电气课程设计

1设计任务书 (1)

2基于单片机消毒柜控制电路设计 (2)

2.1 系统的组成及工作原理 (2)

2.1.1系统设计要求[2] (2)

2.1.2 系统组成框图 (2)

2.1.3 系统工作原理[3] (2)

2.2 硬件电路设计 ............................................................................ 错误!未定义书签。

2.2.1 方案论证 (3)

2.2.2方案确定 (5)

2.2.3单片机最小系统设计 (5)

2.2.4温度转换与放大电路 (6)

2.2.5数模转换电路 (11)

2.2.6温度控制电路 (12)

2.2.7显示模块 (13)

2.3 系统软件设计..................................... 错误!未定义书签。

2.3.1 系统软件设计原理[7] (14)

2.3.2中断服务程序设计[8] (15)

2.3.3系统子程序设计 (16)

2.4仿真结果与分析 (22)

参考文献: (26)

附录3： (27)

1设计任务书

1.设计任务

设计一台消毒柜控制系统

2.设计要求

(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/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

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

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。 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，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]

电桥电路如图2-5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:

230[1(100)]t R R At Bt A t t =++++

(2-1)

在温度为0℃～ 650℃范围内：

20(1)t R R At Bt =++ (2-2) 式中的分度常数为：

A ＝3.96847×103-（１/℃） ,Ｂ＝－5.847×107-（１/℃）,Ｃ＝－422×1012-（１/℃）

R 0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2-6 铂热电阻与温度之间的关系表

电桥计算：

2t

A DD t R U V R R =

+ 010

B DD R U V R R =+ 0210

(

)t A B DD t R R U U U V R R R R ?=-=-++ (2-3)

设12R R = 0R R R t =+? （0R 为100Ω）

00

(

)1010

R R R U V DD R R R R R +??=-?++?+ (2-4)

当T=0℃时，0R R t = 即0R ?=，电桥处于平衡

00

(

)01010

R R U V DD R R R R ?=-?=++ (2-5)

Ｔ＞０℃时 ∵R ?＜＜10R R +

∴00

()

()101010

R R R R U V V DD

DD R R R R R R +???≈-?=?++++ (2-6) 取T=100℃时，R t =138.5Ω，12R R ==10K ，0R =100Ω，V DD = 12V

138.5100

120.0457********

v U -?=

?=?+

(2-7)

所以，当温度T 变化在0～100℃时，△U 的变化范围是 0～45.7mV 。 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A 1同相端的输入电压为V 1，加在运放A 2同相端的输入电压为V 2，若A 1、A 2、A 3都是理想运放，则V 1=V 4, V 2=V 5

4512

G G G

V V V V I R R --=

= (2-8) 12

34111G G

V V V V I R V R R -=+?=+

? (2-9)

12

65222G G

V V V V I R V R R -=-?=-

? (2-10) 所以，测量放大器第一级的闭环放大倍数为：

3612

112(1)f G

V V R R A V V R -+=

=+- (2-11) 整个放大器的输出电压为：

755636744

[

(1)]O R R R

V V V R R R R =+-+ (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R 1=R 2，R 4=R 6，R 5=R 7，则输出电压为：

5551631236444

2(

)()(1)()()()O G R R

R R V V V V V V V R R R R =-=-+-=-- （2-13） 第二级的闭环放大倍数：

52364

O f V R

A V V R =

=-- （2-14） 整个放大器的闭环放大倍数为：

51124

2(1)O f G V R

R A V V R R =

=-+- （2-15） 若取R k =R 5=R 6=R 7，则V o =V 6-V 3，A f2=-1

1

2(1)f G

R A R =-+

（2-16） 由上可看出，改变电阻R G 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，R G 是外接电阻，用户可根据整机的增益要求来选择R G 的大小。

此外，由上述推导可见，输出电压V o 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V o 为0，这是因共模电压作用在R G 的两端不会产生电位差，故R 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R 1=R 2，其目的是为了抵消A 和A 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，使满刻度所对应的电压值是：

max

min

max 1.5256IN V V V V +-??

