电气课程设计(29页).doc
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1、-电气课程设计-第 26 页1设计任务书12基于单片机消毒柜控制电路设计22.1 系统的组成及工作原理22.1.1 系统设计要求222.1.2 系统组成框图22.1.3 系统工作原理322.2 硬件电路设计32.2.1 方案论证3 方案确定52.2.3 单片机最小系统设计52.2.4 温度转换与放大电路62.2.5 数模转换电路112.2.6 温度控制电路12 显示模块132.3 系统软件设计152.3.1 系统软件设计原理7152.3.2 中断服务程序设计8162.3.3 系统子程序设计172.4仿真结果与分析22参考文献:26附录3:271设计任务书1.设计任务设计一台消毒柜控制系统2.设
2、计要求(1) 显示消毒柜温度、保持时间;(2) 可以键盘设定消毒柜温度、定时时间;(3) 可以实现实时中断功能;(4) 消毒后自动关机;(5) 测温误差:0.5:(6) 定时误差:f 20 s月。2基于单片机消毒柜控制电路设计2.1 系统的组成及工作原理 2.1.1 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
3、/D转换采用的是ADC0809; F采用的是7279芯片管理键盘显示。 2.1.2 系统组成框图电桥电路电压放大A/D功能键盘单片机数码显示加热装置图2-1 系统组成框图2.1.3 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5),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。8
4、9C51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。2.2硬件电路设计 2.2.1 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430V
5、。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
6、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2-2 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05V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7
7、279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。 2.2.2 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
8、,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。 2.2.3 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FLASH ROM,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2-3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
9、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2-3 单片机最小系统电路图 2.2.4 温度转换与放大电路 温度转换与放大电路模块如图2-4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2-4 温度转换与放大电路电桥电路如图2-5中所示,电桥电
10、路中采用的是PT100铂热电阻作为一条桥臂,构成温度传感器,PT100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0500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2-5 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: (2-1)在温度为0 650范围内: (2-2)式中的分度常数为:A3.96847(/),5.847(/),422(/)是在0时阻值为1
11、00。下面列出铂热电阻在0100时的电阻值:表2-6 铂热电阻与温度之间的关系表01234567890100.0100.4100.8101.2101.6102.0102.3102.7103.1103.510103.9104.3104.7105.1105.5105.8106.2106.6107.0107.420107.8108.2108.6109.0109.3109.7110.1110.5110.9111.330111.7112.1112.4112.8113.2113.6114.0114.4114.8115.240115.5115.9116.3116.7117.1117.5117.9118.21
12、18.6119.050119.4119.8120.2120.5120.9121.3121.7122.1122.5122.960123.2123.6124.0124.4124.8125.2125.5125.9126.3126.770127.1127.5127.8128.2128.6129.0129.4129.7130.1130.580130.9131.3131.7132.0132.4132.8133.2133.6133.9134.390134.7135.1135.5135.8136.2136.6137.0137.4137.7138.1100138.5电桥计算: (2-3)设(为100) (2-4
13、)当T=0时,即,电桥处于平衡 (2-5) 时 (2-6)取T=100时,=138.5,=10K,=100,VDD = 12V (2-7)所以,当温度T变化在0100时,U的变化范围是 045.7mV。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2-7所示。图2-7 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 (2-8) (2-9) (2-10)所以,测量放大器第一级的闭环放大倍数为: (2-11)整个放大器的输出电压为: (
14、2-12)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: (2-13)第二级的闭环放大倍数: (2-14)整个放大器的闭环放大倍数为: (2-15) 若取Rk=R5=R6=R7,则Vo=V6-V3,Af2=-1 (2-16) 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R
15、G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。 2.2.5 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2-8所示。图2-8 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
16、,使满刻度所对应的电压值是: (2-17)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
17、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
18、,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。 2.2.6 温度控制电路图2-9 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2-9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P
19、1.4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2-10。图2-10 TIP122等效电路2.2.7 显示模块图2-11 HD7279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2-11。DIG0DIG7和SASG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88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00H3FH。 HD7279与微处理器仅需4条接口线,其中CS为片选信号(低电平
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