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辽 宁 工 业 大 学单片机原理及接口技术课程设计（论文） 题目： 家庭用电加热器控制装置设计院（系）： 电气工程学院 专业班级： 自动化093 学 号： 学生姓名： 刘韦东 指导教师： （签字）起止时间：2012.7.42012.7.13课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号 学生姓名刘韦东专业班级 自动化093课程设计（论文）题目家庭用电加热器控制装置设计课程设计（论文）任务课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数实现功能以家庭用加热器为对象，设计一个家庭用电加热器控制装置。选用单片机作控制器，选择温度传感器、A/D转换电路、加热控制电路和信号指示电路一起构成温度检测与控制系统；检测对象：1路温度，功能要求如下：1加热电路有2组电阻丝组成，控制系统有2个选择开关，2个开关都接通，选择快速加热；一个开关接通，另一个断开，选择慢速加热：2加热器工作期间，指示灯亮；达到预定温度值，则停止加热，指示灯熄灭。设计任务及要求1、分析系统功能，确定系统硬件组成；2、设计系统的硬件电路图；3、完成软件流程图设计,编写相应的软件；4、上机调试、完善程序；5、按学校规定格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数温度检测范围是050，检测精度为±0.5进度计划1、布置任务，查阅收集资料。（1天）2、分析系统的控制功能，确定总体设计方案（1天）。3、系统硬件设计（3天）4、按系统的控制要求，设计软件流程图及软件。（2天）5、上机调试、修改程序（1天）6、撰写、打印设计说明书（1天）7、答辩（1天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要本设计为家庭用电加热器的控制装置的设计，是一个以单片机为核心，控制电路和执行电路为辅助的智能系统。当传感器检测到温度，并由模数转换器将此温度信号转化为数字信号，输送给单片机，单片机经过比较计算后，如果低于设定的温度值，会自动打开电阻丝的开关，利用电能转换为热能的过程使得电阻丝发热使室内温度升高。此外，通过开关量还可以控制工作加热丝的个数，具有功率选择的功能。综上所述，此设计对于人们的生活有着实际意义。关键词：电加热器；单片机；检测；目 录第1章 绪论1第2章 设计方案31.1 概述31.2 系统组成总体结构3第3章 硬件设计53.1单片机的最小系统设计53.3.1 单片机的选择53.2.1 复位电路73.3.1 时钟电路83.2 开关量输入接口电路83.3温度检测电路93.4 驱动电路10第4章 软件设计134.1 程序的流程图134.2 编程15第5章 课程设计总结20参考文献21第1章 绪论电加热是将电能转换为热能的过程。自从发现电源通过导线可以发生热效应之后，世界上就许多发明家从事于各种电热电器的研究与制造。电热的发展及普及应用也与其它行业一样，遵循着这样一个规律：从先进电加热器的国家逐步推广到世界各国；从城市逐步发展到农村；由集体使用发展到家庭、再到个人；产品由低档发展到高档。十九世纪处于萌芽阶段的电热电器大都是拙劣的，最早出现是用于生活的电热电器，1893年电慰斗的雏型首在美国出现并使用，接着到1909年出现电灶的使用，那是在炉灶中放置电加热器，也就是说加热从柴禾转移到电气，即从电能转变为热能。但是真正电热电器工业的急速发展，却是在用作电热元件的镍铬合金的发明之后。1910年美国首先研制成功用镍铬合金电热丝制作的电慰斗，这就从根本上改善了电慰斗结构，使用慰斗迅速得到普及。到1925年在日本出现在锅中安装电热元件的产品，成为现代电饭锅的原形。在这阶段工业上也出现实验室用电炉，熔胶炉、暖气器等电热产品。1910年至1925年是电热电器历史上的大发展阶段，在家庭和工业方面，电热电器各种品种的出现和普及应用都得到了急速的发展，而尤以家庭方面为甚。所以镍铬合金的发明是奠定了电热电器工业发展的基础。 二十年代以后在新的应用发展方面没有上一时期多，但是在这阶段内所有各种电热电器都曾重新设订而不断改良，成为电热电器历史上的提高阶段。在家用电热电器方面，各种器具都设计得更为美观、耐用和坚固，而且大部分都有自动温度和时控制，所以运用不不得法、耐用和坚固，而且大部分都有自动温度和时间控制，所以运用不得法、温度不合和发生灾的可能性都可免除。象电灶，烤包器、烙饼器等都有自动控制。同时制造用料也加以改良，如采用质量良限的A级镍铬丝，用氧化镁或氧化锆作绝缘体等。