控制，高效并安全地实现温度的精确控制，相比起来有更大的优势。
而且本设计还提供了为了让系统稳定可靠工作的外围电路，比如上电复位与系统复位相结合等，它为整个消毒柜系统的正常工作提供了有力的保证。
[1]
2系统的组成及工作原理
2.1系统设计要求[2]
A.设置三个功能键：
消毒、保温、停止；
B.按下消毒键，加热装置进行加热，当温度达到125度时，停止加热，其加热的时间可通过键盘设定；
C.按下保温键，在50度以下接通加热器，达到70度关闭，一直持续工作，其加热的时间可通过键盘设定；
D.按下停止键，就停止工作；
E.采用的是PT-100铂热电阻测温，A/D转换采用的是ADC0809；
F．采用的是7279芯片管理键盘显示。
2.2系统组成框图
图2.2-1系统组成框图
2.3系统工作原理[3]
本次设计采用铂热电阻PT-100温度传感器实现从温度到电阻值的转换，PT-100的温度每上升1度，其阻值就增大0.38欧姆，电桥将PT-100电阻值的变化转换成电压变化、再经集成运放TL084放大成0-5V的电压（值不会超过5Ⅴ），然后经ADC0809转换成8位数字的信号送89C51单片机系统，89C51单片机对所采集的数据经滤波、变换等处理后送入7279显示模块中进行显示，从而完成对温度的采集。
89C51单片机再对键盘的扫描结果和即时温度值的处理，实现对温度的控制，系统设计了加热，保温，停止三键，按下加热功能键时，单片机控制加热器，开始进行加热，当温度到达125度时停止加热，按下保温键时，温度小于50度，加热器开始加热，温度超过70度，停止加热，当按下停止键时,一切程序停止运作。
在此基础上，设置了一个校时键，当按下校时键时，无论加热器加热与否，要到达设定的时间才停止工作。
如此达到实验要求。
完成实验。
3硬件电路设计
3.1方案论证
方案一：
本方案采用的是新型的温度传感器LM35构成前端温度传感电路，LM35输出可以从0度开始，该器件采用的是塑料封装TO992，工作的电压4～30V。
LM35前端电路直接与ADC0809温度采样电路相连接。
系统采用的是以51单片机为核心的微电脑控制，主要通过单片机启动ADC0809电路，对前端电路直接进行采样，得到采样的数字值由单片机将其经数学变换处理，转换成真正的温度值。
键盘控制则采用的是以HD7279为核心的键盘显示电路，由它来控制消毒、保温、停止等功能，并设置校时键，随时设置当前工作状态和需要保持的时间。
7279键盘显示电路带有8个数码管，用来显示当前系统工作情况，如倒计时时间，实时温度等。
加热器与单片机用继电器来隔开，继电器用来智能控制消毒柜的加热。
本方案的特点是：
前端温度电路直接采用LM35温度传感器，具有转换速度快，灵敏度高的特点，但是测量精度不够，抗干扰性能差的，受工作环境因素的影响较大。
方案一电路原理图如下所示:
图3.1-1方案一电路原理图
方案二：
在此次实验中也可以采用铂热电阻温度传感器PT-100，由含铂热电阻PT-100为桥臂的电桥，过程中其温度的变化将引起PT-100电阻值的改变，最终转变成电压的变化，但电桥输出的电压最多只能有几十毫伏，所以必须经ICL7650放大后才能输出0～5V的电压，达到实验所要求的电压，再经ADC0809转换成8位数字信号送至单片机。
单片机开发系统对所采集的数据经过滤波、变换等处理后送到7279进行显示，以实现对温度的测量。
测量出即时温度值之后要进行的就是根据温度的值和7279对键盘的扫描结果进行相应的处理，比如加热、保温、停止等，这些就需要靠软件程序来辅助完成，还要通过加热装置来进行相应的操作，从而完成此次设计的要求。
加热器是由单片机控制，安全管理加热器的启动与停止，加热装置将单片机核心系统与加热器隔离，防止加热器的高温对系统造成损伤，起到了以小电流控制大电流而安全控制的作用。
3.2方案确定
由于设计要求最高的温度需要达到了125℃，而LM35系列传感器达不到要求的这个温度，而且价格也高。
所以不采用这一方案。
而在实验中已经采用过方案二，并且成功的测量出了温度值，因此对用PT-100测温的性能及参数都比较了解，做起来也是得心应手，对整个电路如何调试，分析，工作原理都比较熟悉，就算是出现了什么问题也能很好的得到解决，所以我最终决定采用方案二。
3.3单片机最小系统设计
主控机系统采用了Atmel公司的89C51单片机，它包含有128字节数据存储器，内置4K的电可擦除FLASHROM，可以进行重复的编程，大小可以满足主控机软件系统设计，故不必再扩展程序存储器。
复位电路和晶振电路是89C51工作所需的最简的外围电路。
单片机最小系统电路图如图3.3-1所示。
89C51的复位端是一个史密特触发输入，高电平有效，而系统中的时钟接口和CAN总线接口的复位信号都是低电平有效。
在复位电路中，按一下复位开关就使在RS端出现一段时间的高电平，经过74LS14的一次反相整形，提供给单片机复位端。
再经过一次反相整形，通过I/ORST端提供给外部接口电路。
