电烤箱温度控制系统

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1、电烤箱温度控制系统毕业设计目录1绪论11.1技术指标11.2系统方案11.2.1PLC温度控制系统11.2.2单片机温度控制系统21.3选择控制方案22硬件设计42.1 单片机电路设计42.1.1中央处理器CPU42.1.2 AT89C51单片机引脚功能52.1.3 AT89C51单片机的存储器结构72.1.4 AT89C51单片机的并行I/O端口72.1.5 AT89C51单片机时钟电路及时序82.1.6复位电路82.1.7 AT89C51单片机的指令系统92.1.8 74LS37392.2 传感器电路设计102.2.1传感器概述102.2.2传感器的基本特性102.2.3热电阻的测量电路及

2、应用122.3 A/D转换电路设计122.3.1逐次逼近型A/D转换器ADC0809122.3.2 AT89C51单片机与ADC0809接口142.4 放大器电路设计142.5 键盘及显示电路的设计162.5.1键盘接口电路162.6 抗干扰电路设计192.6.1电磁干扰的形成因素192.6.2干扰的分类192.6.3单片机应用系统电磁干扰控制的一般方法192.6.4硬件抗干扰措施203软件设计223.1工作流程223.2功能模块223.3资源分配22363.4软件部分设计223.4.1键盘管理223.4.2温度显示253.4.3温度检测263.4.4温度控制283.4.5温度越限报警303.

3、4.6主程序和中断服务子程序31总结33致谢34参考文献35附 录36摘要随着机电控制技术的发展，主要体现出了单片机和PLC两种控制方式。本设计采用单片机控制。单片机在日常生活中的运用越来越广泛。温度控制在工业生产中经常遇到。从石油化工到电力生产，从冶金到建材，从食品到机械都要对温度进行控制.甚至在有些产品生产过程中温度的控制直接影响到产品的质量。单片机温度控制无论是现在还是未来都会起到重要作用。本文介绍了以AT89C51单片机为核心的电烤箱温度控制系统。电烤箱的温度控制系统有两个部分组成：硬件部分和软件部分。其中硬件部分包括：单片机电路、传感器电路、放大器电路、转换器电路、以及键盘和显示电路

4、。软件部分包括：主程序、运算控制程序、以及各功能实现模块的程序。文章最后对本设计进行了总结。对温度控制系统的发展提出了几点建议。关键词:单片机;传感器; 控制程序1绪论温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。根据温度变化快慢，并且控制精度不易掌握等特点，本文电烤箱的温度控制为模型，设计了以AT89C51单片机为检测控制中心的温度控制系统。温度控制采用PID数字控制算法，显示采用3位LED静态显示。该设计结构简单，控制算法新颖，控制精度高，有较强的通用性。1.1技术指标 电烤箱的具体指标如下

5、： (1) 电烤箱由2 kW电炉加热，最高温度为500。 (2) 电烤箱温度可预置，烤干过程恒温控制，温度控制误差2。 (3) 预置时显示设定温度，烤干时显示实时温度，显示精确到1。(4) 温度超出预置温度5时发声报警。(5) 对升降温过程的线性没有要求。1.2系统方案1.2.1PLC温度控制系统(1)PLC的定义可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术操作等面向用户的指令，并通过数字化或模拟式的输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。(2)PLC的特点现代工业生产是复杂多样的，它

6、们对控制的要求也各不相同1.可靠性高，抗干扰能力强：PLC用软件取代了继电器控制系统中大量的中间继电器和时间继电器，接线可减少到继电器控制系统的十分之一以下，大大减少了因触点接触不良造成的故障。2.硬件配套齐全，使用方便，适应性强：PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的硬件装置。3.编程方法简单易学：梯形图是使用的最多的PLC编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易用，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。4.系统的设计、安装、调试工作量少：PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继

7、电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序可以用顺序控制设计法来设计。这种设计方法很有规律，容易掌握。可以在实验室模拟调试PLC的程序，用小开关来模拟输入信号，通过个输出点对应的发光二极管的状态来观察输出信号的状态，调试的时间比继电器系统少的多。5.功能强，性能价格比高：一台小型的PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。6.维修工作量小，维修方便：PLC的故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。PLC或外部的输入装置和

8、执行机构发生故障时，根据PLC上的发光二极管或编程软件提供的信息，可以很方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。1.2.2单片机温度控制系统(1)单片机的定义单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器、RAM、只读存储器、ROM多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算系统。（2）单片机的特点：1. 有优异的性能价格比。 2. 集成度高，体积小，可靠性好。 3.控制能力强。 4.低功耗,低电压,便于生

