温控器说明书.docx
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温控器说明书
说明书
设计题目温控器设计
摘要
温控器(Thermostat),根据工作环境的温度变化,在开关内部发生物理形变,从而产生某些特殊效应,产生导通或者断开动作的一系列自动控制元件,也叫温控开关、温度保护器、温度控制器,简称温控器。
或是通过温度保护器将温度传到温度控制器,温度控制器发出开关命令,从而控制设备的运行以达到理想的温度及节能效果,其应用范围非常广泛,根据不同种类的温控器应用在家电、电机、制冷或制热等众多产品中。
其工作原理是通过温度传感器对环境温度自动进行采样、即时监控,当环境温度高于控制设定上限值时控制电路启动,温度下降。
当环境温度低于控制设定下限值时,控制电路不工作,温度上升。
。
主要应用于电力部门使用的各种高低压开关柜、干式变压器、箱式变电站及其他相关的温度使用领域。
关键词:
温控器温度采样上限值下限值
1 设计内容与设计要求
基本内容:
设计一个简易温控器
基本要求:
①可以设定上限温度和下限温度,温度高于上限温度上,主电路不工作,温度降低,温度低于下限控制电路时,主电路继续工作,温度升高。
③设定温度时,液晶屏上显示设定状态,设定完显示正常模式,并且设定的上下限温度,在液晶屏上都有显示。
⑤采集温度信号,转换成数字信号。
并把数字量转换成温度值。
2、方案选择
2.1单片机的选择方案
方案一:
采用AT89C51单片机。
该系列单片机是采用高性能的静态80C51设计,有先进的CMOS工艺制作,并带有非易失性flash存储器,全部支出12时钟和6时钟操作。
P89C51X2和P89C52X2/54X2/58X2分别包含128字节和256字节RAM、32条I/O口线、3个16位定时器/计数器、1个串行I/O口(可用于多级通信/I/O扩展或全双工UART)以及片内振荡器和时钟电路。
方案二:
采用STC12C5A60S2系列单片机。
STC12C5A60S2系列单片机是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容8051,但速度快8~12倍。
内部集成MAX810专用复用电路,2路PWM8路10位高速A/D转换,针对电机控制,抗干扰场合。
STC12C5A60S2系列单片机适合程序大,存储容量大的场合使用。
但价格较贵。
由于AT89C51价格便宜,又可实现功能需要,因此采用AT89C51.
2.2显示器的选择方案
方案一:
使用8为LED数码管来显示。
LED显示器由发光二极管显示字段组成的显示器件,在单片机应用系统中常使用的是七段LED,这种显示器由共阴极和共阳极两种,它具有成本低、配置灵活和单片机接口方便等特点。
方案二:
使用LCD1602液晶屏来显示。
液晶是介于固态和液态之间的有机化合物,将其加热成透明状态,冷却后变成结晶的混作固态。
点击的作用下,产生冷热变化,从而影响它的透光性来达到目的。
LCD1602具有功耗低、低压、显示量大寿命长、无辐射、无污染等特点。
综合考虑,我觉得方案二能够更好的实现本系统的功能。
2.3模数转换芯片的选择
方案一:
使用ADC0804,ADC0804单通道,为差分输入,主要通过外围RC震荡电路提供工作频率。
方案二:
使用ADC0809,ADC0809为八通道模数转换器,单端输入。
经常用外部提供时钟来工作,一般用500kHZ。
综上:
因为本设计只需要1个通道,所以先用ADC0804.
