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1、湖南科技大学毕业设计(论文) I 基于单片机的电烤箱的温度控制系统基于单片机的电烤箱的温度控制系统 摘摘 要要 随着社会的不断发展,人们改造自然的能力也在不断的提高。机器的诞生, 为我们减少了部分或者全部的脑力劳动和体力劳动。电子技术的诞生更是带来了 翻天覆地的变化。机电控制系统成为机械技术与微电子技术集成的共性关键技术。 人们通过它可以使机械完全按照自己的意愿来执行。 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
2、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。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,温度,电烤箱,控制 湖南科技大学毕业设计(论文) II AT89C51 SINGLE-CHIP BASED ON THE O
3、VENS TEMPERATURE CONTROL SYSTEM DESIGN 目目 录录 前 言1 第 1 章 概 述2 1.1 技术指标.2 1.2 控制方案.2 第 2 章 硬件部分设计.3 2.1 单片机电路设计.3 2.2 传感器电路设计.9 2.3 A/D 转换电路设计12 2.4 放大器电路设计15 2.5 键盘及显示电路的设计20 2.6 抗干扰电路设计23 第 3 章 软件部分设计.27 3.1 工作流程27 3.2 功能模块27 3.3 资源分配27 3.4 功能软件设计27 结 论.39 谢 辞.40 参考文献.41 附 录.42 外文翻译资料43 湖南科技大学毕业设计(论
4、文) 1 第第 1 1 章章 概概 述述 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: (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
5、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 控制方案 产品的工艺不同,控制温度的精度也不同,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
6、于某值时接 通电炉开始加热,从而保持恒温控制。 湖南科技大学毕业设计(论文) 2 第第 2 2 章章 硬件部分设计硬件部分设计 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
7、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。 一 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、 A/D 湖南科技大学毕业设计(论文) 3 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
8、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,
9、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。用来协调单片机各部分正常工作。 湖南科技大学毕业设
10、计(论文) 4 二 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:
11、接外部晶体和微调电容的另一端。 其中,对用外部时钟时,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/ 湖南科技大学毕业设计(论文) 5 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
12、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 口的第二功能如下表所示:
13、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0IM P3.3 外部中断 1 输入1IM 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)WR P3.7 片外 RAM 读选通信号(输出)RD 4控制线 控制线共四根。 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。 三 AT89C51 单片机的存储器结构 AT89C51 单片机
14、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。 湖南科技大学毕业设计(论文) 6 四 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
15、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 3. 4.P3 口。P3 口的输出驱动由与非门 3 和 V1 组成,比 P0、P1、P2 口结构多 了一个缓冲器 4.
16、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 湖南科技大学毕业设计(论文) 7 五 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
17、 内部方式时钟电路 图 2-6 外部方式时钟电路 六 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
18、、TH1 00H SCON 00H SBUF 不定 PCON 0XXX0000B 湖南科技大学毕业设计(论文) 8 七 AT89C51 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。 2.22.2 传感器电路设计传感器电路设计 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
19、主要途径与手段。 一 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。其组成框图如 2-7 所示。 图 2-7 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。
20、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 湖南科技大学毕业设计(论文) 9 传感器。 科学技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。 二 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
21、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 传感器对随时间变化的输入量的响应特性。 1. 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 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
22、、频响范围、频率 特性、临界频率、临界速度、稳定时间等。 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:包括抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁场干扰能力等 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 其他指标 湖南科技大学毕业设计(论文) 10 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、各项分布参数等 B 结构方面:名手外形尺寸质量、壳体材质、结构特点等 C.要装连接方面:包括安装
23、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 1K3K,高温则可测量 1
24、000。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 三 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 式接法时(如图 2-8 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
25、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。 湖南科技大学毕业设计(论文) 11 (a)二线式接法 (b)三线式接法 (d)四线式接法 图 2-8 热电阻传感器的接线方式 四线式接法 R2=R3 为固定电阻,R1 可调,热电阻 Rt,通过电阻为 r1、r2、r3、r4 的四要导线和电桥连接,r1、r4 分别串联在相邻的两桥臂内,r2、r3 与电源去 路串联,将开关接通,调节 R1 使电桥平衡,则 R1+r1=Rt+r4 再将开关接通 B,重新调整 R1,使电桥达到新的平衡,则 R1+r1=Rt+r1 两式相加得:R
