-基于單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)-在線瀏覽
2025-08-06 15:41本頁面
【正文】 ROM )?，F(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集控制(即溫控器技術(shù))、信息傳輸(通信技術(shù))和信息處理(計(jì)算機(jī)技術(shù))。近百年來,溫控器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段：(1)模擬溫度控制器(2)集成溫度控制器(3)能溫度控制器目前,國際上新型溫控器正從模擬式向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。Proteus 軟件是英國 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具軟件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。Proteus 是世界上著名的 EDA 工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到 PCB 設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。在編譯方面，它也支持 IAR、Keil 和 MPLAB 等多種編譯器。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程本設(shè)計(jì)通過 PROTEUS 軟件畫出原理圖，然后利用 KEIL 軟件編寫程序代碼，生成 HEX 文件后，下載到 PROTEUS 原理圖的 MCU 中，進(jìn)行仿真調(diào)試。仿真調(diào)試成功后，再利用 Altium Designer 繪制電器原理圖，最后生成PCB 圖，布局布線完成后，拿去制板。167。為了克服鉑電阻的非線性特點(diǎn),在信號調(diào)理電路中加入負(fù)反饋非線性校正電路。對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波及標(biāo)度變換處理后,送 LCD 顯示。本系統(tǒng)的控制功能由單片機(jī) AT89C52 的程序來實(shí)現(xiàn)。若系統(tǒng)溫度偏高,則控制 LED 綠燈工作 ,進(jìn)行降溫,若系統(tǒng)溫度偏低,則控制 LED 紅燈溫度進(jìn)行加熱,從而實(shí)現(xiàn)控制溫度的目的。圖 系統(tǒng)總體框圖第 2 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)167。 MCU 的 選 型AT89C52 是 51 系列單片機(jī),它是 ATMEL 公司生產(chǎn)的。 AT89C52 有 40 個引腳,32 個外部雙向輸入/輸出(I/O)端口,同時內(nèi)含 2 個外中斷口,3 個 16 位可編程定時計(jì)數(shù)器,2 個全雙工串行通信口,2 個讀寫口線 AT89C52 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程,但不可以在線編程(S 系列的才支持在線編程)。AT89C52 有 PDIP、PQFP/TQFP 及 PLCC 等三種封裝形式,以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求兩類。AT89C52 為 40 腳雙列直插封裝的 8 位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 C51 內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的 8xc52 相同，其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。主要管腳有：XTAL1 （19 腳）和 XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接 6MHz 晶振。VCC （ 40 腳）和 VSS（20 腳）為供電端口，分別接 +5V 電源的正負(fù)端。和 分別是加熱電路和制冷電路的控制輸出端。 AD 的選型A/D 轉(zhuǎn)換器用于實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，按轉(zhuǎn)換原理可分為 4 種：即計(jì)數(shù)式 A/D 轉(zhuǎn)換器，雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器，逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器和并行式 A/D 轉(zhuǎn)換器。并行比較 ADC 是現(xiàn)今速度最快的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣速率在 1GSPS 以上，通常稱為“閃爍式”ADC。這種結(jié)構(gòu)的 ADC 所有位的轉(zhuǎn)換同時完成，其轉(zhuǎn)換時間主取決于比較器的開關(guān)速度、編碼器的傳輸時間延遲等。逐次逼近型ADC 是應(yīng)用非常廣泛的模/數(shù)轉(zhuǎn)換方法，這一類型 ADC 的優(yōu)點(diǎn)高速采樣速率可達(dá) 1MSPS，與其它 ADC 相比功耗相當(dāng)?shù)驮诜直媛实陀?12 位時價格較低。（3）分型 A/D 轉(zhuǎn)換器如 ICL713ICL710ICL154MC14433 等。它的基本原理是通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時間間隔。