3、元器件介绍
3.1AT89C51
该系列单片机是采用高性能的静态80C51设计由先进CMOS工艺制造并带有非易失性Flash程序存
储器全部支持12时钟和6时钟操作
P89C51X2和P89C52X2/54X2/58X2分别包含128字节和256字节RAM32条I/O口线3个16位定时/计数器6输入4优先级嵌套中断结构1个串行I/O口可用于多机通信I/O扩展或全双工UART以及片内振荡器和时钟电路。
此外由于器件采用了静态设计可提供很宽的操作频率范围频率可降至0可实现两个由软件选择的节电模式空闲模式和掉电模式空闲模式冻结CPU但RAM定时器串口和中断系统仍然工作掉电模式保存RAM的内容但是冻结振荡器导致所有其它的片内功能停止工作由于设计是静态的
时钟可停止而不会丢失用户数据运行可从时钟停止处恢复。
DIP如图所示:
3.2LCD1602液晶屏
LCD1602为工业字符型液晶,能够同时显示16 x 2(16列2行)即32个字符。
1602液晶也叫1602字符型液晶,它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符,每位之间有一个点距的间隔,每行之间也有间隔,起到了字符间距和行间距的作用,正因为如此所以它不能很好地显示图形。
管脚图如图:
字符型LCD管脚的定义:
基本操作时序:
1.读状态:
RS=L,RW=H,E=H输出:
D0~D7状态字
2.写指令:
RS=L,RW=L,D0~D7=指令码,E=高脉冲输出:
无
3.读数据:
RS=H.RW=H,E=H输出:
D0~D7数据
4.写数据:
RS=H,RW=L,D0~D7=指令码,E=高脉冲输出:
无
LCD1602模块控制指令表
1602模块的设定,读写,与光标控制都是通过指令来完成,共有11条指令,如下:
指令
RS
RW
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清屏
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标/字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志和地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数据到指令7.8所设地址
1
0
要写的数据
11
从指令7.8所设的地址读数据
1
1
读出的数据
指令1:
清显示,光标复位到地址00H位置。
指令2:
光标复位,光标返回到地址00H。
指令3:
光标和显示模式设置I/D:
光标移动方向,高电平右移,低电平左移,S:
屏幕上所有文字是否左移或者右移。
高电平表示有效,低电平则无效。
指令4:
显示开关控制。
D:
控制整体显示的开与关,高电平表示开显示,低电平表示关显示C:
控制光标的开与关,高电平表示有光标,低电平表示无光标B:
控制光标是否闪烁,高电平闪烁,低电平不闪烁。
指令5:
光标或显示移位S/C:
高电平时移动显示的文字,低电平时移动光标。
R/L,高向左,低向右。
指令6:
功能设置命令DL:
高电平时为4位总线,低电平时为8位总线N:
低电平时为单行显示,高电
平时双行显示F:
低电平时显示5x7的点阵字符,高电平时显示5x10的点阵字符。
(有些模块是DL:
高电平时为8位总线,低电平时为4位总线)
指令7:
字符发生器RAM地址设置,地址:
字符地址*8+字符行数。
(将一个字符分成5*8点阵,一次写入一行,8行就组成一个字符)
指令8:
置显示地址,第一行为:
00H——0FH,第二行为:
40H——4FH。
指令9:
读忙信号和光标地址BF:
为忙标志位,高电平表示忙,此时模块不能接收命令或者数据,如果为低电平表示不忙。
指令10:
写数据。
指令11:
读数据。
3.3ADC0804
CS:
芯片片选信号,低电平有效。
即=0时,该芯片才能正常工作,高电平时芯片不工作。
在外接多个ADC0804芯片时,该信号可以作为选择地址使用,通过不同的地址信号使能不同的ADC0804芯片,从而可以实现多个ADC通道的分时复用。
WR:
启动ADC0804进行ADC采样,该信号低电平有效,即信号由低电平变成高电平时,触发一次ADC转换。
RD:
低电平有效,即=0时,DAC0804把转换完成的数据加载到DB口,可以通过数据端口DB0~DB7读出本次的采样结果。
VIN(+)和VIN(-):
模拟电压输入端,单边输入时模拟电压输入接VIN(+)端,VIN(-)端接地。
双边输入时VIN(+)、VIN(-)分别接模拟电压信号的正端和负端。
当输入的模拟电压信号存在“零点漂移电压”时,可在VIN(-)接一等值的零点补偿电压,变换时将自动从VIN(+)中减去这一电压。
VREF/2:
参考电压接入引脚,该引脚可外接电压也可悬空,若外接电压,则ADC的参考电压为该外界电压的两倍,如不外接,则VREF与Vcc共用电源电压,此时ADC的参考电压即为电源电压Vcc的值。
