烘箱温度控制系统设计.docx

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烘箱温度控制系统设计

第一部分设计题目及设计要求

设计内容：

在烘箱内部装有一个1000W的电加热丝和一个PT100铂热敏电阻温度传感器，用8088CPU设计一个温度控制器，对烘箱温度（室温-100度）进行控制。

要求系统可对控制温度进行设置（键盘），对当前温度进行显示（7段LED显示器）（设已知PT100的温度系数为0.01Ω/度）。

第二部分设计要求

设计要求：

画出电路原理图，说明工作原理，编写相应程序，其控制为简单控制，即当温度超过设定温度1度时停止加热，当低于设定温度1度时开始加热。

第三部分设计总体方案

设计总体方案：

本系统是以8088微处理器为核心，是一个典型的温度闭环控制系统，需要完成的功能是温度的设定、温度的采集与显示以及温度的自动控制等。

系统采用最简单的开关通断控制方式，即当烘箱温度大于设置值1度时断开加热电阻丝，当温度低于设定值1度值时接通电阻丝开始加热，从而保持恒温控制。

根据设计的要求，可将系统分为如下几个子模块：

温度检测模块，AD转换模块，键盘输入模块，接口扩展模块，温度显示模块，温度控制模块。

由于本系统需要的接口较多，我们使用了两片可编程并行接口8255以提高系统的工作效率。

第一片8255

（1）用于连接键盘和十位和个位数码管显示；第二片8255

（2）用于连接十分位的数码管显示，AD转换器和温度控制系统。

系统原理图如下图所示：

其详细原理是：

温度的传感和放大部分通过PT100热敏电阻温度传感器和运算放大器来实现温度的检测与电压放大，通过温度检测与信号调理模块来实现。

该模块将得到的电压信号送到ADC0809进行模数转换。

8088从ADC0809读转换后的数字量，由温度与数字量的转换关系，调用相应子程序将数字量转换成温度的BCD码。

这时CPU8088将该温度值（即实际温度值）与先前通过键盘输入的值（即设定值）进行比较，若实际温度值高于设定温度值的1度时，调用停止加热子程序，若实际值低于设定值的1度时，则调用开始加热子程序。

这两个子程序执行完毕之后，检测一次按键，若无按键被按下，则返回到温度采集模块重新采集新的温度值与设定值进行比较；若有按键被按下，则回到按键检测过程重新开始执行程序。

系统硬件连接示意图：

系统总流程图：

第四部分主要元件

主要元件介绍：

⑴8088CPU简介及其总线形成原理

1979年，INTEL公司推出了8088芯片，它仍旧是属于16位微处理器，内含29000个晶体管，时钟频率为4.77MHz，地址总线为20位，可使用1MB内存。

8088内部数据总线是16位，外部数据总线是8位。

作为微处理器,再加上必须的支持芯片,如时钟发生器,地址锁存器,总线驱动器,存储器和I/O接口等,才能构成一台完整的微型计算机。

根据外部设备的数量和系统复杂程度,8088可以选用两种系统总线构成模式,最小模式和最大模式。

最小模式是单CPU系统,在这种系统中,8088的MN/MX引脚接高电平,系统全部的控制信号都直接由CPU提供。

最大模式是多CPU系统,此时MN/MX引脚接低电平,必须通过8288总线控制器对CPU的状态信息进行译码才能产生系统必须的控制信号。

最小模式系统构成如图1所示。

这时8088的MN/MX引脚接至VCC,它直接产生存储器和I/O端口的读写命令,如IO/M,RD,WR,INTA,直接产生地址锁定信号ALE,控制数据收发器的控制信号DT/R,DEN。

