毕业设计(论文)-单片机温度检测与控制.doc
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1、扬 州 市 职 业 大 学毕业设计(论文)设计论文题目:单片机温度检测与控制 系 别: 电子工程系专 业: 应用电子班 级:02电子(2)班姓 名: 学 号: 指导老师: 完成时间: 2005年6月目录摘要 5前言 6第1章 半导体发光器件的介绍 7 1.1.1 发光二极管的特性和应用 71.1.2发光二极管的分类 111.1.3发光二极管的应用 121.1.4发光二极管的检测 15第2章 方案的确定15第3章 单片机温度控制系统 17第一节 A/D转换 173.1.1 ADC0809在电路中的应用 173.1.2 A/D转换的概述18第二节 MCS-51单片机的基本结构203.2.1 MCS
2、-51单片机的八大组成203.2.2 单片机外部引脚的说明 213.2.3输入/输出的引脚 21第三节 单片机温度控制系统 243.3.1 数码管的显示方法 243.3.2 LED数码显示器接口 243 3.3 单片机测温显示电路 25第四节 测温部分 263.4.1AD590的功能及特性 263.4.2 AF590的工作原理273.4.3 单片机测温显示电路中的测温部分283.4.4单片机测温显示电路的显示部分 29第五节 可控脉宽输出 30第六节 74LS74和LM358的简单介绍303.6.1 D 触发器 30 3.6.2 LM358 30第七节 软件33 3.7 程序框图30 3.7
3、程序30第4章 总结37参考资料 38单片机温度检测与控制摘要:本文对单片机测温和显示电路作了详细的说明,从电路的硬件到软件,作了具体的阐述,使电路的精度得到可靠的认证,根据单片机的一些原理及AD转换器ADC0809的应用,通过温度传感器AD590和LED,电路能够很好的测量和显示温度。前言随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高,各种方便于生活的自动控制系统开始进入了人们的生活,以单片机为核心的自动门系统就是其中之一。同时也标志了自动控制领域成为了数字化时代的一员。它实用性强,功能齐全,技术先进,使人们相信这是科技进步的成果。它更让人类懂得,数字时代的发展将改变人类的生活,将加快
4、科学技术的发展。传感器是将感受的物理量、化学量等信息,按一定规律转换成便于测量和传输的信号的装置。电信号易于传输和处理,所以大多数的传感器是将物理量等信息转换成电信号输出的。传感器主要用于测量和控制系统,它的性能好坏直接影响系统的性能。在自动测量过程或控制系统中,首先由传感器感受被测量,而后把它转换成电信号,供显示仪表指示或用以控制执行机构。如果传感器不能灵敏地感受被测量,或者不能把感受到的被测量精确地转换成电信号,其他仪表和装置的精确度再高也无意义。电子计算机应用于测量系统和控制系统时,也必须由传感器提供准确可靠的信息,如果传感器的水平与电子计算机的水平不相适应,电子计算机便不能充分发挥应有
5、的作用和效益。因此,传感器是测量、控制系统中的一种关键装置。 本设计主要介绍单片机测量和显示温度电路的应用。它具有电路简单、功能齐全、制作成本低、性价比高,只需要提供家用电源供电即可。该仪器采用美国Intel公司八位单片机作为控制核心,配以其他进口集成电路,加上对软件的精心设计,实现了仪表智能化。AD590集成温度传感器能对温度进行精密测量,同时通过两位LED显示器直接跟踪显示温度值,准确度高,显示清晰,稳定可靠,使用方便。该系统能够实时显示温度;精度为1;利用按键能修改设定的温度值;温度过高时,输出报警信号;系统可手动复位。系统软件部分采用MCS51单片机汇编语言精心编写,其数据流程清晰地反
6、映在程序中,增强了软件的可读性,便于改进和扩充,从而为其实用提供更好的软件支持。 本课题以一个房间为温控对象,用过零调功器作为调功电路,研究控温规律并用单片机实现该控温规律。鉴于实际情况,最终以一种模拟实际系统的形式研究该课题。 第一章 半导体发光器件半导体发光器件包括半导体发光二极管(简称LED)、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏(简称矩阵管)等。事实上,数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。1.1.1 半导体发光二极管工作原理、特性及应用 (一)LED发光原理发光二极管是由-族化合物,如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成
7、的,其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性,即正向导通,反向截止、击穿特性。此外,在一定条件下,它还具有发光特性。在正向电压下,电子由N区注入P区,空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光,如图1所示。假设发光是在P区中发生的,那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光,或者先被发光中心捕获后,再与空穴复合发光。除了这种发光复合外,还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中间附近)捕获,而后再与空穴复合,每次释放的能量不大,不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大,光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的,所以