9、产便携式产品。5.易扩展。目前，应用广泛的主流机型是80C51系列8位单片机。该机型具有性能价格比高；开发装置多；国内技术人员熟悉；芯片功能够用适用；有众多芯片制造厂商加盟，可广泛选择等优点，此次我们采用美国intel公司生产的AT89C51单片机，其中主要包括有CPU、存储器（RAM和ROM）、IO接口电路及时钟电路等1.3选择控制方案通过比较单片机与PLC的性价比，本文电烤箱的温度控制为模型，设计了以AT89C51单片机为检测控制中心的温度控制系统。温度控制采用PID数字控制算法，显示采用3位LED静态显示。该设计结构简单，控制算法新颖，控制精度高，有较强的通用性。产品的工艺不同，控制温度

10、的精度也不同，因而所采用的控制算法也不同。就温度控制系统的动态特性来讲，基本上都是具有纯滞后的一阶环节，当系统精度及温控的线性性能要求较高时，多采用PID算法来实现温度控制。本系统是一个典型的闭环控制系统。从技术指标可以看出，系统对控制精度的要求不高，对升降温过程的线性也没有要求，因此，系统采用最简单的通断控制方式，即当烘干箱温度达到设定值时断开加热电炉，当温度降到低于某值时接通电炉开始加热，从而保持恒温控制。 2硬件设计系统的硬件部分包括单片机电路、A/D转换器电路、放大器电路、传感器电路、键盘及显示电路五部分。其各部分连接关系如图2.1所示。 图2.1电烤箱温度控制系统结构2.1 单片机电

11、路设计随着社会的发展，单片机以其体积小、可靠性高、使用方便等特点在社会生活中达到广泛应用。根据温度控制的特点，本次设计采用AT89C51单片机。以下对其进行详细介绍。AT89C51单片机是美国Intel公司的8位高档单片机系列。也是目前应用最为广泛的一种单片机系列。其内部结构简化框图如下所示。AT89C51系列单片机主要有CPU、存储器（包括RAM和ROM）、IO接口电路及时钟电路等部分组成。2.1.1中央处理器CPU中央处理器CPU是单片机的核心。是计算机的控制指挥中心。同一般微机的CPU类似。AT89C51单片机内部CPU包括控制器和运算器两部分。如图2-2AT89C51单片机内部结构简化

12、框图1.运算器AT89C51运算器电路以算术逻辑单元ALU为核心。有累加器ACC、寄存器B、暂存器1、暂存器2、程序状态寄存器PSW和布尔处理机共同组成。它主要完成数据的算术运算、逻辑运算、位变量处理和数据传输等操作。运算结果的状态由程序寄存器PSW保存。算术逻辑单元ALU与累加器ACC、寄存器B算术逻辑单元ALU不但能完成8位二进制的加、减、乘、除等算数运算。而且还能对8位变量进行逻辑“与”“或”“异或”循环位移等逻辑运算。累加器ACC(简称累加器A) 为一个8位寄存器，它是CPU中使用最频繁的寄存器。专门存放操作数或运算结果。图2.2 AT89C51单片机内部结构简化框图程序状态寄存器程序

13、状态寄存器PSW是一个8位的状态寄存器。用于存放标志寄存器。用于存放指令执行后的状态，以供程序查询和判别。PSW各位的状态通常是在指令执行的过程中自动设置的。但可以由用户根据需要指令加以改变。状态寄存器共有进位标志位CY、辅助进位标志位（或称半进位）AC、用户自定义标志位F0、工作寄存器组选择位RS1、RS0、溢出标志位OV、奇偶标志位P.控制器控制部件是单片机的神经中枢。它包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器和定时器控制电路等。它先以主振频率为基准发出CPU的时序对指令进行译码，然后发出各种控制信号。完成一系列定时控制的微操作。用来协调单

14、片机各部分正常工作。2.1.2 AT89C51单片机引脚功能AT89C51系列单片机的封装形式有两种：一种是双列直插方式封装；另一种是方形封装。AT89C51单片机40个引脚及总线结构图如下所示。其CMOS工艺制造的低地功耗芯片也有采用方形封装的。但为44个引脚，其中4个引脚是不使用的。由于89C51单片机是高性能的单片机。同时受到引脚数目的限制，所以有部分引脚具有第二功能。如图2.3单片机引脚图。1.主电源引脚主电源引脚两根：VCC接+5V电源正端；VSS接+5V电源地端。2.外接晶体引脚两根XTAL1:接外部石英体和微调电源的一端。XTAL2:接外部晶体和微调电容的另一端。其中，对用外部时

15、钟时，对于HMOS单片机,XTAL1脚接地，XTAL2脚作为外部振荡信号的输入端。对CHMOS单片机XTAL1脚作为外部振荡信号的输入端，XTAL2脚空不接。 图2.3 单片机引脚图3.引脚功能IO引脚共32根。PO口：P0.0-P0.7统称为PO口是8位双向I/O口线。P0口即可作为地址/数据总线使用，又可作为通用的I/O口线。在不接片外存储器与不扩展I/O口时，可作为准双向输入/输出口。在接有片外存储器或扩展I/O时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。 P1口：P1.0-P1.7统称为P1口。是8位准双向I/O口线。P1口作为通用的I/O口使用。 P2口：P2.0-P2.7统称

