毕业论文--基于单片机的电加热恒温箱控制器设计

毕业论文--基于单片机的电加热恒温箱控制器设计内容摘要：

时支持原理图输入和 HDL 硬件描述输入模式；同时支持基于 VHDL 的设计仿真，混合信号电路仿真、布局前 /后信号完整性分析 .Altium Designer 的布局布线采用完全规则驱动模式，并且在 PCB 布线中采用了无网格的 SitusTM 拓扑逻辑自动布线功能；同时，将完整的 CAM 输出功能的编辑结合在一起。 Altium Designer 极大地增强了对高密板设计的支持，可用于高速数字信号设计，提供大量新功能和改进，改善了对复杂多层板卡的管理和导航，可将器件放 置在 PCB 板的正反两面，处理高密度封装技术，如高密度引脚数量的球型网格阵列 BGAs。 Altium Designer 中的 Board Insight 系统把设计师的鼠标变成了交互式的数据挖掘工具。 Board Insight 集成了“警示”显示功能，可毫不费力地浏览和编辑设计中叠放的对象。 工程师可以专注于其目前的编辑任务，也可以完全进入目标区域内的任何其他对象，这增加了在密集、多层设计环境中的编辑速度。 Altium Designer 引入了强大的‘逃逸布线’引擎，尝试将每个定义的焊盘通过布 线刚好引到 BGA边界，这令对密集 BGA类型封装的布线变的非常简单。 显著的节省了设计时间，设计师无需手动就可以完成在一大堆焊盘间将线连接这些器件的内部管脚。 Altium Designer 极大减少了带有大量管脚的器件封装在高密度板卡上设计的时间，简化了复杂板卡的设计导航功能，设计师可以有效处理高速差分信号，尤其对大规模可编程器件上的大量 LVDS 资源。 Altium Designer 充分利用可得到的板卡空间和现代封装技术，以更有效的设计流程和更低的制造成本缩短上市时间。 Protel是在中国用 得最多的 EDA工具 ,电子专业的大学生在大学基本上都学过 Protel 99 se,所以学习资源也最广 ,公司在招聘新人的时候用 Protel 新人会很快上手。 目前 Protel 版本有许多，如 Protel 9 Protel 99 se、 Protel 20Protel DXP、 Protel 2020。 随着版本的更新，它的功能越来越强大，对新器件的支持也越来越多。 我们专业开设的也是 Protel 99 se 的课程，自己对 Protel 99 se 比较熟悉，所以本设计选择 Protel 99 se。 单片机开发中除必要的硬 件外，同样离不开软件，汇编语言源程序要变成CPU 可以执行的机器吗有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已经极少使用手工汇编的方法了。 机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于 MCS― 51 单片机的汇编软件有早期的 A51，随着单片机开发技术的不断发展，单片机的开发软件业在不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件业在不断发展。 1 内核单片机的主流工具，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持 Keil即可看出。 Keil 提供了包括 C 编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大 的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（ uVision）将这些部分结合在一起。 运行 Keil 软件需要 Pentium 或以上的 CPU， 16M 或更多的RAM、 20M 以上的闲散硬盘空间、 WIN9 NT、 WIN20 WINXP 等操作系统。 掌握这一软件的使用对于使用 51 系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果使用的是 C 语言，则该软件十分适用，即使使用的是汇编语言，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令工作事半功倍。 伟福的单片机软件平台内部的编译器不如 Keil 的好用，如果写的程序行中存在 错误，在编译的过程中， Keil 可以精确的指出语法错误所在的程序所在行数，而伟福就不能做到非常精确了，所以这次设计选择方案。 