CLKIN和CLKR:
外接RC振荡电路产生模数转换器所需的时钟信号,时钟频率CLK=1/1.1RC,一般要求频率范围100KHz~1460KHz。
AGND和DGND:
分别接模拟地和数字地。
:
转换结束输出信号,低电平有效,当一次A/D转换完成后,将引起=0,实际应用时,该引脚应与微处理器的外部中断输入引脚相连(如51单片机的,脚),当产生信号有效时,还需等待=0才能正确读出A/D转换结果,若ADC0804单独使用,则可以将引脚悬空。
DB0~DB7:
输出A/D转换后的8位二进制结果。
补充说明:
ADC0804片内有时钟电路,只要在外部“CLKIN(引脚4)”和“CLKR(引脚19)”两端外接一对电阻电容即可产生A/D转换所要求的时钟,其振荡频率为fCLK≈1/1.1RC。
其典型应用参数为:
R=10KΩ,C=150PF,fCLK≈640KHz,转换速度为100μs。
若采用外部时钟,则外部fCLK可从CLKIN端送入,此时不接R、C。
允许的时钟频率范围为100KHz~1460KHz。
3.4NPN型三极管
两个PN结共用了一个P区—基区,基区做得极薄,只有几微米到几十微米,正是靠它把两个PN结有机地结合成一个不可分割的整体,它们之间存在着相互联系和相互影响,使三极管完全不同于两个单独的PN结的特性。
三极管在外加电压的作用下,形成基极电流、集电极电流和发射极电流,成为电流放大器件。
原理:
β和α称为三极管的电流分配系数,其中β值大家比较熟悉,都管它叫电流放大系数。
三个电流中,有一个电流发生变化,另外两个电流也会随着按比例地变化。
例如,基极电流的变化量ΔIb=10μA,β=50,根据ΔIc=βΔIb的关系式,集电极电流的变化量ΔIc=50×10=500μA,实现了电流放大。
4.系统硬件设计
简易计算器电路由单片机最小系统、时钟电路、ADC0804、LCD1602液晶显示器、三极管、直流电机、LED灯,独立按键等组成,其原理图如图:
4.1时钟电路
时钟电路用于产生MCS-51单片机工作时所必须的时钟控制信号,MCS-51单片机的内部电路在时钟信号的控制下,严格的执行指令进行工作,在执行指令时,CPU首先要到程序存储器中取出所需要的指令操作码,然后译码,并由时序电路产生一系列控制信号去完成指令所规定的操作。
CPU发出的时序信号有两类,一类用于片内对各个功能部件的控制,另一类用于对片外存储器或I/O端口的控制。
MCS-51单片机各功能部件的运行都是以时钟信号为基准,有条不紊地一拍一拍地工作,因此时钟频率直接影响单片的速度,时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
常用的时钟设计电路有两种方式,一种是内部时钟方式,一种是外部时钟方式。
4.1.1 外部时钟方式
外部时钟方式是使用外部振荡器产生的脉冲信号,常用于多片单片机同时工作,以便于多片单片机之间的同步,一般为低于12 MHz的方波,常见的89C51单片机的外部时钟方式接法如下:
外部的时钟源直接连接到XTAL1端,XTAL2端 悬空
4.1.2内部时钟方式 :
MCS-51单片机内部由一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,该高增益反相放大器的输入端为51单片机的引脚XTAL1,输出为XTAL2。
这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容,就构成了一个稳定的自激振荡器。
电路中的电容C1和C2的典型值通常取为30pF左右,对外接电容的值虽然没有严格的要求,但是电容的大小会影响石英晶体振荡器频率的高低,振荡器的稳定性和起振的快速性。
晶振的振荡器的频率范围通常是在1.2 MHz-12 MHz之间,晶振的频率越高,则系统的时钟频率也就越高,单片机的运行速度也就越快,晶振和电容应该尽可能安装得与单片机芯片靠近,以减少寄生电容,更好地保证振荡器稳定,可靠地工作,为了提高温度稳定性,应该采用温度稳定性能好的电容。
MCS-51单片机常选择振荡器的频率为6 MHz或是12 MHz的石英晶体。
随着集成电路制造工艺的发展,单片机的时钟频率也在逐步提高,现在某些高速单片机芯片的时钟频率以达40 MHz。
4.2复位电路
单片机在启动时都需要复位,以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态,并从初态开始工作。
89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。
当系统处于正常工作状态时,且振荡器稳定后,如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上,则CPU就可以响应并将系统复位。