16、为P2口。是8位准双向I/O口线。P2口即可作为通用的I/O口使用。也可作为片外存储器的高8位地址线。与P0口组成16位片外存储器单元地址。 P3口：P3.0-P3.7统称为P3口。是8位准双向I/O口线。P3口除作为准双向口使用外。每个引脚还具有第二功能。P3口的每一个引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。 P3口的第二功能P3.0 RXD串行口输入P3.1 TXD 串行口输出P3.2 外部中断0输入P3.3 外部中断1输入P3.4 T0 定时/计数器0计数输入P3.5 T1 定时/计数器1输入P3.6 片外RAM写选通信号（输出）P3.7 片外RAM读选通信号（输出）4控制线控制

17、线共四根:ALE/PROG 地址锁存有效信号输出率。PSEN 片外程序存储器读选通信号输出端低电平有效。RST/VPD 复位信号备用电源输入信号。EA/VPP 片外程序存储器选用端。2.1.3 AT89C51单片机的存储器结构AT89C51单片机的存储器物理结构上分为片内数据存储器、片内程序存储器、片外数据存储器和片外程序存储器4个存储空间。2.1.4 AT89C51单片机的并行I/O端口AT89C51单片机有4个8位并行I/O端口（P0、P1、P2、P3）每个端口都各有8条I/O口线，每条I/O口线都独立地用作输入输出，在具有片外扩展存储器的系统中，P2口送出高8位地址，P0口分时送出低8位

18、地址和8位数据。各端口的功能不同，结构上也有差异，但是每个端口的8位结构是完全相同的。如图 2.4I/O口位结构图所示。1.P0口。P0口是一个三态双向口，可作为地址/数据分时复用口，也可作为通用I/O接口。2.P1口。P1口为准双向口，它在结构上与P0口的区别在与输出驱动部分。其输出驱动部分由场效应管V1与内部上拉电阻组成，当某某位输出高电平时，可以提供上拉电流负载，不必像P0口上那样需要外接上拉电阻。3.P2口。P2口也为准双向口。其具有通用I/O接口或高8位地址总线输出两种功能，所以其输出驱动结构比P1口输出驱动结构多了一个输出模拟转换开关MUX和反相器。4.P3口。P3口的输出驱动由与

19、非门3和V1组成，比P0、P1、P2口结构多了一个缓冲器4.P3口除了可为通用准双向I/O接口外，每一根线还具有第二功能。 （a）P0口结构 （b）P1口结构（c）P2口结构 （d）P3口结构图 2.4 I/O口位结构图2.1.5 AT89C51单片机时钟电路及时序1.时钟电路AT89C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生：一种是内部方式，一种是外部方式。图2-5、2-6所示。2.时序AT89C51单片机指令字节数和机器周期数可分为六类。即单字节单机器周期指令、单字节双机器周期指令、单字节四机器周期指令，双字节单机器指令、双字节双机器周期指令和三字节双机器周期指令。 图2.5 内部方式时钟电

20、路 图2.6 外部方式时钟电路2.1.6复位电路复位是通过某种方式，使单片机内各寄存器的值变为初值状态的操作，AT89C51单片机在时钟电路工作以后，在RST/VPD端持续给出两个机器周期的高电平就可以完成复位操作。复位分为上电复位和按键手动复位两种方式。AT89C51单片机复位状态如下表所示: 寄存器 复位状态 寄存器 复位状态 PC 0000H ACC 00H B 00H PSW 00H SP 07H DPTR 0000H P0-P1 OFFH IP XXX00000B IE 0XX00000B TMOD 00H TCON 00H TL0、TL1 00H TH0、TH1 00H SCON

21、00H SBUF 不定 PCON 0XXX0000B2.1.7AT89C51单片机的指令系统控制计算机与操作的指令是一组二进制编码，称之为机器语言。计算机只能识别和执行机器语言指令。AT89C51单片机指令与指令系统共有111条指令，从功能上可分成数据传输类指令、算术运算指令、逻辑运算和移位指令、程序控制转移类指令和位操作指令五大类。2.1.8 74LS37374ls373是常用的地址锁存器芯片，它实质是一个是带三态缓冲输出的8D触发器，在单片机系统中为了扩展外部存储器，通常需要一块74ls373芯片.图2.8 74ls373引脚图(1)1脚是输出使能(OE),是低电平有效,当1脚是高电平时,

22、不管输入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11脚(锁存控制端,G)如何,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部呈现高阻状态(或者叫浮空状态)。(2)当1脚是低电平时,只要11脚(锁存控制端,G)上出现一个下降沿,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)立即呈现输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的状态。锁存端LE 由高变低时，输出端8 位信息被锁存，直到LE 端再次有效。当三态门使能信号OE为低电平时，三态门导通，允许Q0Q7输出，O