在工业方面，也和家用加热器具一样，使用了自动控制装置及改用良好的材料，如熔腊锅、熔铅炉、各种大型烘炉、热处理炉等都得到普遍的提高和应用。到四十年代以后，由于美国科学技术进步、电费便宜、收入相对较高等原因，促成电热电器进入普及阶段。1940年电慰斗在美国家庭普及率达到了解情况%。解放前我国由于受到帝国主义侵略和反动派的统治，电热电器工业一直处于非常落后的状态。解放后才得到不断发展，特别是近年来在产品品种、数量和应用普及率上进入一个突飞猛进的阶段。到了21世纪，单片机和PLC等控制器的迅速发展，推动了电加热器等一系列电器设备的智能化。单片机已渗透到生活的各个领域，几乎很难找到没有单片机足迹的领域。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说全自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械。这些设备由原来的单一人工控制转变为智能的可进行加法和逻辑运算，使得工作起来更加人性化和智能化。这不但节省了人们的时间，还给人们的生活带来了极大的便利。使得人们生活在一个科技高度发达的数字化时代。如今，电加热器已经发展到前所未有的高度。它应经广泛的被应用在热处理：各种金属的局部或整体淬火、退火、回火、透热； 热 成 型、整件锻打、局部锻打、热镦、热轧；焊 接、各种金属制品钎焊、各种刀具刀片、锯片锯齿的焊接、钢管、铜管焊接、同种异种金属焊接；金属熔炼、金、银、铜、铁、铝等金属的(真空)熔炼、铸造成型及蒸发镀膜；高频加热机其它应用、半导体单晶生长、热配合、瓶口热封、牙膏皮热封、粉末涂装、金属植入塑料等。第2章 设计方案1.1 概述此设计主要用来改变室内温度，使得环境的温度能够满足居住或办公的条件。当环境温度过低，不满足人们正常居住和生活时，此设计检测到低温信号，迅速响应，通过加热电阻丝来提升室内温度，当室内温度达到了人们的要求时，装置停止工作。此设计可应用在家庭或办公室等场合。1.2 系统组成总体结构本设计用来实现家庭用电加热器的功能，以下为系统的结构框图，如图1.2 单片机时钟电路复位电路驱动电路温度检测开关量输入图1.2 系统的结构框图1.时钟电路：时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，它可以有两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式。2.复位电路：复位操作可以使单片机初始化，也可以是死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。单片机的复位都是靠外部复位电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机RESET引脚上出现24个震荡脉冲（两个机器周期）以上的高电平，单片机就能实现复位。3.温度检测：此部分有热敏电阻和模数转换器组成。热敏电阻用来检测环境温度，而模数转换器用来将热敏电阻检测到的模拟信号转化为数字信号，然后传送给单片机处理。4.开关量输入：控制系统有两个选择开关，实现当两个开关都接通，选择快速加热；一个开关接通，另一个断开，选择慢速加热。5.单片机：此系统的工作核心，拥有控制和运算功能。可用汇编语言或C语言进行编程。当接收的检测装置的数字信号时，能够迅速响应，输出响应的控制信号，让驱动电路投入工作，工作到一定程度时，使系统自动关闭。6.驱动电路：由接触器和热电阻丝以及指示灯构成。接触器用来控制热电阻丝的闭合或打开。电阻丝利用通电的导体发热的特性来提升温度，并由开关量来控制一个或者是两个电阻丝投入工作，从而实现电加热器工作时功率的选择。指示灯在加热器工作期间，显示灯亮；达到预定温度值，则停止加热，指示灯熄灭。第3章 硬件设计3.1单片机的最小系统设计3.3.1 单片机的选择本设计采用philips公司的P89C52单片机，引脚图如图3.1所示。图3.1 P89C52单片机引脚图PHILIPS公司的P89C52基于80C51内核采用PHILIPS高密度CMOS技术设计制造，包含中央处理单元、8k字节非异失性Flash只读程序存储器EPROM、256字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和6个中断源，4层优先级中断嵌套结构，可用于多机通信的串行I/O口，I/O扩展或全双工UART，片内时钟振荡电路。此外，P89C51采用低功耗静态设计,宽工作频率(DC-33MHz)，宽工作电压范围(2.7-5.5V)，两种软件方式选择电源空闲和掉电模式。