積分型 ADC 兩次積分的時間都是利用同一個時鐘發(fā)生器和計(jì)數(shù)器來確定因此所得到的表達(dá)式與時鐘頻率無關(guān)，其轉(zhuǎn)換精度只取決于參考電壓 VR。若把積分器定時積分的時間取為工頻信號的整數(shù)倍，可把由工頻噪聲引起的誤差減小到最小，從而有效地抑制電網(wǎng)的工頻干擾。其優(yōu)點(diǎn)是，分辨率高，可達(dá) 22 位功耗低、成本低。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般直接用 A/D 模數(shù)接口電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集 A/D 模數(shù)接口電路是由 A/D 轉(zhuǎn)換器承擔(dān)此任務(wù)。所以本次設(shè)計(jì)采用 ADC0808 芯片作為 A/D 轉(zhuǎn)換器。圖 ADC0808 的結(jié)構(gòu)圖167。 復(fù)位電路及時鐘電路AT89C52 單片機(jī)芯片內(nèi)部設(shè)有一個反向放大器所構(gòu)成的振蕩器，XTAL1 和XTAL2 分別為振蕩電路的輸入端和輸出端，時鐘可以由內(nèi)部或外部產(chǎn)生，在XTAL1 和 XTAL2 引腳上外接定時元器件，內(nèi)部振蕩電路就會產(chǎn)生自激振蕩。晶體頻率選擇6MHz， CC2 的電容取 30PF，電容的大小可起到頻率微調(diào)的作用。當(dāng)上電時，C1 相當(dāng)于短路，使單片機(jī)復(fù)位，在正常工作時，按下開關(guān)使單片機(jī)復(fù)位，當(dāng)系統(tǒng)時鐘頻率為 12MHz 時，C1=22uF，R1=200，R2=1k，其缺點(diǎn)是干擾易于串入復(fù)位端，在多數(shù)條件下，不會造成單片機(jī)錯誤復(fù)位，但會引起內(nèi)部某些寄存器錯誤復(fù)位，這時可以在 RESET 端加一個去耦電容。 電源電路采用 USB 接口提供 5V 電源。 LED 輸出控制電路這里利用 MCU 的兩個引腳來控制一盞紅燈和一盞綠燈，一旦當(dāng)前測量溫度高于設(shè)定溫度時，綠燈亮紅燈滅，表示當(dāng)前狀態(tài)是冷卻狀態(tài)；當(dāng)前測量溫度與設(shè)定溫度相等時，紅綠燈都熄滅，表示當(dāng)前狀態(tài)為平衡狀態(tài)，無輸出動作；當(dāng)前測量溫度小于設(shè)定溫度時，紅燈亮綠燈滅，表示當(dāng)前狀態(tài)為加熱狀態(tài)。 程序燒寫電路MAX232 是電荷泵芯片，可以完成兩路 TTL/RS232 電平的轉(zhuǎn)換，它的112 引腳是 TTL 電平端，用來連接單片機(jī)。 鉑熱電阻信號調(diào)理電路鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數(shù)關(guān)系而制成的溫度傳感器,由于其測量準(zhǔn)確度高、測量范圍大、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等,被廣泛用于中溫(200℃～650℃) 范圍的溫度測量中。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以需要進(jìn)行非線性校正。常用的 Pt 電阻接法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點(diǎn)是將 PT100的兩側(cè)相等的導(dǎo)線長度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。其中圖 為三線制橋式測溫電路，圖 為兩線制橋式測溫電路，圖 為恒流源式測溫電路。橋式測溫的典型應(yīng)用電路如圖 所示（圖 和圖 均為橋式電路，分別畫出來是為了說明兩線制接法和三線制接法的區(qū)別） 。差動放大電路中 R3＝R R5＝R6 、放大倍數(shù)＝R5/R3 ，運(yùn)放采用單一 5V 供電。4. VR2 也可為電位器，調(diào)節(jié)電位器阻值大小可以改變溫度的零點(diǎn)設(shè)定，例如Pt100 的零點(diǎn)溫度為 0℃，即 0℃時電阻為 100Ω，當(dāng)電位器阻值調(diào)至 時，溫度的零點(diǎn)就被設(shè)定在了 25℃。5. 理論上，運(yùn)放輸出的電壓為輸入壓差信號放大倍數(shù)，但實(shí)際在電路工作時測量輸出電壓與輸入壓差信號并非這樣的關(guān)系，壓差信號比理論值小很多，實(shí)際輸出信號為 *(RPt100/(R1+RPt100) RVR2/(R1+RVR2)) （1）式中電阻值以電路工作時量取的為準(zhǔn)。圖 三線制橋式測量電路圖 兩線制橋式測量電路恒流源式測溫的典型應(yīng)用電路如圖 所示。根據(jù)虛地概念“工作于線性范圍內(nèi)的理想運(yùn)放的兩個輸入端同電位” ，運(yùn)放U1A 的“+ ”端和“”端電位 V+＝V＝；假設(shè)運(yùn)放 U1A 的輸出腳 1 對地電壓為 Vo，根據(jù)虛斷概念， （0V）/R1+（VoV ）/RPt100＝0，因此電阻 Pt100上的壓降 VPt100＝VoV＝V*RPt100/R1 ，因 V和 R1 均不變，因此圖 3 虛線框內(nèi)的電路等效為一個恒流源流過一個 Pt100 電阻，電流大小為 V /R1，Pt100 上的壓降僅和其自身變化的電阻值有關(guān)。2. 等效恒流源輸出的電流不能太大，以不超過 1mA 為準(zhǔn)，以免電流大使得Pt100 電阻自身發(fā)熱造成
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