8、光仅在靠近PN结面数m以内产生。理论和实践证明,光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度g有关,即1240/Eg(mm)式中Eg的单位为电子伏特(eV)。若能产生可见光(波长在380nm紫光780nm红光),半导体材料的Eg应在3.261.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管,但其中蓝光二极管成本、价格很高,使用不普遍。(二)LED的特性1极限参数的意义(1)允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值,LED发热、损坏。(2)最大正向直流电流IFm:允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。(3)最大反
9、向电压VRm:所允许加的最大反向电压。超过此值,发光二极管可能被击穿损坏。(4)工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围,发光二极管将不能正常工作,效率大大降低。2电参数的意义(1)光谱分布和峰值波长:某一个发光二极管所发之光并非单一波长,其波长大体按图2所示由图可见,该发光管所发之光中某一波长0的光强最大,该波长为峰值波长。(2)发光强度IV:发光二极管的发光强度通常是指法线(对圆柱形发光管是指其轴线)方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为(1/683)W/sr时,则发光1坎德拉(符号为cd)。由于一般LED的发光二强度小,所以发光强度常用坎德拉(mcd)
10、作单位。(3)光谱半宽度:它表示发光管的光谱纯度.是指图3中1/2峰值光强所对应两波长之间隔.(4)半值角1/2和视角:1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向(法向)的夹角。半值角的2倍为视角(或称半功率角)。 图3给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的情况。中垂线(法线)AO的坐标为相对发光强度(即发光强度与最大发光强度的之比)。显然,法线方向上南喽苑馇慷任?,离开法线方向的角度越大,相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。(5)正向工作电流If:它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6IFm以下。(6)正向工作电压VF:参数
11、表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.43V。在外界温度升高时,VF将下降。(7)V-I特性:发光二极管的电压与电流的关系可用图4表示。在正向电压正小于某一值(叫阈值)时,电流极小,不发光。当电压超过某一值后,正向电流随电压迅速增加,发光。由V-I曲线可以得出发光管的正向电压,反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流IR10A以下。1.1.2发光二极管的分类1 按发光管发光颜色分按发光管发光颜色分,可分成红色、橙色、绿色(又细分黄绿、标准绿和纯绿)、蓝光等。另外,有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二
12、极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色,上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。2 按发光管出光面特征分按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等。国外通常把3mm的发光二极管记作T-1;把5mm的记作T-1(3/4);把4.4mm的记作T-1(1/4)。由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类:(1)高指向性。一般为尖头环氧封装,或是带金属反射腔封装,且不加散射剂。半值角为520或更
13、小,具有很高的指向性,可作局部照明光源用,或与光检出器联用以组成自动检测系统。(2)标准型。通常作指示灯用,其半值角为2045。(3)散射型。这是视角较大的指示灯,半值角为4590或更大,散射剂的量较大。3按发光二极管的结构分按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。4按发光强度和工作电流分按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED(发光强度100mcd);把发光强度在10100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几mA至几十mA,而低电流LED的工作电流在2mA以下(亮度与普通发光管相同)。除上述分类方法外,还有按芯片材料分类及按功