外接12M晶振和两个20P电容组成系统的内部时钟电路。
图3.3-1单片机最小系统电路图
3.4温度转换与放大电路
温度转换与放大电路模块如图3.4-1所示，它主要由电桥电路和放大电路构成。
本电路主要采用的是以PT-100为核心的电桥电路，将当前温度的变化转换成电阻的变化，从而造成电桥的不平衡，使得电桥输出在一定范围的微小且精确电压，再由放大电路对这个微小电压进行放大，放大之后才送到ADC0809的IN0口进行采样转换。
[4]
图3.4-1温度转换与放大电路
3.4.1电桥电路
电桥电路如图3.4.1-1中所示，电桥电路中采用的是PT－100铂热电阻作为一条桥臂，构成温度传感器，PT－100铂热电阻是利用阻值随温度而变化的特性来测量温度，PT-100的温度每上升1度，其阻值相应增大0.38欧姆，且在0℃～500℃范围内的电阻温度曲线的线性度都比较好。
消毒柜要求的温度范围是0-130℃之间，在这范围之内PT-100的线性度是最好的，它有很好的稳定性和测量精度，测温范围比较宽。
[5]
图3.4.1-1电桥电路
铂热电阻与温度之间的关系近似线性关系如下：
在－200℃～0℃范围，温度为t℃时的阻值Rt的表达式为:
（3.4.1-1）
在温度为0℃～650℃范围内：
（3.4.1-2）
式中的分度常数为：
A＝3.96847×
（１/℃） ,Ｂ＝－5.847×
（１/℃）,Ｃ＝－422×
（１/℃）
是在0℃时阻值为100Ω。
下面列出铂热电阻在0℃～100℃时的电阻值：
表3.4.1-2铂热电阻与温度之间的关系表
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0℃
100.0
100.4
100.8
101.2
101.6
102.0
102.3
102.7
103.1
103.5
10
103.9
104.3
104.7
105.1
105.5
105.8
106.2
106.6
107.0
107.4
20
107.8
108.2
108.6
109.0
109.3
109.7
110.1
110.5
110.9
111.3
30
111.7
112.1
112.4
112.8
113.2
113.6
114.0
114.4
114.8
115.2
40
115.5
115.9
116.3
116.7
117.1
117.5
117.9
118.2
118.6
119.0
50
119.4
119.8
120.2
120.5
120.9
121.3
121.7
122.1
122.5
122.9
60
123.2
123.6
124.0
124.4
124.8
125.2
125.5
125.9
126.3
126.7
70
127.1
127.5
127.8
128.2
128.6
129.0
129.4
129.7
130.1
130.5
80
130.9
131.3
131.7
132.0
132.4
132.8
133.2
133.6
133.9
134.3
90
134.7
135.1
135.5
135.8
136.2
136.6
137.0
137.4
137.7
138.1
100
138.5
电桥计算：
（3.4.1-3）
设
（
为100Ω）
（3.4.1-4）
当T=0℃时，
即
，电桥处于平衡
（3.4.1-5）
Ｔ＞０℃时 ∵
＜＜
∴
（3.4.1-6）
取T=100℃时，
=138.5Ω，
=10K，
=100Ω，VDD=12V
（3.4.1-7）
所以，当温度T变化在0～100℃时，△U的变化范围是0～45.7mV。
3.4.2测量放大电路
三运放结构的测量放大器由两级组成，两个对称的同相放大器构成第一级，第二级为差动放大器—减法器，如图3.4.2-1所示。
图3.4.2-1测量放大电路
设加在运放A1同相端的输入电压为V1，加在运放A2同相端的输入电压为V2，若A1、A2、A3都是理想运放，则V1=V4,V2=V5
（3.4.2-1）
（3.4.2-2）
（3.4.2-3）
所以，测量放大器第一级的闭环放大倍数为：
整个放大器的输出电压为：
为了提高电路的抗共模干扰能力和抑制漂移的影响，应根据上下对称的原则选择电阻，若取R1=R2，R4=R6，R5=R7，则输出电压为：
第二级的闭环放大倍数：
（3.4.2-4）
整个放大器的闭环放大倍数为：
（3.4.2-5）
若取Rk=R5=R6=R7，则Vo=V6-V3，Af2=-1
（3.4.2-6）
由上可看出，改变电阻RG的大小，可方便的调节放大器的增益，在集成化的测量放大器中，RG是外接电阻，用户可根据整机的增益要求来选择RG的大小。
此外，由上述推导可见，输出电压Vo与输入电压的差值是正比，所以在共模电压作用下，输出电压Vo为0，这是因共模电压作用在RG的两端不会产生电位差，故RG上不存在共模分量对应的电流，也就不会它的输出,即使共模输入电压发生了变化，也不会引起输出。