23、E为高电平时，输出悬空。当74LS373用作地址锁存器时，应使OE为低电平，此时锁存使能端C为高电平时，输出Q0Q7状态与输入端D1D7状态相同；当C发生负的跳变时，输入端D0D7数据锁入Q0Q7。51单片机的ALE信号可以直接与74LS373的C连接。2.2 传感器电路设计随着新技术革命的到来，世界开始进入信息时代，在利用信息的过程中，首先要解决的就是获取准确可靠地信息。传感器是获取自然、生产、科研领域中信息的主要途径与手段。2.2.1传感器概述根据国家标准，传感器的定义是：能感受规定的被测量并按照一定得规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器一般由敏感元件，转换元件和转换电路三部分组成。

24、其组成框图如2-7所示。被测量 敏感元件 转换元件 转换电路 电量图2.8 传感器组成框图敏感元件，它是直接感受被测量并输出与被测量成确定关系的某一种量的元件。转换元件，敏感元件的输出就是它的输入。它把输入转换成电路参量。转换电路，上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。 传感器按其工作原理可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器三大类。物理传感器是利用某些变换元件的物理性质，以及某些动作功能材料的特殊物理性能制成的传感器。化学传感器是利用电化反应原理，把无机和有机化学物质的成分。浓度等转换为电信号的传感器。生物传感器是一种利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质的传感器。科学技

25、术的发展和社会进步的需要，推动着传感器技术的迅速发展。目前传感器技术的发展方向主要有开发新型传感器，开发新材料，采用新工艺，集成化多功能化与智能化等几个方面。2.2.2传感器的基本特性根据被测量的变化状态，可以把传感器的输入量分为静态量和动态量两类。静态量指传感器的输入量位程序状态信号或变化及其缓慢的准静态信号；动态量指传感器的输入量为周期信号、瞬变信号或随机信号等时间变化的信号。其中，传感器的静态特性是指传感器在被测量处于稳定状态下的输出输入关系。传感器的静态特性是在静态标准工作条件测定的。衡量传感器静态静态特性的主要技术指标有量程、线性度、迟滞、重复性，灵敏度、漂移等。传感器的动态特性是指

26、传感器对随时间变化的输入量的响应特性。传感器的技术性能指标及改善性能途径。（一）传感器的技术性能指标1）传感器的动态性能指标A 量程指标：包括测量范围、过载能力等。B 灵敏度指标：包括灵敏度、分辨力、满量程输出、输出输入阻抗等。C 精度有关指标：包括精度（误差）、重复性、线性、滞后、灵敏度误差、阀值稳定性、漂移等。D动态性能指标：包括固有频率阻尼系数、时间常数、频响范围、频率特性、潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁场干扰能力等2）可靠性指标：包括工作寿命，平均故障时间，保险期、疲劳性能、绝缘电阻耐压弧性能等3）其他指标：A使用方面：包括供电方式（直流、交流、频率及波形等）、电压幅度与稳定性功能、各项

27、分布参数等临界频率、临界速度、稳定时间等。4)环境参数指标A 温度指标包括工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等。B抗冲击振动指标：包括各向冲击振动的频率、振幅、加速度、冲击振动引入的误差等。C其他环境参数：包括抗D结构方面：名手外形尺寸质量、壳体材质、结构特点等E 要装连接方面：包括安装方式、馈成、电缆等（二）改善传感器性能的技术途经A差动技术 B平均技术C零示法和微差法 D闭环技术 E屏蔽隔离子干扰抑制 F补偿修正技术 G稳定性处理。根据本设计要求选用热电式传感器。将被测量变化转换成热生电动势的传感器称热电式传感器、热电式传感器可将温度及温度相关的信号转化为电量输出、热电式传

28、感器有热电阻、热敏电阻、热电效方式等各种类型。根据电烤箱的特点采用热电阻传感器。热电阻利用金属导体的电阻值随温度升高而增大的特性来来进行了温度测量的，常用测量范围为-20。C-+150。C。随着其技术的发展，其测温范围也不断扩大，低温已可测量1K-3K,高温则可测量1000。C -1300。C。热电阻力传感器的主要优点有：A测量精度高，热电阻材料的电阻温度特性稳定，重复性好，不存在热电偶参比端误差问题B测量范围较宽，尤其在低温方面C易于在自动测量或远距离测量中使用常用的热电阴材料有铂、铜、镍、铁等2.2.3热电阻的测量电路及应用热电阻常用接入电桥使用引出线有两、三线式和四线式几种形式。采用两浅

29、式接法时（如图2.9所示Rt的接法）引出的导线接于电桥的一个臂上，当由于环境温度或通以电流引起导成温度变化时，将产生附加电阻、引起测量误差，所以，当热电阻值较小时，常采用三线式、四线式接法，以消除接线电阻和引线电阻的影响 三线式接法是将两条具有相同温度特性的导成接于相邻两桥臂上，此时由于附加电阻引起的电阻变化是相同的，根据电桥的特性，电桥的输出将互相抵消。 (a)二线式接法 (b)三线式接法 (d)四线式接法图2.9 Rt的接法 2.3 A/D转换电路设计2.3.1逐次逼近型A/D转换器ADC08091.ADC0809的内部逻辑结构（如图2.10）。如图，多路开关可达通讯员89模拟通道，允许8