14、能分类的方法。1.1.3发光二极管的应用由于发光二极管的颜色、尺寸、形状、发光强度及透明情况等不同,所以使用发光二极管时应根据实际需要进行恰当选择。由于发光二极管具有最大正向电流IFm、最大反向电压VRm的限制,使用时,应保证不超过此值。为安全起见,实际电流IF应在0.6IFm以下;应让可能出现的反向电压VR0。6VRm。LED被广泛用于种电子仪器和电子设备中,可作为电源指示灯、电平指示或微光源之用。红外发光管常被用于电视机、录像机等的遥控器中。(1)利用高亮度或超高亮度发光二极管制作微型手电的电路如图5所示。图中电阻R限流电阻,其值应保证电源电压最高时应使LED的电流小于最大允许电流IFm。
15、(2)图6(a)、(b)、(c)分别为直流电源、整流电源及交流电源指示电路。图(a)中的电阻(E-VF)/IF;图(b)中的R(1.4Vi-VF)/IF;图(c)中的RVi/IF式中,Vi交流电压有效值。(3)单LED电平指示电路。在放大器、振荡器或脉冲数字电路的输出端,可用LED表示输出信号是否正常,如图7所示。R为限流电阻。只有当输出电压大于LED的阈值电压时,LED才可能发光。(4)单LED可充作低压稳压管用。由于LED正向导通后,电流随电压变化非常快,具有普通稳压管稳压特性。发光二极管的稳定电压在1.43V间,应根据需要进行选择VF,如图8所示。(5)电平表。目前,在音响设备中大量使用
16、LED电平表。它是利用多只发光管指示输出信号电平的,即发光的LED数目不同,则表示输出电平的变化。图9是由5只发光二极管构成的电平表。当输入信号电平很低时,全不发光。输入信号电平增大时,首先LED1亮,再增大LED2亮。1.1.4发光二极管的检测1普通发光二极管的检测(1)用万用表检测。利用具有10k挡的指针式万用表可以大致判断发光二极管的好坏。正常时,二极管正向电阻阻值为几十至200k,反向电阻的值为。如果正向电阻值为0或为,反向电阻值很小或为0,则易损坏。这种检测方法,不能实地看到发光管的发光情况,因为10k挡不能向LED提供较大正向电流。如果有两块指针万用表(最好同型号)可以较好地检查发
17、光二极管的发光情况。用一根导线将其中一块万用表的“+”接线柱与另一块表的“-”接线柱连接。余下的“-”笔接被测发光管的正极(P区),余下的“+”笔接被测发光管的负极(N区)。两块万用表均置10挡。正常情况下,接通后就能正常发光。若亮度很低,甚至不发光,可将两块万用表均拨至1若,若仍很暗,甚至不发光,则说明该发光二极管性能不良或损坏。应注意,不能一开始测量就将两块万用表置于1,以免电流过大,损坏发光二极管。(2)外接电源测量。用3V稳压源或两节串联的干电池及万用表(指针式或数字式皆可)可以较准确测量发光二极管的光、电特性。为此可按图10所示连接电路即可。如果测得VF在1.43V之间,且发光亮度正
18、常,可以说明发光正常。如果测得VF=0或VF3V,且不发光,说明发光管已坏。2红外发光二极管的检测由于红外发光二极管,它发射13m的红外光,人眼看不到。通常单只红外发光二极管发射功率只有数mW,不同型号的红外LED发光强度角分布也不相同。红外LED的正向压降一般为1.32.5V。正是由于其发射的红外光人眼看不见,所以利用上述可见光LED的检测法只能判定其PN结正、反向电学特性是否正常,而无法判定其发光情况正常否。为此,最好准备一只光敏器件(如2CR、2DR型硅光电池)作接收器。用万用表测光电池两端电压的变化情况。来判断红外LED加上适当正向电流后是否发射红外光。其测量电路如图11所示 第二章
19、方案的确定由于下面电路上和可靠性上比较高,因此选这种方案比较好,整套电路如图6所示。 图6根据热力学第一定律;即能量转换及守恒定律指出:在自然界中,一切物质都是有能量。能量有各种不同的形式,它能够从一种形式转化为另一种形式。在转化中,能量的总量不变。则工程上计算可以简化。若用电加热恒温控制系统来对一房间进行温控。假设房间容积为443=48m,温度为-50,温度设定可调(2027),管为一根。确定电路的参数部分。根据热力学中的理想气体方程,此空间的空气质量为 m=Pv/RT=1.0148/(287273)=61086Kg式中取标况下物性参数P=1.01P R=287J/KgK T=273K 空气
20、吸收的总能量Q=Cmt=1.004KJ/KgK61.86Kg(20+50) =4347.5208KJ 若在20分钟内温度升到20,则电炉丝的发热功率为: P=Q/t=4347.5208KJ/(2060秒)=3.62KW 则温升为20-(-50)/20=3.5/min 则流过晶闸管的电流有效值为I=P/U=3062KW/220V=16.455A 电炉丝电阻值为R=U/P=13.37 晶闸管通态平均电流Id=I/Kf=16.455/1.57=10.48A 考虑两倍裕量 应选KP30-7晶闸管门极出发电流=8150mA 门极触发电压3.5V 在实际调试中,削波电路经过R2、R3分压,V1管基极电压为
21、0.6V,峰值电压为1V,R4上压将为11V,V2管e和c之间电压将为0.6V,脉冲变压器用电阻代替,其电压值为10V。V3管基极电压为0.3V(截止)或0.6V(导通)。由于555集成块使用的是+5V电源供电,所以从稳压块出来的+12V电源要经电阻和稳压管分压得到+5V电源。设定温标电压的电位计W1在2.33.0V之间。在调试用的电位计电压在2.13.1V之间可调。第三章 单片机温度控制系统为了提高恒温控制的精度,调试的简单化及电路的简单化,其设计电路如原理图所示。该方案的设计思路如图9所示: 第一节 A/D转换 311 ADC0809在电路中的应用由温度传感器AD590测出的一个电压值,经
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