图18088的最小总线模式

⑵8255简介及其工作方式

8255是Intel公司生产的为x86系列CPU配套的可编程并行接口芯片，其通用性较强，使用灵活。

8255内部包含3个独立的I/O端口（A口、B口和C口）以及一个控制寄存器，共有3种工作方式（本设计中三个端口工作在方式0和方式1下）：

1）方式0：

基本输入输出方式。

在这种工作方式下，A口、C口的高4位、B口以及C口的低4位可分别定义为输入或输出，各端口相互独立，故共有16种不同的组合，且C口具有按位进行置位和复位的能力。

此方式最适合于无条件传送方式。

本设计中三个端口均工作在方式0下。

2）方式1：

选通输入输出方式。

在这种方式下，A口和B口仍作为数据的输入输出口，C口的某些位用来提供选通信号以控制数据的输入输出。

3）方式2：

双向传输方式。

只有A口可以工作在这种方式下。

利用C口的5条线来提供双向传输所需的控制信号。

当A口工作于方式2时，B口可以工作在方式0或方式1，而C口剩下的3条线可作为输入输出线或用作B口方式1下的控制线。

8255具体的工作方式通过软件向控制寄存器中写入相应的控制字来实现，这个过程称为8255的初始化。

8255的外部引线如图2所示。

图28255外部引线

⑶存储器简介

1.EPROM2764

2764是8K*8b的紫外线擦出、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为75mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250nS，28脚双列直插式封装。

各引脚的含义为：

A0-A12为13根地址线，可寻址8K字节；D0-D7为数据输出线；CE为片选线；OE为数据输出选通线；PGM为编程脉冲输入端；Vpp是编程电源；Vcc是主电源。

正常工作（只读）时，Vpp=Vcc=+5V,PGM=+5V。

编程时，Vpp＝+25V（高压），PGM端加入宽度为50ms的负脉冲。

EPROM2764的外部引线如图3所示。

它的引线与SRAM芯片6264是兼容的。

这给使用者带来很大方便。

因为在软件调试过程中，程序经常需要修改，此时可将程序先放在6264中，读写修改都很方便。

调试成功后，将程序固化在2764中，由于它与6264的引脚兼容，所以可以把2764直接插在原6264的插座上。

这样，程序就不会由于断电而丢失。

2.SRAM6264

6264是一种8K×8的静态存储器，主要包括512×128的存储器矩阵、行／列地址译码器以及数据输入输出控制逻辑电路。

地址线13位，其中A12～A3用于行地址译码，A2～A0和A10用于列地址译码。

在存储器读周期，选中单元的8位数据经列I/O控制电路输出；在存储器写周期，外部8位数据经输入数据控制电路和列I／O控制电路，写入到所选中的单元中。

6264有28个引脚，如图所示，采用双列直插式结构，使用单一＋5V电源。

其中，D0~D7接8根双向数据线，CS接片选信号线，OE为输出允许信号，WE为写允许信号，Vcc为+5V电源，GND是接地端，NC表示空端。

EPROM2764的外部引线

第五部分子模块介绍

⑴温度检测模块

详细原理：

本系统的温度检测的设计是以PT100热敏电阻为检测元件的，PT100铂电阻温度传感器，0℃时电阻值为100Ω，100℃时为138.5Ω。

精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200℃～650℃）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计。

由于其电阻值小，灵敏度高，所以引线的阻值不能忽略不计，采用三线式接法可消除引线线路电阻带来的测量误差。

原理如下：

PT100引出的三根导线截面积和长度均相同（即r1=r2=r3），测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻（Rpt100）作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根（r1）接到电桥的电源端，其余两根（r2、r3）分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样两桥臂都引入了相同阻值的引线电阻，电桥处于平衡状态，引线线电阻的变化对测量结果没有任何影响。

由于测温的范围是0℃——100℃，将0℃对应的PT100阻值100Ω和100℃时对应的阻值138.5Ω分别带进电桥计算，得到温差为100℃时电桥两端的出入约为0.15v，这时需要将该电压值调理到适合ADC0809的输入通道匹配电压值0~5v，于是用LM324将该电压放大33倍，接近5v。

由于一般电源供应多器件之后，电源是带杂波的，因此使用稳压二极管作为稳压元件，再利用可变电阻分压输出电压接A\D转换器，那么A\D转换输出的数字量就和摄氏温度成线性比例的关系。

