电烤箱的智能温控仪表设计说明Word文档格式.docx

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随着社会的发展，单片机的特点体现在体积小、可靠性高、使用方便等方面。

根据温度控制的特点，本次设计采用STC89C51单片机为控制核心，采用位式控制算法并用晶闸管过零驱动1000W电加热器。

实现对电烤箱的温度的控制。

通过本次设计进一步详细说明单片机控制系统在社会生活中的应用。

为以后进一步应用单片机系统提供帮助。

第1章概述

温度控制是工业生产过程中经常遇到的控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。

根据温度变化快慢的特点，并且控制精度不易掌握等特点，本文电烤箱的温度控制为模型，设计了以STC89C51单片机为检测控制中心的温度控制系统。

温度控制显示采用3位LED静态显示。

该设计结构简单，控制算法新颖，控制精度高，有较强的通用性。

1.1技术指标

功能及技术指标：

1.2控制方案

位式控制位式控制就是通断控制。

如果设定值为A，当系统的输入值小于A或大于A时，输出的控制信号只有0和1两种状态，称为二位式控制。

举个例子：

假设x表示水箱的实际水位、A表示设定的水位控制高度，y表示输出的控制信号，则：

当实际水位x低于设定的A时，y=1，水泵导通，水箱开始进水；

当水位达到或超出了A时，y=0，水泵关断，水箱停止进水。

晶闸管过零驱动

双向晶闸管在单片机控制系统中，常作为功率驱动器件，特别适合做交流无触点开关使用。

双向晶闸管接通的一般都是功率较大的电器，且连接在强电网络中，因此对单片机的控制信号会造成较大的干扰。

所以在一般情况下，都通过光电耦合器将单片机与双向晶闸管隔离。

另外，为了进一步减小双向晶闸管触发时产生的干扰，双向晶闸管的触发常采用过零触发电路，也称为过零驱动电路。

过零触发，就是在电压为零或零附近的瞬间接通。

由于采用了过零触发，所以在晶闸管的控制电路中，还需要有交流电的过零检测电路。

双向晶闸管（也称为双向可控硅）过零触发电路主要应用于单片机系统的交流负载控制电路，可以控制电炉等大功率交流设备。

当过零检测电路检测到交流电压过零时，便产生中断请求，只要在中断服务程序中通过单片机的P1.0引脚发出触发脉冲，即可触发双向可控硅导通。

第2章电烤箱的智能温控仪表硬件部分设计

2.1硬件部分

系统的硬件部分包括单片机电路、A/D转换器、放大器、传感器、键盘及显示电路五大部分。

其各部分连接关系如图2-1所示。

图2-1电烤箱温度控制系统结构

2.2单片机电路设计

随着社会发展，单片机以其体积小、可靠性高、使用方便的特点在社会生活中达到广泛应用。

根据温度控制特点，本次设计采用STC89C51。

以下对其进行详细介绍。

STC89C51单片机是美国Intel公司的8位高档单片机的系列。

也是目前应用最为广泛的一种单片机系列。

其部结构简化框图如下所示。

STC89C51系列单片机主要有CPU、存储器，I\O接口电路及时钟电路等部分组成。

2.2.1中央处理器CPU

中央处理器CPU是单片机的核心。

是计算机的控制指挥的中心。

同一般微机的CPU类似。

STC89C51单片机部CPU包括控制器和运算器。

如图2.1.2-1

2.2.2运算器

STC89C51运算器电路以算术逻辑单元ALU为核心。

有累加器ACC、寄存器B、暂存器1、暂存器2、程序状态寄存器PSW和布尔处理机共同组成。

它主要完成数据的算术运算、逻辑运算、位变量处理和数据传输操作。

运算结果的状态由程序寄存器PSW保存。

A.算术逻辑单元ALU与累加器ACC、寄存器B

算术逻辑单元ALU不但能完成8位二进制的加、减、乘、除等算数的运算。

而且还能对8位变量进行逻辑“与”“或”“异或”循环位移等逻辑的运算。

累加器ACC（简称累加器A）为一个8位寄存器，它是CPU中使用最频繁寄存器。

专门存放操作数或运算结果。

图2.2.2-1STC89C51单片机部结构简化框图

2.2.3STC89C51单片机引脚功能

STC89C51系列单片机的封装形式有两种：

一种是双列直插方式的封装；

另一种是方形的封装。

STC89C51单片机40个引脚及总线结构图如下所示。

其CMOS工艺制造的低地功耗芯片也有采用方形的封装。

但为44个引脚，其中4个引脚是不使用的。

由于STC89C51单片机是高性能的单片机。

同时受到引脚数目的限制，所以有部分引脚具有第二功能。

如图2.1.3-1单片机引脚图。

a.主电源引脚

主电源引脚两根：

VCC接+5V电源正端；

VSS接+5V电源地端。

b.外接晶体引脚两根

XTAL1:

接外部石英体和微调电源一端。

XTAL2:

接外部晶体和微调电容另一端。

其中，对用外部时钟时，对于HMOS单片机,XTAL1脚接地，XTAL2脚作为外部振荡信号输入端。

对CHMOS单片机XTAL1脚作为外部振荡信号的输入端，XTAL2脚空不接。

图2.2.3-1单片机引脚图

2.2.4引脚功能

I\O引脚共32根。

A．PO口：

P0.0-P0.7统称为PO口是8位双向I/O口线。

P0口即可作为地址/数据总线使用，又可作为通用的I/O口线。

在不接片外存储器与不扩展I/O口时，可作为准双向输入/输出口。

在接有片外存储器或扩展I/O时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据的总线。

B．P1口：

P1.0-P1.7统称为P1口。

是8位准双向I/O口线。

P1口作为通用I/O口使用。

C．P2口：

P2.0-P2.7统称为P2口。

P2口即可作为通用的I/O口使用。

也可作为片外存储器的高8位地址线。

与P0口组成16位片外存储器单元地址。

P3口的第二功能如下表所示：

P3口的第二功能

P3.0RXD串行口输入

P3.1TXD串行口输出

P3.2

外部中断0输入

P3.3

外部中断1输入

P3.4T0定时/计数器0计数输入

P3.5T1定时/计数器1输入

P3.6

片外RAM写选通信号（输出）

P3.7

片外RAM读选通信号（输出）

2.2.5控制线

控制线共四根。

A：

ALE/PROG地址锁存有效信号输出率。

B：

PSEN片外程序存储器读选通信号输出端低电平有效。

C：

RST/VPD复位信号备用电源输入信号。

D：

EA/VPP片外程序存储器选用端。

2.2.6STC89C51单片机的存储器结构

STC89C51单片机的存储器物理结构上分为片数据存储器、片程序存储器、片外数据存储器和片外程序存储器等4个存储空间。

2.2.7STC89C51单片机的并行I/O端口

STC89C51单片机有4个8位并行I/O端口（P0、P1、P2、P3）每个端口都各有8条I/O口线，每条I/O口线都独立地用作输入输出，在具有片外扩展存储器的系统中，P2口送出高8位地址，P0口分时送出低8位地址和8位数据。

各端口的功能不同，结构上也有差异，但是每个端口的8位结构是完全相同的。

如图2.1.7-1I/O口位结构图所示。

a.P0口，P0口是一个三态双向口，可作为地址/数据分时复用口，也可作为通用I/O接口。

b.P1口，P1口为准双向口，它在结构上与P0口的区别在与输出驱动部分。

其输出驱动部分由场效应管V1与部上拉电阻组成，当某位输出高电平时，可以提供上拉电流负载，不必像P0口上那样需要外接上拉电阻。

c.P2口，P2口也为准双向口。

其具有通用I/O接口或高8位地址总线输出两种功能，所以其输出驱动结构比P1口输出驱动结构多了一个输出模拟转换开关MUX和反相器3。

d.P3口P3口的输出驱动由与非门3和V1组成，比P0、P1、P2口结构多了一个缓冲器4。

P3口除了可为通用准双向I/O接口外，每一根线还具有第二功能。

图2.2.7-1I/O口位结构图

2.2.8STC89C51单片机时钟电路及时序

a.时钟电路

STC89C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生：

一种是部的方式，一种是外部的方式。

图2.2.8-1、2.2.8-2所示。

b.时序

STC89C51单片机指令字节数和机器周期数可分为六类。

即单字节单机器周期指令、单字节双机器周期指令、单字节四机器周期指令、双字节单机器指令、双字节双机器周期指令和三字节双机器周期指令。

图2.2.8-1部方式时钟电路图2.2.8-2外部方式时钟电路

2.2.9复位电路

复位是通过某种方式，使单片机各寄存器的值变为初值状态操作，STC89C51单片机在时钟电路工作以后，在RST/VPD端持续给出两个机器周期的高电平就可以完成复位操作。

