微機(jī)課程設(shè)計電飯煲系統(tǒng)的設(shè)計

1、電飯煲系統(tǒng)的設(shè)計摘要：電飯煲是利用電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿拇毒?，使用方便，清潔衛(wèi)生，還具有對食品進(jìn)行蒸、煮、燉、煨等多種操作功能。本系統(tǒng)采用mcs8051單片機(jī)自動檢測、調(diào)整加工程序、計算加工定時時間。加熱完成后，單片機(jī)自動啟動報警驅(qū)動程序，驅(qū)動蜂鳴器報警，既而實現(xiàn)自動或人工切斷電路，系統(tǒng)停止工作。整個工作過程均通過傳感器總成實時安全防護(hù)、自動故障檢測，確保安全。關(guān)鍵詞：電飯煲，mcs8051單片機(jī)，定時，報警。一、 引言 電飯煲工藝介紹 電飯煲是利用電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿拇毒?，使用方便，清潔衛(wèi)生，還具有對食品進(jìn)行蒸、煮、燉、煨等多種操作功能。常見的電飯鍋分為保溫自動式、定時保溫式以及新型的微電腦控制式三類

2、?，F(xiàn)在已經(jīng)成為日常的家用電器，在中國飲食文化的大背景下，是一種不可缺少的生活用品， 智能電飯煲主要由電源部分和控制電路組成，主控電路與熱敏電阻形成反饋回路，主控電路實現(xiàn)兩種功能，一是采集熱敏電阻反饋回來的溫度值，二是依據(jù)用戶選用的工作方式，對繼電器的工作方式的改變來對電熱盤加熱的控制。控制方法大至為：當(dāng)電熱盤溫度達(dá)到當(dāng)前的要求后，繼電器的開關(guān)打開，以切斷電熱盤的電源，當(dāng)下降到一定的溫度范圍后通電加熱，閉合繼電器，以使電熱盤始終保持在適合的溫度范圍以內(nèi)。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如下：功能鍵選擇1.開關(guān)/保溫2.開始3.功能選擇4.定時加5.定時減8051單片機(jī) 驅(qū)動電路蜂鳴器報警驅(qū)動電路功能指示燈繼電器

3、電源電路加熱盤頂蓋溫度傳感器頂蓋溫度傳感器器220v電飯煲總框架圖二、硬件設(shè)計1.8051單片機(jī)主控制器 本機(jī)采用mcs51系列單片機(jī)，該單片機(jī)具有性能穩(wěn)定、工作可靠、價格低廉等特點(diǎn)，因此無論在國內(nèi)，國外其應(yīng)用都相當(dāng)廣泛，已經(jīng)成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，尤其適合于自動控制，人工智能等領(lǐng)域。mcs-51單片機(jī)是在一塊芯片中集成了cpu，ram，rom、定時器/計數(shù)器和多種功能的i/o線等一臺計算機(jī)所需要的基本功能部件。如圖2-1所示。其主要資源如下：l 8位cpu.即，mcs-51單片機(jī)是8位微機(jī)，能以8位二進(jìn)制數(shù)為一字節(jié)進(jìn)行處理數(shù)據(jù)；l 片內(nèi)帶震蕩器，其震蕩頻率為fosc=1.212mhz;l 128b

4、片內(nèi)ram;l 4kb片內(nèi)程序存儲器rom(8031無)；l 程序存儲器的尋址范圍64kb;l 片外數(shù)據(jù)存儲器pam尋址范圍64kb;l 21個特殊功能寄存器sfr；l 4個8位并行i/o接口：p0,p1,p2,p3;l 1個全雙工串行i/o接口，可多機(jī)通信；l 2個16位定時器/計數(shù)器t0/t1;l 中斷系統(tǒng)有5個中斷源；l 111條指令，含乘法，除法指令；l 位操作功能強(qiáng)（位操作指令17條）；l 片內(nèi)采用單總線結(jié)構(gòu)；l 用單一電源+5v.8051單片機(jī)采用40引腳的雙列直插封裝方式。圖2-2為引腳排列圖， 40條引腳說明如下：1、主電源引腳vss和vcc vss接地 vcc正常操作時為+5

5、伏電源2、外接晶振引腳xtal1和xtal2振蕩器及定時電路8051cpu4k字節(jié)rom128字節(jié)ram2個16位定時器/計數(shù)器64k總線擴(kuò)展控制可編程i/o可編程串行口(圖2-1) mcs8051單片機(jī)框圖 xtal1內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸入端，是外接晶體的一個引腳。當(dāng)采用外部振蕩器時，此引腳接地。 xtal2內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸出端。是外接晶體的另一端。當(dāng)采用外部振蕩器時，此引腳接外部振蕩源。 3、控制或與其它電源復(fù)用引腳rst/vpd，ale/，和/vpp rst/vpd 當(dāng)振蕩器運(yùn)行時，在此引腳上出現(xiàn)兩個機(jī)器周期的高電平（由低到高跳變），將使單片機(jī)復(fù)位。在vcc掉電期間，此引