单片机系统的复位方式有:
手动按钮复位和上电复位。
4.2.1、手动复位电路:
手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平(图1)。
一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。
当人为按下按钮时,则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。
手动按钮复位的电路如所示。
由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒,所以,完全能够满足复位的时间要求。
4.2.2.上电复位电路
AT89C51的上电复位电路如图2所示,只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端,下接一个电阻到地即可。
对于CMOS型单片机,由于在RST端内部有一个下拉电阻,故可将外部电阻去掉,而将外接电容减至10F。
上电复位的工作过程是在加电时,复位电路通过电 容加给RST端一个短暂的高电平信号,此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落,即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。
为了保证系统能够可靠地复位,RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。
上电时,Vcc的上升时间约为10ms,而振荡器的起振时间取决于振荡频率,如晶振频率为10MHz,起振时间为1ms;晶振频率为1MHz,起振时间则为10ms。
在图2的复位电路中,当Vcc掉电时,必然会使RST端电压迅速下降到0V以下,但是,由于内部电路的限制作用,这个负电压将不会对器件产生损害。
另外,在复位期间,端口引脚处于随机状态,复位后,系统将端口置为全“l”态。
如果系统在上电时得不到有效的复位,则程序计数器PC将得不到一个合适的初值,因此,CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。
本次设计就是使用的上电复位电路。
4.3ADC转换电路
本设计通过滑动变阻器RV1模拟热敏电阻随温度变化,阻值的变化。
左侧的电路是为了提供较稳定的基准电压。
R4和C5形成振荡电路,给芯片提供频率。
模拟信号通过VIN+和VIN-差分输入ADC0804,通过内部转换,由D0~D8读取数字量。
4.4LCD1602液晶显示器
其中P0作为1602的数据端口与,P2.4连接RS、P2.5连接RW、P2.6连接E作为控制端口。
控制1602显示数据。
4.5独立按键控制电路
按键按下,对应的I/O口拉低。
上拉电阻是为了提供稳定的电压,提高抗干扰能拉。
本设计中,上面的按键按下,系统进入设置模式,再按一下,系统进入正常模式。
在设置模式中,中间按键每按一下,温度的上限值加5,下面的按键每按一下,温度的下限值加5.
4.6继电器控制电路
正常情况下,继电器处于常闭状态,直流电机转动。
当继电器的线圈中通以足够大的电流时,开关就会被吸到左边,使得电机电路处于开路,LED电路闭合,LED亮。
一般的继电器工作需要较大电流,单片机提供的电流不足以继电器工作,所以要加一个三极管来放大电流。
二极管D2与继电器并联,是为了防止断电时,线圈产生的电感电流过大,烧坏继电器。
上拉电阻是为了提高系统的抗干扰能力。
5.软件设计
软件设计需要先设置好上限温度和下限温度。
然后进行ADC转换,再把转换成的数字量转化成温度。
最后根据实际温度和温度上下限的关系来确定电机电路和LED电路的断开和闭合。
其流程图如图:
在程序中需要用到,按键检测函数,以及按键功能过去函数。
对于按键检测函数,可以放到定时器中,定时扫描。
而按键功能获取函数,需要等待,不易放到定时器中,所以应放到主函数中。
对于ADC转换函数和LCD1602显示函数以及继电器控制函数都放在定时器中运行。
总结
通过本次设计,我收益颇多。
首先,我觉得我的性格得到了磨练,更加沉稳,踏实,少了许多浮躁。
让我懂得了做事要循环渐进,一步步来,不可能一口吃个胖子。
做一件事时,要找到你的兴趣点,这样你才回更有激情的去投入,去尽力做的更完美。
另外,我还学到了许多的知识,一起前是分模块学的,并且学的很杂,通过这次设计,让我对这些知识更加系统化,并且运用起来更加灵活。
同时,我还学会了很多新的东西,比如ADC0804的使用、三极管的使用,继电器的使用等。
这次设计还让我懂得了合作与交流的重要性,一个人的思维和能力总是有限的,通过与别人的交流,你不仅能加深自己本已经掌握知识的理解,同时也可以学到新的东西。
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