=- ?

?

? （2-17）

式中 V IN ＋表示实际输入电压值； V max 表示输入电压的最大值； V min 表示输入电压的最小值；

当输入电压与V IN+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。

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V ce=3V，I c=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。

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。

R C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-G和DP为显示数据，分别对应7段LED数码管的各段。当对应的数据位为‘1’时，该段点亮，为‘0’时则不亮。此指令灵活，通过造字形表，可以显示用户所需的字符。字形码表如表2-12所

示：

表2-12 7279字形表

HD7279键盘显示电路如图附录2。

2.3系统软件设计

2.3.1 系统软件设计原理[7]

本程序中使用T0定时器启动A/D转换0809，用T0产生100ms的定时，晶振为6MHz，记数脉冲周期T=2us，设定时初值为X，(2^16-X)*2us=100ms，X=3CB0H，所以TH0=3CH，TL0=0B0H。用INT1中断处理，当0809转换完成后，从P0口读数、再转换成十进制数、送显缓区、再根据键盘扫描的结果对温度值进行比较判断，当按下的键是加热功能键时，系统要控制加热器，开始加热，当温度到达125度时停止加热，当按下保温键时，当温度低于50度时，加热器开始加热，当温度高于70度，停止加热，当按下停止键时；一切动作停止。通过在主程序里面设立标志，中断程序查询标志的方法实现温度与按键的统一和“同步”，实时的控制加热器的工作，以达到人们所要求达到的效果。

主程序主要完成初始化、显示处理、送7279显示、键盘扫描以及键处理等功能，其中初始化又涉及内存单元，显缓区，堆栈，及各寄存器的初始化，其流程框图见图2-13。

图2-13 主程序框图

2.3.2 中断服务程序设计[8]

中断服务程序先保护现场后，再完成温度的采集与滤波，和加热器的控制，定时时间的控制，定时时间采用倒计时方式，使得定时时间易于控制。中断服务程序流程框图如图2-14。

图2-14 中断服务程序流程框图

2.3.3 系统子程序设计

本软件设计中，系统子程序的设计是整个程序设计的重中之重，子程序以模块化的方式实现各个独立功能，再通过主程序来调用功能子程序，使整个程序实现完整的功能。

温度采样及滤波子程序

温度采样及滤波子程序是先启动ADC0809并延时后对0通道采样，采样十次后，将采样值存放于以50H为首址的内存单元中。采样完成后，调用滤波子程序，先去最大值，去最小值，再求平均值，从而得到比较准确的采样值。其流程框图如图2-15所示。

图2-15 采样滤波子程序流程框图

在滤波程序中，利用冒泡法，逐个比较找出最大值与最小值并去掉，将各个值移位到50H~57H中，再将50H~57H的8个采样值相加，求平均值，保存到5AH中，至此就得到了比较准确，消除了干扰后的稳定的温度采样值。

显示处理子程序[9]

显示处理主要完成将要显示的字符查表得到其字形码后送到7279显示模块显示出来。7279采用串行接口，每发送一位都要延时，且要对其初始化后才可能正确地显示。

显示处理子程序流程框图如图2-16所示。

图2-16 显示处理子程序流程框图

消毒子程序主要是将消毒标志置为1，将保温标志置为0，再点亮消毒指示灯，判断计时时间到达否，到达则关加热器，没到则开加热器。消毒子程序流程框图如图2-17所示。

图2-17 消毒子程序流程框图

保温子程序主要用于当用户按下保温键时对系统进行保温。先点亮保温指示灯，置保温标志为1，再判断倒计时是否到0，若没到则再检测当前系统的温度是否在50-70度之间，大于70度时关加热器，小于50度时开加热器。若倒计时归零时，直接停止保温,其流程框图如图2-18所示。