消毒柜控制器的设计报告.docx
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消毒柜控制器的设计报告
电子信息工程专业
课程设计题单
班级098208126学生徐安
课程名称专业课程设计
课题消毒柜微电脑控制器
设计要求设置三个功能键：
消毒、保温、停止
按消毒键，接通加热继电器加热，当测到125℃时，停止加热；按保温键，在50℃以下接通加热器，到70℃关闭，一直持续工作
按停止键，则停止工作
课题发给日期2010.6.14
课程设计完成日期2010.7.9
指导教师
评语：
评分：
基于单片机消毒柜控制系统设计
学生：
胥鑫指导教师：
王萍
内容摘要：
当前，在世界范围内，一个以微电子技术，计算机和通信技术为先导，以信息技术和信息产业为中心的信息革命方兴未艾。
为使我国尽快实现经济信息化，赶上发达国家水平，必须加速发展我国的信息技术和信息产业。
而计算机技术怎样与实际应用更有效的结合并有效的发挥其作用是科学界最热门的话题，也是当今计算机应用中空前活跃的领域。
本文主要介绍了一个来用AT89C51单片机制作的消毒柜控制电路。
它主要包括供电电源电路、上电复位电路、晶振电路、开关控制电路、电热管电路、报警电路等部分。
文中对各电路的结构及工作原理作了详尽的介绍。
电路运行后，能自动定时控制消毒柜电热管的加电和断电，适时有效地完成对柜内餐具或其它物品的消毒工作。
具有电路简单、制作容易、使用灵活等优点。
通过改电路，可以进一步了解到单片机电路的应用扩展功能和指令应用技巧。
关键词：
单片机单门消毒板
BasedonSCMalexipharmicarkcontroldesign
Abstract:
Atpresent,worldwide,withmicroelectronicstechnology,acomputerandcommunicationtechnologyastheforerunner,taketheinformationtechnologyandtheinformationindustryasthecenterofinformationrevolutionisintheascendant.Inordertomakeourcountryasquicklyaspossibleeconomicinformatization,catchupwiththedevelopedcountries,wemustacceleratethedevelopmentlevelofourcountry'sinformationtechnologyandinformationindustry.Buthowcomputertechnologyandpracticalapplicationismoreeffectivecombinationandeffectiveplayitsroleisthescientificcommunity'shottesttopic,alsoisthecurrentcomputerapplicationinactiveunprecedentedlyfield.ThispapermainlyintroducesamadebyAT89C51alexipharmicarkcontrolcircuit.Itmainlyincludesthepowersupplycircuit,theelectricityresetcircuit,crystaloscillatorcircuit,switchcontrolcircuit,electricheatpipecircuit,alarmcircuitandotherparts.Inthispaperthecircuitstructureandworkprincipleofadetailedintroduction.Circuitaftertheoperation,itcanautomatictimingcontrolalexipharmicarkofpluselectricheatingtubeandpoweroutages,timelyeffectivelycompletedtoracktablewareorotherarticlesdisinfectionjob.Hasthecircuitissimple,easytomake,useagile,etc.Throughthechangecircuit,canfurtherunderstandingtotheapplicationofSCMcircuitfunctionexpansionandinstructionsapplicationskills.
Keywords:
SCMChanMenDisinfectionboard
基于单片机消毒柜控制系统设计
前言
1.1课题的背景和意义
随着科技的进步，社会的发展，测温控温仪器的广泛应用，智能控温已经成为当今控制系统的主要方向，特别近年来温度控制系统已经应用在人们生活的各个方面，但温度控制却是一个一直未开发的领域，却是与人们息息相关的。
而该设计是设计一个消毒柜，其实就是设计一个智能的温度控制系统，消毒柜主要通过加热到一个指定温度，对卫生洁具进行高温消毒，消毒柜就是把高温控制在一个指定的范围内，维持一定时间，杀灭细菌，极大的增强了人们的饮食卫生，大大降低了疾病的传染，为提高人们的健康起了重要的作用。
1.2国内外研究概况及发展方向
基于国内外对消毒柜的研究大体可以分为三个方向：
首先是基于温度控制，通过对温度的控制来达到消毒的目的，它分为高温型电子消毒柜杀菌和低温型消毒柜，其次就是市场上的一些通过臭氧消毒，最后就是通过紫外线来消毒的消毒柜。
这三类消毒柜其中高温消毒柜高温型电子消毒柜杀灭细菌的效果好，升温速度较快，用时短，一次消毒的时间一般不会超过25分钟，同时，在消毒的过程中不产生气体，所以容易被用户接受。
高温型电子消毒柜适用于铝、不锈钢、陶瓷、玻璃制成的餐具、茶具，但是不适于消毒不耐热的塑料、漆、木、竹制品，选购的时候要考虑这一点。
一般家中电子消毒柜耗电功率多在600-700瓦之间，每次消毒耗电相对低温型多一些。
低温型消毒柜杀菌消毒时间较长，一次消毒时间大概需要60分钟才能完成，若柜门密封不好，会有少量臭氧的气味逸出。
但是适用任何材料，包括塑料制成的奶瓶奶嘴、茶具和餐具都可以进行消毒杀菌。
低温型电子消毒柜耗电量一般都比较小，家中使用的消毒柜多在200瓦以下，价格相对比较便宜。
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
0
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：
（3.4.2-1）
整个放大器的输出电压为：
（3.4.2-2）
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：
（3.4.2-3）
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-
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