空闲模式下，冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。由于是静态设计。所以掉电模式下，时钟振荡停止，RAM数据会得以保存，停止芯片内其它功能。CPU唤醒后，从时钟断点处恢复执行程序。同时，P89C52有PLCC44、DIP40和LQFP44等多种封装形式，以适应不同产品的需求。主要功能特性：基于MCS-51内核和指令系统8kFlash只读程序存储器(ROM)32个双向I/O口256x8bit内部RAM(可扩充64kB外部存储器)3个16位可编程定时/计数器时钟频率0-33MHz6个中断源双DPTR数据指针寄存器电源空闲和掉电模式布尔处理器全静态操作 4层优先级中断嵌套功能样机制作;双数据指示器外中断唤醒电源掉电模式全双工增强各引脚功能如下：P0.0P0.7 P0 口 8 位双向口线（在引脚的 3932 号端子）。P1.0P1.7 P1 口 8 位双向口线（在引脚的 18 号端子）。P2.0P2.7 P2口8位双向口线（在引脚的 2128 号端子）。 P3.0P3.7 P3 口 8 位双向口线（在引脚的 1017 号端子）。 这 4 个 I/O 口具有不完全相同的功能.P0 口有三个功能： 1、 外部扩展存储器时， 当做数据总线 （如图 1 中的 D0D7 为数据总线接口） 2、外部扩展存储器时，当作地址总线（如图 1 中的 A0A7 为地址总线接口） 3、不扩展时，可做一般的 I/O 使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应 在外部接上拉电阻。P1 口只做 I/O 口使用：其内部有上拉电阻。 P2 口有两个功能： 1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用 2、做一般 I/O 口使用，其内部有上拉电阻； P3 口有两个功能： 除了作为 I/O 使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器 来设置，具体功能请参考我们后面的引脚说明。 有内部 EPROM 的单片机芯片（例如 8751），为写入程序需提供专门的编程脉 冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的， 即：编程脉冲：30 脚（ALE/PROG） 编程电压（25V）：31 脚（EA/Vpp） PSEN 外部程序存储器读选通信号：在读外部 ROM 时 PSEN 低电平有效，以实 外部程序存储器读选通信号：现外部 ROM 单元的读操作。 1、内部 ROM 读取时，PSEN 不动作；2、外部 ROM 读取时，在每个机器周期会动作两次；3、外部 RAM 读取时，两个 PSEN 脉冲被跳过不会输出；4、外接 ROM 时，与 ROM 的 OE 脚相接。ALE 有可能是高电平也有可能是低电平，当 ALE 是高电平时，允许地 址锁存信号，当在没有访问外部存储器期间，ALE 以 1/6 振荡周期频率输出（即 6 分频），当访 问外部存储器以 1/12 振荡周期输出（12 分频）。从这里我们可以看到，当系统 没有进行扩展时 ALE 会以 1/6 振荡周期的固定频率输出，因此可以做为外部时 钟，或者外部定时脉冲使用。PORG 为编程脉冲的输入端INT0：外部中断输入0INT1：外部中断输入1T0：定时器T0T1：定时器T1VCC：电源+5V 输入 VSS：GND 接地。RESET：复位信号,当输入的信号连续 2 个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器 PC=0000H，即复位后将从 程序存储器的 0000H 单元读取第一条指令码。X1：接外部晶体和微调电容的一端X2：接外部晶体和微调电容的另一端3.2.1 复位电路复位操作可以使单片机初始化，也可以是死机状态下的单片机重新启动。即在时钟电路工作后，只要在单片机RESET引脚上出现24个震荡脉冲（两个机器周期）以上的高电平，单片机就能实现复位。本设计采用按键电平复位电路，电路原理图如图3.2所示。图3.2 单片机按键电平复位电路3.3.1 时钟电路本设计采用内部时钟方式。内部时钟方式是利用单片机内部的振荡器，然后在引脚XTAL1（18脚）和XTAL2（19脚）两端接晶振，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路，外接晶振时，晶振两端的电容一般选择为30PF左右；这两个电容对频率有微调的作用，晶振的频率范围可在024MHz之间选择。