26、t= 2 11RR 四线式测量方法比较麻烦,一般用于精度要求较高的场合. 2.3 A/D 转换电路设计 一 逐次逼近型 A/D 转换器 ADC0809 1.ADC0809 的内部逻辑结构(如图 2-9) 如图,多路开关可达通讯员 89 模拟通道,允许 8 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
27、湖南科技大学毕业设计(论文) 12 图 2-9 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,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。
28、 湖南科技大学毕业设计(论文) 13 图 2-10 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 、DTD0: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
29、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) 二 AT89C51 单片机与 ADC0809 接口 ADC0809 与 AT89051 单片机边接如图 2-11 所示,电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 1. 8 路模拟通道选择 A、B、C
30、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 湖南科技大学毕业设计(论文) 14 图 2-11 ADC0809 与单片机的连接 2.42.4 放大器电路设计放大器电路设计 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 交流放大器电路 1.共
31、发射极放大电路 A 工作点不稳定状态 静态工作点 Ib,Ic=Ib, Rb Ec Uce=Ec-IcRc 交流等效电路 Rfz=Rc/Rfz (a)电路图 (b)图解法 (c)交流等效电路 图 2-12 工作点不稳定状态放大电路 湖南科技大学毕业设计(论文) 15 输入电阻 rsrrbe(当 rbeRb 时) 输出电阻 rscRce rsc Rc 放大倍数 K= rbc fz R 此放大器特点:放大倍数大。 B 工作点稳定状态 a。静态工作点 由(-Ube1) 21 12 RR RUe 1Re 1 1 )2( Rc UbeUeEe 交流等效电路 Rfz1=Rc1/rbe,Rfz2=Rc2/Rf
32、z 输入电阻 rsrrbe2(当 rbe1R1/R2 时) 输出电阻 rscRc 放大倍数 K=12 (当 RC1rb2 时) Usr Usc 1 2 rbe fz R 此放大电路特点 放大倍数大,工作点稳定 b静态工作点 Ub,Ua=Ub-Ube, 21 1 RbRb EcRb Ie=,UceEc-Ic(Re+Rc) Re Ue 交流等效电路 Rfz=Rc/Rfz 输入电阻 rsr=rbe(当 rbeRb1/Rb2) 输出电阻 rscRc 放大倍数 K= rbe fz R 湖南科技大学毕业设计(论文) 16 (a)电路图 (b)图解法 (c)交流等效电路 图 2-13 工作点稳定状态 a 类
33、放大器电路 此放大电路特点 rsr 较大,|K|1 且与晶体管参数几乎无关。 (a)电路图 (b)图解法 (c)交流等效电路 图 2-14 工作点稳定状态 b 类放大器电路 C 静态工作点 Ub 、Uc 同左,但 Ie=,UceEc- RF Uc Re Ic(Rc+Re+RF) 交流等效电路 Rfz=Rc/Rfz 输入电阻 )/(/ RF21rRRrbebbsr 输出电阻 (当时) rR r beb sc rRbeb Re 放大倍数 (当) RF Rfz K . rbe RF 此放大电路特点 大,小, rsrrsc 1K (a)电路图 (b)图解法 (c)交流等效电路 图 2-15 工作点稳定
34、状态 c 类放大器电路 共集电极放大电路 静态工作点 , RR E Cb c b IIIbC RIEUcccce 湖南科技大学毕业设计(论文) 17 交流等效电路 RRRfzCfz / 输入电阻 RRrfzbsr / 放大倍数 Rr R fzbe fz K . ) 1( ) 1( (a)电路图 (b)图解法 (c)交流等效电路 图 2-16 共集电极放大器电路 反馈 凡是引入反馈以后使放大镜器放大倍数减小的称为负反馈。反之凡是引反馈 以后使放大倍数增大 的称为正反馈赠。其中换反馈有电压串联负反馈赠,电流 串联负反馈赠,电压并联负反馈赠,电流并联负反馈。 二 直流放大器电路 将缓慢的直流量信号进
35、行广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 三 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,
36、输出级(第三级)由晶体 管 T7 和 T8 组成,采用互补对称放大电路。 湖南科技大学毕业设计(论文) 18 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。 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; 图 2-17 运算放大器电路图 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
37、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 四 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 湖南科技大学毕业设计(
38、论文) 19 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 aI10=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。 2.52.5 键盘及显示电路的设计键盘及显示电路的设计 一 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
39、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
40、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 湖南科技大学毕业设计(论文) 20 图 2-18 矩阵式键盘结构 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
41、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 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
42、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描 方式的硬件电路与编程扫描方式相同 c.中断扫描方式 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 2-19 为矩阵式键盘与单片机接口图。 湖南科技大学毕业设计(论文) 21 图 2-19 矩阵式键盘与单片机接口 二 LED 显示器接口电路 常用的 LED 显示器
43、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。通常会 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。共阴极数码管的 8 个发光二极管的阴极(二极管负端)连接
44、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, 湖南科技大学毕业设计(论文) 22 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
45、的场合。 4. 动态显示接口 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 2-20 数码管与单片机接口 2.6
46、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 湖南科技大学毕业设计(论文) 23 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。 一
47、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 此形成电磁干扰的要素有:电磁干扰源、传输通到、敏感设备。 二.干扰的分类 按干扰源分为自然干扰和人为干扰。 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。 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。 三.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 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。 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。 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。 采用软件抗干扰技术 软件抗干扰
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