30、路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换。地址锁存与译码电路完成对A、B、C三个地址供进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择。 8位A/D转换器是逐次逼近式，由控制时序电路，逐次逼近寄存器，树状开关以及其256R电阻下型网络等组成。 输出锁存器用于存放和输出转换得到的数字量。2.ADC0809的引脚及各引脚功能 图2.10 ADC0809内部逻辑结构图ADC0809的引脚入各引脚双引直插式封装，其引脚排列见图2-10所示各引脚功能如下： INT2NO：8咱模拟量输入引脚，ADC0809对输入模拟量的要求主要有二信号单极性，电压范围05V；若信号过小还需要进行放大。另外，在A/D转换过种中

31、，模拟量输入的值不应变化太快，因此，对变化速度快的模拟量在输入前应增加采样保持电路。 A、B、C:地址线，A为低位地址，C为高位地址用于对模拟通道进行选择 ALE：地址锁存允许信号，在对应ALE 跳转，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。 图2.11 ADC0809引脚功能图 START：转换启动信号。START上跳转时，所有内部寄存器清0；START下跳转时，开始进行A/D转换；在A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平 DT-D0：数据输出线，其为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连 DE：输出允许信号，ADC0809的内部设有时钟电路，所需时钟，信号由外界提供，因此

32、有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHZ的时钟信号。 CLK：时钟信号，ADC0809的内部设有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号，通常使用频率为500KHZ的时钟信号 EOC：转换给结束状态信号,EOC=0,正在进行转换；EOC=1，转换结束。该状态信号即可作为查询的状态标志，又可以作为中断请求信号时使用。 Vcc：+5电源 Vref：参考电压正端参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准，其曲型值为+5V（Vref（+）=+5V，Vref(-)=0）2.3.2 AT89C51单片机与ADC0809接口ADC0809与AT89051单片机边接如图2-11所示，电

33、路连接主要涉及两个问题，一是不是路模拟信号通道选择，二是A/D转换完成后数据的传送 A、B、C分别接地址锁存器提供的低三位地址。只要把三位地址写入0809中的地址锁存器就实现了模拟通道选择。对系统来说，地址锁存器是一个输出口，为了把三位地址写入，还要提供口地址。2. 数据的传输方式 A 定时传输方式 B 查询方式 C 中断方式 图2.12 ADC0809与单片机的连接2.4 放大器电路设计 传感器是将待测的物理量或化学量转换成电信号输出。但其输出的信号通常都很小，需要进行放大。传感器的信号放大，根据具体情况可采用分立元件放大器（晶体管放大器）和集成元件放大器（运算放大器）两种。一 直流放大器电

34、路将缓慢的直流量信号进行扩大的器件称直流放大器。它与前述交流放大器的区别是交流放大器级与级之间加了三个隔离直电流电容（即耦合电容）而直流放大器级与级之间没有这个电路，故直流放大器又称直接耦合放大器二 运算放大器电路1.概述在直流差动放大器的输入端子输出端之间跨接各种网络（如电阻R1、电容C等），使构成用来实现信号组合和运算的运算放大器，运算放大器通常是由放大电路组成，输入级（第一级）由晶体管T1和T2组成差动放大镜电路T3和T4是T1和T2的有源负载。T9是恒流源，第二级放大电路由晶体管T5和T6组成，T10是恒流源（T6的有源负载），为了获得输出阻抗，输出级（第三级）由晶体管T7和T8组成，

35、采用互补对称放大电路。运算放大器是一种具有高放大倍数，深度负反馈的直流放大器。便于实现信号的组合和运算。有很大的灵活性，因此它们不仅仅电子模拟计算机的关键部件，而且在自动控制系统测量装置中得到广泛应用。尤其在线性固体组件出现后，有具有体积小，质量轻等优点，所以在实际中应用固体组件运算放大器所组成的电路是多种多样。 图2.13 运算放大器电路图理想运算放大器的特性：开环增益Ad无限大；输入阻抗无限大；输出阻抗Z为0；输入电压的失调电压rf为；带宽无限大；上述的特性不随环境温度的变化而变化；2.运算放大器的典型电路A 反馈型号放大电路B 加法放大电路C 减法放大电路D 积分电路E对数放大电路F 乘

36、法器电路G 除法器电路H比较器电路I 整流器电路J 限频器电路K 数据放大器电路L 弱电流放大器M 电荷放大器电路 三 集成运算放大器概述在信号的放大，信号的运算（加、法、乘、除、对数、反对数、平方、开方），信号的处理（滤波、调制）以及波形的产生和变换的单元中，运算放大器是它们的核心部分， 由多级直接耦合放大电路组成的，主要有，总体，偏置电路、单位增益转换、电平转移、恒流反馈、消振补偿等组成，主要参数有：差模开环增益（或差模开环放大倍数）AUD、共模开环增益AUC、共模抑制比KCMR、输入失调电压Vi0失调电压温度系数aUi0=dUi0/dT输入失调电流Ii0=I1-I，失调电流温度系数aI1