电路图

⑵AD转换模块

器件简介：

我们选择使用ADC0809来进行AD转换，ADC0809是逐位逼近型8位单片AD转换芯片。

片内含8路模拟开关，可允许8路模拟量输入。

片内带有三态输出缓冲器，可直接与总线相连。

它的转换精度和转换时间都不是很高，但其性能价格比有比较明显的优势，是目前应用较为广泛的芯片之一。

ADC0809工作过程：

1）首先输入3位地址信号，ADDA、ADDB、ADDC。

2）在通道地址信号有效期间，使ALE引脚上产生一个由低到高的电平变化，即脉冲上跳沿，它将输入的3位通道地址锁存到内部地址锁存器。

3）接着给START引脚加上一个由高到低变化的电平，启动AD转换。

4）变换开始后，EOC引脚呈现低电平，一旦变换结束，EOC又重新变为高电平。

5）CPU在检测到EOC变高后，输出一个正脉冲到OE端，将转换结果取走。

详细应用过程：

模拟输入通道地址A,B,C直接接地，因此ADC0809只对通道IN0输入的电压进行模数转换。

为了减少输入噪声其他通道直接接地。

ADC0809的数据线D0-D7与第一片8255的PA0-PA7相连接，其EOC接在PB2上，ALE和START接在PB0上，OE接在PB1上。

PB2接加温电路。

ADC0809接受由温度采集模块送来的模拟电压信号。

CPU8088通过8255向ADC0809的ALE和START端口送一个高电平，这时ADC0809将地址信息锁存起来，并启动模数转换器开始转换模拟信息。

当转换完成之后，ADC0809的EOC将变为高电平，这时8088读到该高电平时，向ADC0809的OE端口送一个高电平读允许信号，并从它的8位数据端口读转换完成后的数字量。

电路图

流程图：

⑶键盘输入模块

详细原理：

温度的预设值需要用键盘输入，矩阵键盘所需的连线非常少，是一般微机常用的键盘结构。

本系统需要输入0-9的数字，所以设计成4*4的矩阵键盘，其中只有前十个按键有效。

按键的识别采用反转法。

电路图

矩阵键盘键码的读出这里采用反转法，首先初始化第一片8255，定义PC口高四位为输出，低四位为输入。

然后使PC口高4位先输出0，读低四位即列线的状态，如果列线有低电平，说明有键按下，保存列值。

再定义PC口高四位为输入，低四位为输出，使低四位输出刚才保存的列值，读高四位得到行值并保存。

组合行值和列值，查表后即可得到对应的键值。

流程图

⑷接口扩展模块

详细原理：

两片8255的数据口D0-D7与CPU的数据总线相连接，控制8255内部的各种操作。

控制线RESET用来使8255A复位。

CS和地址线A1及A0用于芯片选择和通道寻址。

分别与译码电路和8088的地址线A1,A0相连接。

电路图

首先确定第一块8255的地址为0000H~0003H，第二块8255的地址为0004H~0007H，按照该地址分配使用8088的低16位地址线确定译码电路，分别选中两片8255的。

由于8088的AD0~AD19具有分时复用的功能，使用时首先送出地址，选中对应芯片后送出数据。

所以两片8255的数据端口再次接8088的AD0~AD7。

⑸数据显示模块

详细原理：

用第一片8255的A口和B口分别接2片LED数码管，分别用来显示十位数和个位数；第二片8255的C口接1片LED数码管用来显示十分位。

显示时8088首先向第1片8255送控制字，然后向A口送十位数转换的字段码，将温度的十数位显示在LED上，同样的方法依次选中LED之后将温度的个位和十分位显示在LED，每秒更新一次温度值。

个位的数码管的dp端接高电平，使其上面的小数点点亮。

电路图

流程图：

⑹温度控制模块

详细原理：

当第一片8255的PB3为高电平时，三极管导通，继电器吸合，加热系统开始压加热；反之，输入低电平，三极管截止，继电器断开，停止加热。

在图中二极管的作