因此，测量放大器具有比较高的共模抑制能力，通常选取R1=R2，其目的是为了抵消A1和A2本身共模抑制比不等造成的误差和克服失调参数及其漂移的影响。
然而，对高流共模电压，一般接法的测量放大器不能完全抑制，在实际应用中，常采用驱动屏蔽技术来克服高流共模电压的影响。
3.5数模转换电路
数模转换电路是以ADC0809为核心的A/D转换电路，如图3.5-1所示。
图3.5-1数模转换电路
在使用ADC0809进行模数转换时，应注意以下问题：
A.ADC0809的零点不用调整。
满刻度调整时，先给输入端加入电压，使满刻度所对应的电压值是：
（3.5-1）
式中VIN＋表示实际输入电压值；
Vmax表示输入电压的最大值；
Vmin表示输入电压的最小值；
当输入电压与VIN+值相当时，调整VREF2端电压值使输出码为FEH或者FH。
B.参考电压的调节。
在使用A/D转换器时，为保证其转换精度，要求输入电压满量程使用。
如输入电压动态范围较小，则可调节参考电压，以保证小信号输入时ADC0809芯片8位的转换精度。
C.接地。
模数、数模转换电路中要特别注意到地线的正确连接，否则干扰很严重，以至影响转换结果的准确性。
A/D、D/A及取样保持芯片上都提供了独立的模拟地（AGND）和数字地（DGND）的引脚。
在线路设计中，必须将所有的器件的模拟地和数字地分别连接，然后将模拟地与数字地仅在一点上相连。
其中：
Vin（+）为模拟电压输入端，A-GND为模拟地，作为输入模拟电压和基准电压基地端的接地参考点。
VREF为基准电压输入端，接MC1403提供稳定的参考电压。
WR和RD接89C51的读写端。
ADC0804在数据采集系统中的工作过程：
采集数据时，首先微处理器执行一条传送指令，在该指令执行过程中，微处理器在控制总线的同时产生CS、WR低电平信号，启动A/D转换器工作，ADC0804经100us后将输入模拟信号转换为数字信号存于输出锁存器，并在等待转换结束后，通知微处理器可来取数。
微处理器立即执行输入指令，以产生CS、RD低电平信号到ADC0804相应引脚，将数据取出并存入存储器中。
整个数据采集过程中，由微处理器有序的执行若干指令完成。
本次设计在AD采样部分电路设计没有选用中断方式，因为在加热装置选取的部分，选用的为小功率加热器，在一定时间内温度的变化不是很明显。
在本系统实时要求不是很高情况下，采用延时方式对系统执行速度影响不是很大。
3.6温度控制电路
图3.6-1温度控制电路
本设计采用的是单片机利用PWM波来控制加热的温控电路，其电路图如图3.6-1所示，由两级三极管放大电路组成，第一级放大采用9014三极管，其放大倍数可达1000以上，而第二级采用大功率的达林顿管TIP122，当P1.4脚输出低电平时，三极管导通，控制加热器进行加热[6]。
TIP122是大功率三极管，当Vce=3V，Ic=0.5A时，其放大倍数为Hfe=1000。
其等效电路见图3.6-2。
图3.6-2TIP122等效电路
3.7显示模块
图3.7-1HD7279的管脚图
HD7279是一种管理键盘和LED显示器的专用智能控制芯片。
HD7279的管脚图如图3.7-1。
DIG0～DIG7和SA～SG是64键盘的列线和行线端口，完成对键盘的监视，译码和键值的识别。
在8×
8阵列中每个键的键码是用十六进制表示的，可用读键盘数据指令读出，其范围是00H～3FH。
HD7279与微处理器仅需4条接口线，其中CS为片选信号（低电平有效）。
当微处理器访问HD7279（读键号或写指令）时，应将片选端置为低电平。
DATA为串行数据端，当向HD7279发送数据时，DATA为输入端；
当HD7279输出键盘代码时，DATA为输出端。
CLK为数据串行传送的同步时钟输入端，时钟的上升沿表示数据有效。
KEY为按键信号输出端，在无键按下时为高电平；
而有键按下时此引脚变为低电平并且一直保持到键释放为止。
RC引脚用于连接HD7279的外接振荡元件，其典型值R=1.5kΩ,C=15pF。
RESET为复位端。
该端口由低电平变成高电平并保持25ms即复位结束。
通常，该端口接+5V即可。
DIG0～DIG7分别为8个LED管的位驱动输出端。
SA～SG分别为LED数码管的A段～G段的输出端。
DP为小数点的驱动输出端。
HD7279片内具有驱动电路，它可以直接驱动1英寸及以下的LED数码管，使外围电路变得简单可靠。
A-G和DP为显示数据，分别对应7段LED数码管的各段。
当对应的数据位为‘1’时，该段点亮，为‘0’时则不亮。
此指令灵活，通过造字形表，可以显示用户所需的字符。
字形码表如表3.7-2所示：
表3.7-27279字形表
显示字符
显示码
7EH
7FH
30H
7BH
6DH
g
5FH
79H
o
1DH
33H
d
3DH
5BH
p
67H
L
16H
70H
熄灭码
00H
HD7279键
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