37、0=dI10/dT，单位增益宽带fBWG、转换速率Sr以及其他参数。本次设计根据实际情况采用多级交流放大电路。接线图见附图。2.5 键盘及显示电路的设计2.5.1键盘接口电路1. 键盘的工作原理A.按键的确认在单片机应用系统中，按键都是以开关状态来设置控制功能或能入数据的，键的半合与否，反映在电压上就是呈高电平或低电平，如果高电平表示断开的话，那么低电平就是表示闭合，所以通过电平的高代状态的检测，使可以克认按键接下与否。B.按键的抖动处理 当按键被迫按下或释放时，通常伴随有一定的时间的触点机械抖动，然后其独占才稳定下来，抖动时间一般为510ms，在使用过程，必须去抖措施。去抖有硬件和软件两种方

38、法，硬件方法通常采用通过RS触发器连接按键除抖，软件方法采用昝方法除抖，其过程是在检测到有按键按下时，进行一个10ms左右的昝程序后，若该键仍保持闭合状态，则确认该键处于讨债状态，同理，在检测到该键释放后，也应珠步骤进行确认，从而可消除抖动的影响。2. 独立工按键独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其他I/O口线的状态3. 矩阵式按键单片机系统中，若使用按键分明，通常采用矩阵式（也称行列式）键盘，如图2-18所示：一个4*4的行列结构可以构成一个含有16个按键的键盘。矩阵式键盘中，行列式分别连接到按键开关的两端，行式通过

39、二伴电阻接到+5V上，当无键按下时，行式于高电平状态，当有键按下时，行列式将贯通，此时扫描方式的硬件电路与编程扫描方式相同。图2.14 矩阵式键盘结构c.中断扫描方式行线电平，将由与此行线相连的列线电平决定，这是识别按键是否按下的关键，然而，矩阵键盘中的行线，列线和多个键相边，各按键按下与否均影响该键反在行线和死线的电平，各按键间将相互影响，因此必须将行线，列线信号配合起来作适应处理，才能确定闭合键的位置。其中，矩阵式键盘有以下几种工作方式：a.编程扫描方式 编程扫描是CPU完成其他工作的空余时间，调用键盘扫描子程序来响应键盘输入的要求，在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求，直到CPU

40、重新扫描键盘为止。键盘扫描程序一般应饫以下内容：1差别有无键按下降键盘扫描取得闭合键的行、列值3用计算法或查表法得到键值4判断闭合键是否释放，如释放则继续等待5将闭合键键号保存，同时转去执行该执行该闭合键的功能。b.定时扫描方式定时扫描方式就是每隔一段时间对键盘扫描一次，它利用单片机内部的定时器产生一定时间的定时，当定时时间到就产生定时溢出中断，CPU响应中断后对键盘进行扫描，并左有键按下时，识别出该键，再执行该键的功能程序定时扫为提高CPU工作效率，可采用中断扫描工作方式其工作过和如下：当无键接下时，CPU处理自己的工作，当有键接下时产生中断请求，CPU转去执行键盘扫描子程序，并识别键号。图

41、2-19为矩阵式键盘与单片机接口图。图2.15 矩阵式键盘与单片机接口 LED显示器接口电路常用的LED显示器有LED状态显示器（俗称发光二极管）LED七段显示器（俗称数码管和LED十六段显示器，发光二极管可显示两种状态，用于系统显示；数码管用于数字显示；LED十六段显示器，用于字符显示）1数码管结构数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同组合可用来显示数字0-9.字符A-F及小数点“.”。数码管又分为共阴极和共阳极两种结构。2. 数码管工作原理共阳极数码管的8个发光二级管的阳极（二极管正端）连接在一起。通常共阳极接高电平1.一般接电源1.当某个阴极接低电平时，则该数码管导通并点亮

42、。共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起。公共阴极接低电平（一般接地）当某个阳极接高电平，则该数码管并点亮。3. 静态显示接口 静态显示是指数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或恒定截止。这种显示方式的各位数码管相互独立，公共端恒定接地（共阴极）获接正电源（共阳极）每个数码管的8个字段分别与一个8位I/O地址相连，I/O口只要有断码输出，相应字符即显示出来并保持不变直动I/O口输出新的端码采用静态显示方式。较小的电流即可获得较大的亮度。且占用CPU时间少编程简单，显示，便于检测和控制，但其占用的口线多，硬件电路复杂、成本高，只适合于显示位数较少的场合。4. 动态显

43、示接口 动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管。这种逐位点亮显示的方式称为位扫描。通常各位数码管的段选线相应并联在一起由8位的I/O口控制。各位的位选线（公共阴极或阳极）有另外的I/O口线控制。动态方式显示时，各数码管分时轮流选通，要使稳定显示，必须采用扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管。并送出相应的端码，在另一位数码管并送出相应的端码。依此规律循环，即可使各位数码管显示将要显示的字符。虽然这些字符是在不同的时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人以同时显示的感觉。 图2.16 数码管与单片机接口2.6 抗干扰电路设计随着强电弱电设备在通信计算机自动化等领