复位分为上电复位和按键手动复位两种方式。

STC89C51单片机复位状态如下所示：

寄存器复位状态寄存器复位状态

PC0000HACC00H

B00HPSW00H

SP07HDPTR0000H

P0-P1OFFHIPXXX00000B

IE0XX00000BTMOD00H

TCON00HTL0、TL100H

TH0、TH100HSCON00H

SBUF不定PCON0XXX0000B

2.2.10STC89C51单片机的指令系统

控制计算机与操作指令是一组二进制编码，称之为机器语言。

计算机只能识别和执行机器语言指令。

STC89C51单片机指令与指令系统共有111条指令，从功能上可分成数据传输类指令、算术运算指令、逻辑运算和移位指令、程序控制转移类指令和位操作指令五大类。

2.3传感器电路设计

2.3.1传感器概述

根据国家标准，传感器定义是：

能感受规定的被测量并按照一定得规律转换成可用输出信号器件或装置。

传感器一般由敏感元件，转换元件和转换电路三部分组成。

其组成框图如2.2.1-1所示。

图2.3.1-1传感器组成框图

敏感元件：

它是直接感受被测量并输出与被测量成确定关系某一种量的元件。

转换元件：

敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。

转换电路，上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。

传感器按其工作原理可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器。

物理传感器是利用某些变换元件的物理性质，及某些动作功能材料的特殊物理性能制成的传感器。

化学传感器是利用电化反应的原理，把无机和有机化学物质成分。

浓度等转换为电信号传感器。

生物传感器是一种利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质传感器。

随着科学技术发展和社会进步的需要，推动着传感器技术的迅速发展。

目前传感器技术的发展方向主要有开发新型传感器、开发新材料、采用新工艺、集成化多功能化与智能化等几个方面。

2.3.2传感器的基本特性

根据被测量的变化状态，可以把传感器输入量分为静态量和动态量两大类。

静态量指传感器的输入量位程序状态信号或变化及其缓慢的准静态信号；

动态量指传感器的输入量为周期信号、瞬变信号或随机信号等时间变化的信号。

其中，传感器的静态特性是指传感器在被测量处于稳定状态下的输出输入关系。

传感器的静态特性是在静态标准工作条件测定的。

衡量传感器静态静态特性的主要技术指标有量程、线性度、迟滞、重复性、灵敏度、漂移。

传感器的动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。

A.传感器的技术性能指标及改善性能途径

传感器技术性能指标

传感器动态性能指标

量程指标：

包括测量围、过载能力。

灵敏度指标：

包括灵敏度、分辨力、满量程输出、输出输入阻抗。

A.精度有关指标：

包括精度（误差）、重复性、线性、滞后、灵敏度误差、阀值稳定性、、漂移。

B.动态性能指标：

包括固有频率阻尼系数、时间常数、频响围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间。

C.环境参数指标

a.温度指标包括工作温度围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后。

b.抗冲击振动指标：

包括各向冲击振动的频率、振幅、加速度、冲击振动引入的误差。

c.其他环境参数：

包括抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁场干扰能力。

C.可靠性指标：

包括工作寿命，平均故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻耐压弧性能。

D．其他指标：

a．使用方面：

包括供电方式、电压幅度与稳定性功能、各项分布参数。

b．结构方面：

名手外形尺寸质量、壳体材质、结构特点。

c.要装连接方面：