6、腳可接圖2-2所示8051引腳排列圖上備用電源，由vpd向內(nèi)部提供備用電源，以保持內(nèi)部ram中的數(shù)據(jù)。 ale/ 正常操作時為ale功能（允許地址鎖存）提供把地址的低字節(jié)鎖存到外部鎖存器，ale 引腳以不變的頻率（振蕩器頻率的）周期性地發(fā)出正脈沖信號。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。但要注意，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ale脈沖，ale 端可以驅(qū)動（吸收或輸出電流）八個lsttl電路。 對于eprom型單片機(jī)，在eprom編程期間，此引腳接收編程脈沖（功能） 外部程序存儲器讀選通信號輸出端，在從外部程序存儲取指令（或數(shù)據(jù)）期間，在每個機(jī)器周期內(nèi)兩次有效。同樣可以驅(qū)動八l

7、sttl輸入。 /vpp 、 /vpp為內(nèi)部程序存儲器和外部程序存儲器選擇端。當(dāng)/vpp為高電平時，訪問內(nèi)部程序存儲器，當(dāng)/vpp 為低電平時，則訪問外部程序存儲器。對于eprom型單片機(jī)，在eprom編程期間，此引腳上加21伏eprom編程電源（vpp）。4、輸入/輸出引腳p0.0 - p0.7，p1.0 - p1.7，p2.0 - p2.7，p3.0 - p3.7。 p0口（p0.0 - p0.7）是一個8位漏極開路型雙向i/o口，在訪問外部存儲器時，它是分時傳送的低字節(jié)地址和數(shù)據(jù)總線，p0口能以吸收電流的方式驅(qū)動八個lsttl負(fù)載。 p1口（p1.0 - p1.7）是一個帶有內(nèi)部提升電阻

8、的8位準(zhǔn)雙向i/o口。能驅(qū)動(吸收或輸出電流)四個lsttl負(fù)載。 p2口（p2.0 - p2.7）是一個帶有內(nèi)部提升電阻的8位準(zhǔn)雙向i/o口，在訪問外部存儲器時，它輸出高8位地址。p2口可以驅(qū)動(吸收或輸出電流)四個lsttl負(fù)載。 p3口（p3.0 - p3.7）是一個帶有內(nèi)部提升電阻的8位準(zhǔn)雙向i/o口。能驅(qū)動(吸收或輸出電流)四個lsttl負(fù)載。2. 時鐘電路8051片內(nèi)設(shè)有一個由反向放大器所構(gòu)成的振蕩電路，xtal1和 xtal2分別為振蕩電路的輸入和輸出端，時鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。內(nèi)部方式時 圖2-2鐘電路如圖2-3所示。在xtal1和 xtal2引腳上外接定時元件，

9、內(nèi)部振蕩電路就產(chǎn)生自激振蕩。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶振可以在1.2mhz到12mhz之間選擇，電容值在5-30pf之間選擇，電容的大小可起頻率微調(diào)作用。xtal1xtal2 電容1 晶振電容2圖 2-3 內(nèi)部方式時鐘電路外部方式的時鐘很少用，若要用時，只要將xtal1接地，xtal2接外部振蕩器就行。對外部振蕩信號無特殊要求，只要保證脈沖寬度，一般采用頻率低于12mhz的方波信號。時鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個兩相時鐘信號p1和p2供單片機(jī)使用。p1在每一個狀態(tài)s的前半部分有效，p2在每個狀態(tài)的后半部分有效。3.復(fù)位和復(fù)位電路8051單片機(jī)的復(fù)位電路如圖2-4

10、所示。在reset（圖中表示為res）輸入端出現(xiàn)高電平時實現(xiàn)復(fù)位和初始化。 mcs-51resmcs-51res+5v +5v10f 1k 10f 復(fù)8.2k 按鍵 5.1k 地 地 (a) (b) 圖2-4 復(fù)位電路在振蕩運(yùn)行的情況下，要實現(xiàn)復(fù)位操作，必須使res 引腳至少保持兩個機(jī)器周期（24個振蕩器周期）的高電平。cpu在第二個機(jī)器周期內(nèi)執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位操作，以后每一個機(jī)器周期重復(fù)一次，直至res端電平變低。復(fù)位期間不產(chǎn)生ale及psen信號。內(nèi)部復(fù)位操作使堆棧指示器sp為07h，各端口都為1（p0-p3口的內(nèi)容均勻0ffh），特殊功能寄存器都復(fù)位為0，但不影響ram的狀態(tài)。當(dāng)res引腳返回