44、域的广泛应用。处于同一工作环境的各种电子电气电路因距离过近而相互影响（耦合）形成电磁干扰（EMI）电磁干扰已成为现代电子电气工程设计和研究人员在设计过程中必须考虑的问题。一方面，这是由于当前电子技术正朝着高速、高灵敏度、高集程度方面发展，增加了现代电子设备内部产生电磁干扰的可能性；另一方面，使用随着自动化技术装备的广泛使用，形成了电子设备和大功率强电设备在同一场合共存和使用的局面，恶化了电子电路工作的外部电磁环境。因此，电磁干扰已成为许多电子设备与系统在环境正常操作运行的主要障碍之一。2.6.1电磁干扰的形成因素 电池干扰由电磁干扰源发射经过耦合途径传输到被干扰设备（敏感设备）因此形成电磁干扰

45、的要素有：电磁干扰源、传输通到、敏感设备。2.6.2干扰的分类 1.按干扰源分为自然干扰和人为干扰。 2.按噪声波形及性质分为持续正弦波干扰和浪涌脉冲波形干扰以及脉冲列干扰。 3.按干扰传输系统的方式分为共模干扰、差模干扰、传导耦合、感应耦合和辐射耦合。2.6.3单片机应用系统电磁干扰控制的一般方法单片机应用系统的干扰源分为内部干扰源和外部干扰源。其中内部干扰源主要来自于印制电路板的布局及布线。单片机系统的抗干扰技术主要包括以下四个方面的内容。1.精心选择元器件元器件是构成部件或系统的基础。要选择集成度高、抗干扰能力强功耗小的电子器件。2.元部件要精密调整元器件的精密度是保证系统完成设定功能的

46、重要保证。因此在使用前或经过一段运行时间之后，都应该对元器件及部件进行精确调整。如A/D芯片的调零及满量程调整等。3.采用硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术是设计系统时首选的抗干扰措施，它能有效抑制干扰源，阻断干扰传输通道，只要合理地布置与选择有关参数。硬件抗干扰措施就能抑制系统的绝大部分干扰。常用的硬件抗干扰技术措施有：吸收技术、去耦技术、屏蔽技术、接地技术、隔离技术以及印制电路板布线技术等。4.采用软件抗干扰技术软件抗干扰方法具有简单、灵活方便、耗费硬件资源少的特点。在微机测控系统中获得了广泛应用。常用的软件抗干扰技术有：数字滤波、信息传输过程的自动检验，系统运行状态监视与发生故障时的自动恢复等

47、。本次采用硬件抗干扰技术中的屏蔽技术。通过合理的硬件抗干扰措施，可以消除绝大部分电磁干扰。应用硬件抗干扰措施是经常采用的一种方法。下面做详细介绍。2.6.4硬件抗干扰措施1.屏蔽技术屏蔽技术能有效地抑制通过自由空间传播的电磁干扰，通过应用屏蔽技术，可以限制系统内部的辐射电磁能对外部元件和装置的干扰，同时也防止来自系统外部的辐射干扰进入系统内部。屏蔽接地其原理可分为电场屏蔽。磁场屏蔽和电磁场屏蔽。屏蔽分析一般采用两种方法：一种是应用电路理论。另一种是应用场理论.2.接地技术实践证明：良好的接地可以在很大程度上抑制系统内部噪声耦合。防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。反之若接地处理得不好，会

48、导致噪声耦合，形成严重干扰。电气设备中的“地”通常有两种含义：一种是”大地”.另一种是“工作基准地“。所谓“大地”这里是指电气设备的金属外壳，线路等通过通过接地线、接地极与地球大地相连接。这种接地可以保证设备和人身安全，提供静电屏蔽。通路降低电磁感应噪声。“工作基准地“是指信号回答的基准导体（如控制电源的零电位）又称“系统地“这是的所谓接地是指将各单元，装置内部各部分电路信号返回线与基准导体之间的连接。这种接地的目的是为各部分提供稳定的基准电位。对这种接地的要求时尽量减小接地回路中的公共阻抗压降，以减少系统中干扰信号公共阻抗耦合。电气设备接地的目的有三个：其一是为各电路的工作提供基准电位;其二

49、是为了安全，其三是为了抑制干扰。根据电气设备回路性质和接地目的，可将接地方式分为三类：安全接地、工作接地和屏蔽接地。此外电磁干扰源硬件控制技术还有滤波技术、隔离技术、电路平衡结构、双绞线抗干扰接地、信号线间的抑制。漏电干扰防止措施等。3软件设计3.1工作流程烤箱在上电复位后先处于停止加热状态，这时可以用“+1”键设定预置温度，显示器显示预定温度；温度设定好后就可以按启动键启动系统工作了。温度检测系统不断定时检测当前温度，并送往显示器显示，达到预定值后停止加热并显示当前温度；当温度下降到下限（比预定值低2）时再启动加热。这样不断重复上述过程，使温度保持在预定温度范围之内。启动后不能再修改预置温度