为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。时钟电路如图3.3所示。 图3.3 时钟电路3.2 开关量输入接口电路本设计采用外部直接加入开关量，然后采用光电隔离电路，使单片机系统与外部电路隔离开来，可有效的消除外部输入信号对单片机的干扰。最终实现当两个开关都接通，选择快速加热；一个开关接通，另一个断开，选择慢速加热。电路原理图如图3.4所示. 图3.4开关量输入接口电路3.3温度检测电路检测电路是由热敏电阻和模数转换器组成。热敏电阻用来检测环境温度，而模数转换器用来将热敏电阻检测到的模拟信号转化为数字信号，然后传送给单片机处理。本设计采用DS18B20 数字温度传感器模块，可以将温度模拟信号直接转化为数字信号输出，供单片机使用。如图3.3所示。 图3.3 DS18B20数字温度传感器以下为DS18B20功能特性及使用方法一、DS18B20的主要特性1.1、适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。1.2、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯1.3、 DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温1.4、DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部 传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内1.5、温范围55125，在-10+85时精度为±0.5二、DS18B20引脚定义：(1)DQ为数字信号输入/输出端(2)GND为电源地(3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）3.4 驱动电路此部分电路以单片机输出的数字信号来控制接触器的开和关，使得热电阻丝通电或断开，从而实现了电加热器的功能。同时，在加热丝工作时指示灯应亮，不工作时应灭，具体原理图如图3.4所示。 如图3.4 驱动电路电路中继电器选用欧姆龙继电器系列 G5V-2-5V DC继电器，具体参数如下：输入电压：5V或7-12V控制方式：高电平脉冲时动作，一个高电平过来，继电器就工作，再一个低电平过来，继电器就复位，如此循环。小灯采用LED 3mm发光二级管 F3发光管。反相器采用54AC32DMQB热电阻丝采用北京首钢高温电炉丝，发热功率2000w，最高使用温度为1400度。根据以上给出的各部分电路图，本设计家庭用电加热器装置的整体内部电路原理图如图3.5所示图3.5 家庭用电加热器的整体电路原理图第4章 软件设计4.1 程序的流程图当单片机在P2.2口采集到由温度传感器检测到的信号时，对其输出的数字量与用户要求的设定值进行比较，如果低于设定值，则单片机输出信号给P0.0和P0.1口，使得继电器开始动作，将开关吸合，从而热电阻丝导通，处于加热状态。当室温达到了一定的温度，单片机输出信号给P0.0和P0.1，停止加热。以下结合温度传感器DS18b20的特性及工作方式画得的系统的程序流程图，如图4.1所示。开始 A发读存储器命令DS18b20初始化初始化成功？NY跳过ROM发温度转换指令DS18b20初始化初始化成功？NNY跳过ROM读取温度值小于内部设定值？YP2.0为高电位？NNP0.0输出高电平P2.1为高电位？YP0.1输出高电平结束N 转到AP0.0输出低电平P0.1输出低电平4.2 编程 TEMPER_L EQU 35H ;存放读出温度低位数据TEMPER_H EQU 36H ;存放读出温度高位数据 TEMPER EQU 60H ;存放转换后的温度值FLAG1 EQU BIT 00H ; DS1820存在标志位 DQ EQU BIT P3.2 ;一线总线控制端口 主程序：ORG 0000HLJMP 0100HORG 0100H MAIN: MOV SP,#07H ;设置堆栈 LCALL INIT_1820 ; DS18B20初始化 LCALL GET_TEMPER ;从DS18B20读出温度数据LCALL PUT ;比较输出 SJMP $ ;完成一次数字温度采集;DS18B20初始化子程序INIT_1820: SETB DQ NOPCLR DQ MOV R0,#250TSR1: DJNZ R0,TSR1 ;主机发出延时500uS的复位低脉冲使DS18b20复位 SETB DQ ;主机将数据线置高，进入接收模式 NOPNOP MOV R0,#20 ;TSR2: JNB DQ,TSR3 ;判别是否拉低总线DJNZ R0,TSR2 ;DS18b20延时40uS后通过拉低总线应答 LJMP TSR4 ;未拉低，跳转TSR3: SETB FLAG1 ; 置标志位,表示DS1820存在 LJMP TSR5TSR4: CLR FLAG1 ; 清标志位,表示DS1820不存在 LJMP TSR7TSR5: MOV R0,#100 TSR6: DJNZ R0,TSR6 ; 要求延时一段时间TSR7: SETB DQ RET;写DS18B20的子程序WRITE_1820: MOV R2,#8 ;共八位数据 CLR CWR1: CLR DQ ; 主机拉低总线 MOV R3,#6 DJNZ R3,$ RRC A MOV DQ,C MOV R3,#23 DJNZ R3,$ SETB DQ NOP DJNZ R2,WR1 SETB DQ RET;读DS18B20的程序,从DS18B20中读出两个字节的温度数据READ_1820: MOV R4,#2 ; 将温度高位和低位从DS18B20中读出MOV R1,#36H ; 低位存入31H(TEMPER_L),;高位存入30H(TEMPER_H)RE00: MOV R2,#8RE01: CLR C SETB DQNOP NOP CLR DQ NOP NOP NOP SETB DQ MOV R3,#9RE02: DJNZ R3,$ MOV C,DQ MOV R3,#23 DJNZ R3,$ RRC A DJNZ R2,RE01 MOV R1,A DEC R1 DJNZ R4,RE00 RET;-读出转换后的温度值GET_TEMPER: SETB DQ ; 定时入口BCD: LCALL INIT_1820 JB FLAG1,S22 ;判别标志位 SJMP BCD ;若DS18B20不存在则返回S22: LCALL DELAY1 MOV A,#0CCH ;跳过ROM匹配-0CC LCALL WRITE_1820 MOV A,#44H ;发出温度转换命令 LCALL WRITE_1820 ;调用写DS18B20指令 NOP LCALL DELAY LCALL DELAY ;等待A/D转换结束，十二位转换需要750uSCBA: LCALL INIT_1820 ; DS18B20初始化 JB FLAG1,ABC LJMP CBAABC: LCALL DELAY1 MOV A,#0CCH ; 跳过ROM匹配 LCALL WRITE_1820 MOV A,#0BEH ; 发出读温度命令 LCALL WRITE_1820 LCALL READ_1820 ;将读出的温度数据保存到35H和36HRET;与内部设定值相比较，判断是否输出;读出的数据高8位存在35H，8位存在36H,而单片机内部设定值高8位存在20H，低8位存在21H。PUT: CLR CY MOV A ,35H CJNE A,20H,REL1 MOV A,36H CJNE A,21H,REL1 REL2: SJMP PUT REL1: JNC REL2 JNB P2.0,REL3 SETB P0.0 REL3: JNB P2.1,REL2 SETB P0.0 RET第5章 课程设计总结本设计为家庭用电加热器装置的设计，先后通过方案的论证与确立，硬件的设计，软件的设计等环节。在设计过程中遇到了许多的问题，其中之一也是最主要的问题是如何编程实现主机与数字式温度传感器的数据交换，为了解决这个关键问题，我查阅了大量的有关数字式输出温度传感器DS18B20的资料，并向老师寻求了一些解决方法，最终在软件上圆满的解决了这个主要问题。本设计合理，硬件电路简单，器件廉价可靠，稳定性和测量精度都已达到了任务要求。当然，由于数字式温度传感器的选用，虽然使得硬件电路简化，但是使软件设计与常规使用A/D转换器采集数据的方法相比过于复杂，这就需要一定的编程基础。在设计中我参考了一些资料，逐渐的了解了数字式温度传感器DS18B20的工作特性和使用方法，这为以后对此类传感器的使用奠定了基础，可以说是收益匪浅。此设计在实际生活中应用性强，对人们生活质量的提升有着重要意义。 参考文献1 梅丽凤,王艳秋,汪毓铎.单片机原理及接口技术.北京：清华大学出版社,2003.5 2 李华.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社,1993.53 张毅坤.单片微型计算机原理及应用.西安：西安电子科技大学出版社，1995.84 伊勇.单片机应用程序开发指南.北京：科学出版社，1998.35 张培仁.MCS-51单片机原理与应用.北京：清华大学出版社，2000.66 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