11、低電平以后，cpu從0地址開始執(zhí)行程序。復(fù)位后，各內(nèi)部寄存狀態(tài)下如下： 寄存器 內(nèi)容 pc 0000h acc 00h b 00h psw 00h sp 07h dptr 0000h p0 -p3 0ffh ip 00000 ie 000000tmop 00htcon 00hth0 00htl0 00hth1 00htl1 00hscon 00hsbuf 不定pcon 0圖2-4（a）為加電自動復(fù)位電路。加電瞬間，res 端的電位與vcc相同，隨著rc 電路充電電流的減小res的電位下降，只要rst 端保持10毫秒以上的高電平就能使mcs-51單片機(jī)有效地復(fù)位，復(fù)位電路中的rc 參數(shù)通常由實驗

12、調(diào)整。當(dāng)振蕩頻率選用6mhz時，c選22uf，r選1k，便能可靠地實現(xiàn)加電自動復(fù)位，若采用rc電路接斯密特電路的輸入端，斯密特電路輸出端接mcs-51和外圍電路的復(fù)位端，能使系統(tǒng)可靠地同步復(fù)位。圖2-4（b）為人工復(fù)位電路。復(fù)位電路在實際應(yīng)用中很重要，不能可靠復(fù)位會導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作，所以現(xiàn)在有專門的復(fù)位電路，如810系列，這種類型的器件不斷有廠家推出更好的產(chǎn)品，如將復(fù)位電路、電源監(jiān)控電路、看門狗電路、串行e2rom存儲器全部集成在一起的電路，有的可分開單獨(dú)使用，有的可只用部份功能，讓使用者就具體實際情況靈活選用。4.蜂鳴器報警驅(qū)動電路 蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，本文運(yùn)用單片機(jī)驅(qū)動

13、蜂鳴器，他廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報警器、電話機(jī)等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場，振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)聲。壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成，當(dāng)接通電源后（1.515v直流工作電壓），多諧振蕩器起振,輸出1.52.5khz的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(fā)聲。 本文采用電磁式蜂鳴器驅(qū)動。蜂鳴器發(fā)聲原理是電流通過

14、電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場來驅(qū)動振動膜發(fā)聲的，因此需要一定的電流才能驅(qū)動它，單片機(jī)io引腳輸出的電流較小，單片機(jī)輸出的ttl電平基本上驅(qū)動不了蜂鳴器，因此需要增加一個電流放大的電路。s51增強(qiáng)型單片機(jī)實驗板通過一個三極管來放大驅(qū)動蜂鳴器，原理圖見下面圖2-5。單片機(jī)實驗板蜂鳴器驅(qū)動原理圖：圖 2-5 如圖所示，蜂鳴器的正極接到vcc（5v）電源上面，蜂鳴器的負(fù)極接到三極管的發(fā)射極e，三極管的基級b經(jīng)過限流電阻r1后由單片機(jī)的p3.7引腳控制，當(dāng)p3.7輸出高電平時，三極管t1截止，沒有電流流過線圈，蜂鳴器不發(fā)聲；當(dāng)p3.7輸出低電平時，三極管導(dǎo)通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。因此，我

15、們可以通過程序控制p3.7腳的電平來使蜂鳴器發(fā)出聲音和關(guān)閉。程序中改變單片機(jī)p3.7引腳輸出波形的頻率，就可以調(diào)整控制蜂鳴器音調(diào)，產(chǎn)生各種不同音色、音調(diào)的聲音。另外，改變p3.7輸出電平的高低電平占空比，則可以控制蜂鳴器的聲音大小，這些我們都可以通過編程來實現(xiàn)。 蜂鳴器驅(qū)動程序通過在p3.7輸出一個音頻范圍的方波，驅(qū)動實驗板上的蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲，其中delay延時子程序的作用是使輸出的方波頻率在人耳朵聽覺能力之內(nèi)的20khz以下，如果沒有這個延時程序的話，輸出的頻率將大大超出人耳朵的聽覺能力，我們將不能聽到聲音。更改延時常數(shù)，可以改變輸出頻率，也就可以調(diào)整蜂鳴器的音調(diào)。大家可以在實驗中更改#2

16、28為其他值，聽聽蜂鳴器音調(diào)的改變。org 0000hajmp main ；跳轉(zhuǎn)到主程序 org 0030h main:cpl p3.7 ；蜂鳴器驅(qū)動電平取反 lcall delay ；延時 ajmp main ；反復(fù)循環(huán) delay:mov r7,#228；延時子程序，更改該延 時常數(shù)可改變蜂鳴器發(fā)出的音調(diào) de1: djnz r7,de1 ret end 5.光電耦合開關(guān)電路 光電耦合器具有體積小、使用壽命長、工作溫度范圍寬、抗干擾性能強(qiáng)無觸點(diǎn)且輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點(diǎn)，因而在各種電子設(shè)備上得到廣泛的應(yīng)用光電耦合器可用于隔離電路、負(fù)載接口（主要作用）及各種家用電器等電路中圖1電路中