8K，而且都比较简单。 如果硬件工程师要同时设计软件和硬件，经常会采用汇编语言来做程序。 同时还应该认识到，汇编语言是一个非常低级的语言，它仅仅高于直接手工编写二进制的机器指令码，因此不可避免地存在一些缺点： 编写的代码非常难懂，不好维护； 很容易产生 ug，难于调试； 只能针对特定的体系结构和处理器进行优化； 开发效率很低，时间长且单调兼容性不好，与硬件关系非常紧密 如果使用 C51 的话， 可以很好的解决这些问题。 应用 C51 编程具有以下优点： 不需要了解处理器的指令集，对 8051 的存储器结构也不必要了解； 寄存器分配和寻址方式由编译器进行管理； 指定操作的变量选择组合提高了程序的可读性； 可使用与人的思维更相近的关键字和操作函数； 与使用汇编语言编程相比，程序的开发和调试时间大大缩短； 库文件可提供许多标准的例程（例如格式化输出、数据转换和浮点运算）加入到应用程序当中； 通 C 可实现模块化编程技术，从而可将已编制好的程序加入到新程序中； C 语言可移植性好且非常普及， C 编译器几乎适用于所有的目标系 统，已完成的软件项目可以容易地转换到其它的处理器或环境。 此外， C51 语言还有许多强大的功能，如提供丰富的库函数供用户直接调用，完整的编译控制指令为程序调试提供必要的符号信息等等。 总之， C51 语言是广大单片机开发人员的强有力的工具。 编程具有开发周期短可读性可移植性好和修改方便等 3 系统的硬件设计 系统硬件功能分析 P89V51 为核心控制器，包括传感器电路，键盘电路，显示电路、报警电路和加热电路 5 大模块系统的如图 1 所示。 P89V51 内部没有 A/D 转换器，需要专门添加，这里使用的是 ADC0809，传 感器采集到的模拟信号经过两次放大，接着通过 ADC0809 转换成数字量送给实时采集温度，通过数码管将当前温度显示出来，并根据采样结果控制加热器，调节平均加热功率大小；同时定时时间一到，蜂鸣器发出声音报警。 图 31 恒温箱温度控制系统详细结构框图 .2 系统硬件电路设计 最小系统的设计 最小系统主要由晶振电路和复位电路组成图 2 是传统的最小系统电路。 在电路中，要注意几点： VSS 是电源，必须保证稳定可靠； 管脚不可悬空，必须连到 VSS，或者通过上拉电阻接到 VSS； 复位电路采用传统的 RC 复位，并多带一个复位按键， 以方便操作； 晶振的频点不是任意的，这里使用 12MHz； 注意： /PSEN 管脚作悬空处理，不能接，这和 P8951RD2 的情况不同。 复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤消复位信号。 为可靠起见，电源稳定后还要经过一定的延时才能撤消复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。 P89V51RD2 的操作频率为 0～ 40MHz，如前面所述，这里使用市场上常见的12MHz 的晶振。 单片机内含一个高增益的反相放大器，通过 XTAL XTAL2 外接作为反馈元件的晶体后便成 为自激振荡器。 晶体呈感性，与 C C7 构成并联谐振电路。 振荡器的振荡频率主要取决于晶体。 在应用时为了保证正常起振，振荡器的位置要最接近单片机，且连线要最短。 如图 32 所示，外部振荡器电容C1 和 C2，用于振荡频率微调或振荡器匹配，并可用于调整起振时间。 图 32 P89V51RD2 单片机最小系统 测电路的设计 利用热电阻温度系数随温度变化而制成的温度传感器，称为热电阻温度传感器。 对于大多数金属导体，其电阻值都具有随温度升高而增大的特性。 常用的金属导体材料有铂、铜、铁和镍。 表 31 Pt100 分度表（ 0~250℃） 温度 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ℃ 电阻值 Ω 0 100 10 20 30 114 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 167 180 190 200 210 220 230 240 250 Pt100 温度传感器为正温度系数热敏传感器，主要技术参数如下测量范围： 200~+850℃； 允许偏差值△℃： A 级177。 （ + | t | ） ,B 级177。 + | t | ； 最小置入深度：热电阻的最下置入深度≥ 200mm； 允通电流≤ 5mA。 另外， Pt100 温度传感器还具有抗 振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。 铂热电阻的线性较好， 0～ 100 摄氏度之间变化时，最大非线性偏差小于 摄氏度。 Pt100 应用领：宽范围、高精度温度测量领域。 如：轴瓦，缸体，油管，水管，汽管，纺机，空调，热水器等狭小空间也领域设备测量和控制。 汽车空调、冰箱、冷柜、饮水机、咖啡机，烘干机以及中低温干燥箱、恒温箱等。 供热 /制冷管道热量计量，中央空调分机热能计量和工业领域测温和控制。 图 33 温度检测电路 Vi2， Vi3 那么 （ 31） （ 32） 其中 Rx 为传感器热阻值， Vref 为基准源电压， K 为调整系数。 由于 R1 Rw2（如 R1 100KΩ ,Rw2 1KΩ） ,同样 R2 Rx（如 R2 100KΩ ,Rx 1KΩ），因而 VOUT K R6/R4 Vref Rw2Rx /R2，在后级的 A/D，满刻度时，那么 VOUT 5V。 实际电路调整中，已经确定 R6,置传感器于 25℃环境，调整 Rw2,使 VOUT 0V；置传感器于 35℃环境，调节 Rw6，使 VOUT 5V；使完成前向模拟通道的调整。 电路的设计 ADC0809的频率要低于 640KHz,单片机使用的是 MHz,从 ALE端引出的信号频率已经六分频了，所以还需要四分频。 D 触发器的特性方程是 Qn1 D，当把 D 和Q 非连接起来，方程就变成了 Qn ，具有翻转功能 ,即每输入一个脉冲，触发器翻转一次，每翻转两次，触发器的输出端可以得到一个完整的矩形波，而触发器翻转两次所用的前沿脉冲来自 CP 的两个矩形波。 一个 D 触发器完成了二分频电路，用其输出再去触发另一个 D 触发器（又是一个二分频），这样，就完成了信号的四分频。 该触发器是前沿触发方式。 图 四分频电路口电路 LED的结构及连接见图 7 段 LED所有发光二极管的 阳极连在一起称共阳极接法，阴极连在一起称为共阴极接法。 一般共阴极可以不需要外接电阻，但共阳极接法中发光二极管必须外接电阻。 a 管脚配置（ b）共阴极 （ c）共阳极图 LED 显示器原理图 图 37 LED 显示接口电路 LED 数码管显示有所用数码管是共阴管、还是共阳管，由数码转换为笔划信息借软件译码、还是硬件译码，以及显示扫描采用动态扫描、还是静态扫描等种种区别。 采用共阴极数码管还是共阳极数码管没有太明显的优、缺点，然而与同一数码对应的笔划信息码往往是相互置反的关系。 字符数据字与 LED 段码关 系如表动态扫描各数码管是轮流点亮的，由于视觉的暂留现象，却好像都点亮着。 实际控制数码管点亮的位选信号是依次逐一送出的，而各个数码管应显示数码的笔划信息则与其位选信号同时送给，于是各管将按序一一亮出自己的数码；待各管都轮到后，又再从头轮起，反复不已。 对于动态扫描，轮到某管、等待该管点亮必须留给一段恰当的时间。 时间过短，数码管来不及点亮；时间过长，其他数码管将熄灭、不能显示。 静态扫描无位选信号，各数码管是同时点亮的；每个数码管应显示数码的笔划信息也分路同时送给。 当选用共阴极的 LED 显示管时，所有发光二极管的阴极 连在一起接地，当某个发光二极管的阳极加入高电平时，对应的二极管点亮。 因此要显示某字形就应使此字型的相应段的二极管点亮，实际上就是送一个用不同电平组合代表的数据字来控制 LED 的显示，此数据称为字符的段码。 数据字 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 LED 段 DP g f e d c b a . 键盘电路的设计 本系统键盘共由二个按键，一端接地，另一端分别接在单片机的 、 端口，电路如图所示。 . 温度控制电路的设计 温控电路如图 39 所示，温度控制是通过对 加热电阻丝的电源通断来实现的。 本系统采用晶闸管调功方式。 晶闸管开关控制方式有两种：相位控制和过零控制。 相位控制会使负载上的电压波形发生畸变，产生高次谐波，对电网造成公害。 过零控制则能使负载上产生较完善的正弦电压波形，同时由于过零时通断，防止了过大电流冲击。 系统采用光耦过零触发驱动器实现对功率晶闸管的过零触发。 光耦内部含有过零检测电路。 在 控制作用下，完成了功率晶闸管的触发导通。 晶闸管串接在 50Hz 交。