包括安装方式、馈成、电缆。

改善传感器性能的技术途经：

a．差动技术b.平均技术c.零示法和微差法d.闭环技术e.屏蔽隔离子干扰抑制f.补偿修正技术g.稳定性处理。

根据本设计要求选用热电式传感器。

将被测量变化转换成热生电动势传感器称热电式传感器、热电式传感器可将温度及温度相关的信号转化为电量输出、热电式传感器有热电阻、热敏电阻、热电效方式等各种类型。

根据电烤箱特点采用热电阻传感器。

热电阻利用金属导体的电阻值随温度升高而增大的特性来来进行了温度测量的，常用测量围为-20。

C~+150。

随着其技术的发展，其测温围也不断扩大，低温已可测量1K~3K,高温则可测量+1000。

C~+1300。

C热电阻力传感器的主要优点有：

A.测量精度高，热电阻材料电阻温度特性稳定，重复性好，不存在热电偶参比端误差问题；

B.测量围较宽，尤其在低温的方面；

C.易于在自动测量或远距离测量中的使用；

常用的热电阴材料有铂、铜、镍、铁等。

2.3.3热电阻的测量电路及应用

热电阻常用接入电桥使用引出线有两、三线式和四线式三种形式。

采用两线式接法时（如图2.2.3-1所示Rt的接法）引出的导线接于电桥的一个臂上，当由于环境温度或通以电流引起导成温度变化时，将产生附加的电阻、引起测量误差，所以，当热电阻值较小时，常采用三线式、四线式接法，以消除接线电阻和引线电阻影响。

三线式接法是将两条具有相同温度特性的导成接于相邻两桥臂上，此时由于附加电阻引起电阻变化是相同的，根据电桥特性，电桥输出将互相抵消。

图2.3.3-1热电阻传感器的接线方式

四线式接法R2=R3为固定电阻，R1可调，热电阻Rt,通过电阻为r1、r2、r3、r4的四要导线和电桥连接，r1、r4分别串联在相邻两桥臂，r2、r3与电源去路串联，将开关接通，调节R1使电桥平衡，则：

R1+r1=Rt+r4

再将开关接通B，重新调整R1，使电桥达到新的平衡，则：

R1’+r1=Rt+r1

两式相加得：

Rt=

四线式测量方法比较麻烦，一般用于精度要求较高的场合。

2.4A/D转换电路设计

2.4.1逐次逼近型A/D转换器ADC0809

a.ADC0809的部逻辑结构（如图2.3.1-1）

如图，多路开关可达通讯员89模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换。

地址锁存与译码电路完成对A、B、C三个地址供进行锁存和译码，其译码输出用于通道的选择。

8位A/D转换器是逐次逼近式，由控制时序电路，逐次逼近寄存器，树状开关以及其256R电阻下型网络等组成

输出锁存器用于存放和输出转换得到的数字量

b.ADC0809的引脚及各引脚功能

图2.4.1-1ADC0809部逻辑结构图

ADC0809的引脚入各引脚双引直插式封装，其引脚排列见图2.3.1-2所示

各引脚功能如下：

A、INT—2NO：

8咱模拟量输入引脚，ADC0809对输入模拟量的要求主要有二信号的单极性，电压围0~+5V；

若信号过小还需要进行放大。

另外，在A/D转换的过种中，模拟量输入值不应变化太快，因此，对变化速度快模拟量在输入前应增加采样保持电路。

B、A、B、C:

地址线，A为低位地址，C为高位地址用于对模拟通道进行的选择。

C、ALE：

地址锁存允许信号，在对应ALE跳转，A、B、C地址状态送入地址的锁存器中。

图2.4.1-2ADC0809引脚功能图

D、Vref：

参考电压正端参考电压用来与输入模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准，其曲型值为+5V（Vref（+）=+5V，Vref（-）=0）D、START：

转换启动信号。

START上跳转时，所有部寄存器清0；

START下跳转时，开始进行A/D转换；

在A/D转换期间，START应保持低电平。

E、DT~D0：

数据输出线，其为三态缓冲输出形式，可以和单片机数据线直接相连。

F、DE：

输出允许信号，ADC0809的部设有时钟电路，所需时钟，信号由外界提供，因此有时钟信号的引脚。

通常使用频率为500KHZ时钟信号。

I、Vcc：

+5电源

2.4.2STC89C51单片机与ADC0809接口

A.8路模拟通道选择:

A、B、C分别接地址锁存器提供的低三位地址。

只要把三位地址写入0809中的地址锁存器就实现了模拟通道选择。

对系统来说，地址锁存器是一个输出口，为了把三位地址写入，还要提供口地址。

B.数据的传输方式：

定时传输方式；

查询方式；

中断方式。

2.5放大器电路设计

传感器是将待测物理量或化学量转换成电信号的输出。

但其输出的信号通常的都很小，需要进行放大。

传感器信号的放大，根据具体情况可采用分立元件放大器（晶体管放大器）和集成元件放大器（运算放大器）。

2.5.1交流放大器电路

a.共发射极放大电路

A.工作点不稳定状态

静态工作点：

，

交流等效电路：

图2.5.1-1工作点不稳定状态放大电路

输入电阻：

rsr≈rbe（当rbe〈〈Rb时）

输出电阻：

rsc≈

≈Rce

放大倍数：

K'

=

此放大器特点：

放大倍数大。

B.工作点稳定状态

a.静态工作点：

由（

）≈

R'

fz1=Rc1//rbe，R'

fz2=Rc2//Rfz

rsr≈rbe2（当rbe1〈〈R1//R2时）

rsc≈Rc

≈

（当RC1>

>

rb2时）

此放大电路特点：

放大倍数大，工作点稳定。

b.静态工作点：

Ub≈

，Ua=Ub-Ube，

Ie=

，Uce≈Ec-Ic（Re+Rc）

fz=Rc//Rfz

rsr=rbe（当rbe〈〈Rb1//Rb2）

图2.5.1-2工作点稳定状态a类放大器电路

rsr较大，|K|〉1且与晶体管参数几乎无关。

图2.5.1-3工作点稳定状态b类放大器电路

C．静态工作点：

Ub、Uc同左，但Ie=

，Uce≈Ec-Ic（Rc+Re+RF）

（当

时）

）

大，

小，

图2.5.1-4工作点稳定状态c类放大器电路

A.V共集电极放大电路。

输入电阻

图2.5.1-5共集电极放大器电路

B.反馈

凡是引入反馈以后使放大镜器的放大倍数减小的称为负反馈。

反之凡是引反馈以后使放大倍数增大的称为正反馈赠。

其中换反馈有电压串联负反馈赠，电流串联负反馈赠，电压并联负反馈赠，电流并联的负反馈。

2.5.2直流放大器电路

将缓慢直流量信号进行广大器件称直流放大器。

它与前述交流放大器的区别是交流放大器级与级之间加了三个隔离的直电流电容（即耦合电容）而直流放大器级与级之间没有这个电路，故直流放大器又称直接耦合放大器

2.5.3运算放大器电路

A.概述

在直流差动放大器的输入端子输出端之间跨接各种网络（如电阻R1、电容C等），使构成用来实现信号组合和运算的运算放大器，运算放大器通常是由放大电路组成，输入级（第一级）由晶体管T1和T2组成差动放大镜电路T3和T4是T1和T2的有源负载。

T9是恒流源，第二级放大电路由晶体管T5和T6组成，T10是恒流源（T6的有源负载），为了获得输出阻抗，输出级（第三级）由晶体管T7和T8组成，采用互补对称放大电路。

运算放大器是一种具有高放大倍数，深度负反馈的直流放大器。

便于实现信号的组合和运算。

有很大灵活性，尤其在线性固体组件出现后，有具有体积小，质量轻等优点，所以在实际中应用固体组件运算放大器所组成的电路是多种多样的。

理想运算放大器的特性：

a.开环增益Ad无限大；

b.输入阻抗无限大；

c.输出阻抗Z为0；

图2.5.3-1运算放大器电路图

d.输入电压的失调电压rf为；

e.带宽无限大；

f.上述a—e的特性不随环境温度的变化而变化；

B.运算放大器的典型电路

a.反馈型号放大电路b.加法放大电路c.减法放大电路d.积分电路e.对数放大电路f.乘法器电路g.除法器电路h.比较器电路i.整流器电路j.限频器电路k.数据放大器电路l.弱电流放大器m.电荷放大器电路。

2.6键盘及显示电路的设计

2.6.1键盘接口电路

A.键盘的工作原理：

a.按键的确认：

在单片机应用系统中，按键都是以开关状态来设置控制功能或能入数据的，键的半合与否，反映在电压上就是呈高电平或低电平，如果高电平表示断开的话，那么低电平就是表示闭合，所以通过电平的高代状态的检测，使可以克认按键接下与否。

b.按键的抖动处理：

当按键被迫按下或释放时，通常伴随有一定的时间的触点机械抖动，然后其独占才