[计算机硬件及网络]消毒柜的单片机设计.doc
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1、消毒柜微电脑控制器 通信工程 专业课程设计题单 班级 098204117 学生 黄文强 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 2012.6.04 课程设计完成日期 2012.6.21 指 导 教 师 评语: 评分: 摘要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。在现实生活中,随着科技的进步,人们的健康观念
2、逐渐增强,卫生意识越来越浓,对于食品的消毒要求有所提高。本文的消毒柜控制系统就是为了人们日常生活中的餐具消毒而设计的,采用微电脑控制技术,精确地控制消毒柜内的温度和加热时间,很大程度上改善了人们的饮食卫生,提高了人们的生活水平。本设计采用DS18B20温度传感器采集实时温度,通过DQ口送51单片机系统,实现模拟温度值的采集、转化、输出数字值,然后51单片机对采集的数据处理后送液晶显示电路,实时动态地显示当前的温度及倒计时时间。对温度的控制主要由单片机内部三种中断方式来控制启动和停止。消毒柜主要通过加热到一个指定温度,对餐具等卫生洁具进行高温消毒,消毒柜将高温控制在一个指定的范围内,并维持一定时
3、间,杀灭细菌,极大地增强了人们的饮食卫生,大大降低了疾病的交叉传染,为提高人们的身体健康起了重要的作用。 关键词:单片机 单门 消毒板 目 录第一章 前言31.1 课题的背景和意义3第二章 系统的组成及工作原理42.1 系统设计要求42.2 系统组成框图和工作原理4第三章 硬件电路设计63.1 方案比较与确定63.2 单片机最小系统设计73.3 温度转换与放大电路83.4数模转换电路和温度控制电路143.5 显示模块和键盘控制电路18第四章 系统软件设计214.1 程序设计思想214.1.1 主程序设计214.1.2 消毒、保温和停止程序234.1.3 温度采样及模数转换子程序254.1.4
4、8255处理子程序274.1.5 键盘处理子程序28第五章 调试与结果分析305.1 硬件调试和软件调试305.2 调试结果31第六章 总结32参考文献33附录一: 电路原理图33附录二: 源程序35第一章 概述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,
5、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。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
6、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第二章 系统的组成及工作原理2.1 系统设计要求2A. 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;2.2 系统组成框图和系统工作原理3AD590电压放大A/D功能键盘单片机数码显示加热装置图2.2-1 系统组成框图本次设计采用铂热电阻PT-100温度传感器实现从温
7、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。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
8、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。第三章 硬件电路设计3.1 方案比较与确定方案一: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。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
9、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
10、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
11、用。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。3.2 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
12、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3.2-1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3.2-1 单片机最小系统电路图3.3 温度转换与放大电路温度转换与放大电路模块如图3.3-1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
13、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3.3-1 温度转换与放大电路电桥电路如图3.32中所示,电桥电路中采用的是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
14、温范围比较宽。5图3.3-2 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: (3.3-1)在温度为0 650范围内: (3.3-2)式中的分度常数为:A3.96847(/),5.847(/),422(/)是在0时阻值为100。下面列出铂热电阻在0 100时的电阻值:表3.3-1 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.
15、8108.2108.6109.0109.3109.7110.1110.5110.9111.330111.7112.1112.4112.8113.2113.6114.0114.4114.8115.240115.5115.9116.3116.7117.1117.5117.9118.2118.6119.050119.4119.8120.2120.5120.9121.3121.7122.1122.5122.960123.2123.6124.0124.4124.8125.2125.5125.9126.3126.770127.1127.5127.8128.2128.6129.0129.4129.7130.
16、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: (3.3-3)设(为100) (3.3-4)当T=0时,即,电桥处于平衡 (3.3-5) 时 (3.3-6)取T=100时,=138.5,=10K,=100,VDD = 12V (3.3-7)所以,当温度T变化在0100时,U的变化范围是 045.7mV。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
17、3.3-3所示。图3.3-3 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 (3.3-8) (3.3-9) (3.3-10)所以,测量放大器第一级的闭环放大倍数为: (3.3-11)整个放大器的输出电压为: (3.3-12)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: (3.3-13)第二级的闭环放大倍数: (3.3-14)整个放大器的闭环放大倍数为: (3.3-15) 若取Rk=R5=R6=R7,则Vo=V6
18、-V3,Af2=-1 (3.3-16)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
19、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。3.4 数模转换电路和温度控制电路数模转换电路是以ADC0809为核心的A/D转换电路,如图3.4-1所示。图3.4-1 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: (3.4-1)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
20、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89
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