50、，必须按复位/停止键回到停止加热状态再重新设定预置温度。3.2功能模块根据上面对工作流程的分析，系统软件可以分为以下几个功能模块：(1) 键盘管理：监测键盘输入，接收温度预置，启动系统工作。(2) 显示：显示设置温度及当前温度。(3) 温度检测及温度值变换：完成A/D转换及数字滤波。(4) 温度控制：根据检测到的温度控制电炉工作。(5) 报警：当预置温度或当前炉温越限时报警。 3.3资源分配 为了便于阅读程序，首先给出单片机资源分配情况。如表3-1所示。程序存储器：EPROM2764的地址范围为0000H1FFFHI/O口：P1.0P1.3键盘输入；P1.6、P1.7报警控制和电炉控制。A/D

51、转换器ADC0809：通道0 7的地址为7FF8H7FFFH，使用通道0。3.4软件部分设计3.4.1键盘管理上电或复位后系统处于键盘管理状态，其功能是监测键盘输入，接收温度预置和启动键。程序设有预置温度合法检测报警，当预置温度超过500时会报警并将温度设定在500。键盘管理子程序流程图如图所示。 键盘管理子程序KIN： KIN： ACAL CHK ；预置温度合法性检测 MOV BT1，ST1 MOV BT0，ST0 ；预置温度送显示缓冲区 ACALL DISP ；二次调用显示子程序延时去抖 ACALL KEY ；再检测有无键按下表3-1温度控制软件数据存储器分配表地址功能名称初始发值50H-

52、51H当前检测温度，高位在前TEMP1TEMP000H52H-53H预置温度，高位在前ST1ST000H54H-56HBCD码显示缓冲区，百位、十位、个位T100T10T00H57H-58H二进制显示缓冲区，高位在前BT1BT000H59H-7FH堆栈区PSW.5报警允许标志F0=0时禁止报警;F0=1时允许报警F00 LCALL DISP ；显示预置温度KIN0： ACALL KEY ；读键值 JZ KIN0 ；无键闭合和重新检测 ACALL DISP JZ KIN0 ；无键按下重新检测 JB ACC.1，S10 MOV A，#100 ；百位键按下 AJMP SUM图3.1 键盘管理子程序流

53、程图S10： JB ACC.2，S1 MOV A，#10 ；十位键按下 AJMP SUMS1： JB ACC.3，S0 MOV A，#01 ；个位键按下SUM： ADD A，ST0 ；预置温度按键+1 MOV ST0，A MOV A，#00H ADDC A，ST1 MOV ST1，AKIN1： ACALL KEY ；判断闭合键释放 JNZ KIN1 ；未释放继续判断 AJMP KIN ；闭合键释放继续扫描键盘S0： JNB ACC.0，KIN ；无键按下重新扫描键盘 RET ；启动键按下返回 KEY： MOVA，P1 ；读键值子程序 CPL A ANL A，#0FH RET 预置温度合法性检测

54、子程序CHK(用双字节减法比较预置温度是否大于500(01F4H)：CHK： MOVA，#0F4H ；预置温度上限低8位送A CLRC SUBBA，ST0 ；低8位减，借位送CY MOVA，#01H ；预置温度上限高8位送A SUBBA，ST1 ；高8位带借位减 JC OUTA ；预置温度越界，转报警 MOVA，#00H ；预置温度合法标志 RETOUTA： MOV ST1，#01H ；将500写入预置温度数据区 MOV ST0，#0F4H CLRP1.6 ；发报警信号0.6 s ACALL D0.6s SETB P1.6 ；停止报警 RET3.4.2温度显示显示子程序的功能是将显示缓冲区57

55、H和58H的二进制数据先转换成三个BCD码，分别存入百位、十位和个位显示缓冲区（54H、55H和56H单元），然后通过串口送出显示。显示子程序DISP： DISP： ACALL HTB ；将显示数据转换为BCD码 MOV SCON，#00H ；置串行口为方式0 MOV R2，#03H ；显示位数送R2 MOV R0，#T100 ；显示缓冲区首地址送R0LD： MOV DPTR，#TAB ；指向字型码表首地址 MOV A，R0 ；取显示数据 MOVC A，A+DPTR ；查表 MOVSBUF，A ；字型码送串行口WAIT： JBC TI，NEXT ；发送结束转下一个数据并清中断标志 SJMP WAIT ；发送未完等待NEXT： INC R0 ；修改显示缓冲区指针 DJNZR2，LD ；判3位显示完否，未完继续 RETTAB： ；字型码表（略）BCD码转换子程序HTB：HTB： MOV A，BT0 ；取二进制显示数据低8位 MOV B，#100 ；除100，确定百位数 DIV AB MOV T100，A ；百位数送54H