17、，當(dāng)輸入信號ui為低電平時，晶體管v1處于截止?fàn)顟B(tài)，光電耦合器b1中發(fā)光二極管的電流近似為零，輸出端q11、q12間的電阻很大，相當(dāng)于開關(guān)“斷開”；當(dāng)ui為高電平時，v1導(dǎo)通，b1中發(fā)光二極管發(fā)光，q11、q12間的電阻變小，相當(dāng)于開關(guān)“接通”該電路因ui為低電平時，開關(guān)不通，故為高電平導(dǎo)通狀態(tài)如圖2-6所示圖2-66. 電源供電電路 本設(shè)計系統(tǒng)中，所需電源種類較多，為設(shè)計方便、減少元器件，選用串聯(lián)型三端固定電壓集成穩(wěn)壓器78xx系列和79xx系列，它們提供1.5 a額定輸出電流和 5 v、 6 v、 9 v、 12 v、 15 v、 24 v 等各檔穩(wěn)定電壓。芯片內(nèi)部設(shè)有短路、過熱及調(diào)整管、

18、安全工作區(qū)等保護(hù)電路，所需外接元件少，使用方便、可靠。本系統(tǒng)中選用7805、7905、7812 和7912。電源供電電路如圖2-7 所示。變壓器輸入220 v 工頻電源，采用全橋整流和電容濾波方式。電壓在整流之后采取大容量的電解電容c10 進(jìn)行濾波，但這并不能抑制來自電源側(cè)的高頻干擾，頻率越高，感抗越大，這也是整流電路后的高頻電容c12不可缺少的原因。穩(wěn)壓器輸出端電容的作用是用來改善暫態(tài)響應(yīng)，使瞬時增減負(fù)載電流時不致引起電壓有較大的波動。圖2-7 電源供電電路原理圖三、控制算法設(shè)計在工業(yè)控制系統(tǒng)中，應(yīng)用最廣泛的控制器是所謂的 pid控制器。pid調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)節(jié)

19、方式。pid調(diào)節(jié)的實質(zhì)是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果用于輸出控制。在實際應(yīng)用中，根據(jù)具體情況，可以靈活地改變pid的結(jié)構(gòu)，取其一部分進(jìn)行控制。 1、模擬系統(tǒng)的pid算法表達(dá)式 在模擬系統(tǒng)中，pid算法的表達(dá)式為： ( 7-1) 式中：p（t）-調(diào)節(jié)器的輸出信號 e(t)-調(diào)節(jié)器的偏差信號，它等于測量值與給定值之差 kp調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) ti-調(diào)節(jié)器的積分時間 td-調(diào)節(jié)器的微分時間2、離散系統(tǒng)的pid算法表達(dá)式 對式（7-1）進(jìn)行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，則積分項和微分項可用求和及增量式表示：（7-2）（7-3） （1）位置型

20、pid控制算式 將式（7-2）和式（7-3）代入式（7-1），則可得離散的pid表達(dá)式（7-4）式中： t=t-采樣周期，必須使t足夠??； k -采樣序號，k=0，1，2.e（k）、 e(k-1) -第k次和第（k-1）次采樣時的偏差值 p（k）-第k次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出由于式（7-4）的輸出值與閥門開度的位置一一對應(yīng)，因此，通常把式（7-4）稱為位置型pid控制算式。（2）增量型pid控制算式 式（7-4）不僅計算繁瑣，而且為保存e（j）要占用很多內(nèi)存。因此，用該式直接進(jìn)行控制很不方便。做如下改動，根據(jù)遞推原理，可寫出（k-1）次的pid輸出表達(dá)式： 用式（7-4）減去式（7-5），可得：

21、（7-6）式中： ki=kpt/ti -積分系數(shù) kd=kptd/t -微分系數(shù)由（7-6）可知，要計算k次輸出值p（k），只需知道p（k-1），e（k-1），e（k-2）即可 。 在很多控制系統(tǒng)中，控制機(jī)構(gòu)采用的是步進(jìn)電機(jī)或多圈電位器，所以只要給出一個增量信號即可。式（7-4）與式（7-5）相減得：（7-7）式中 kp 、kd同式（7-6）。式（7-7）叫增量型pid控制算式。（3）計算機(jī)實現(xiàn)pid控制原理圖1、位置型pid算法的程序設(shè)計 由式（7-4）可寫出k次采樣時pid的輸出表達(dá)式（7-9） 式中：ki 、kd同式（7-6） 思路：將三項拆開，并應(yīng)用遞推進(jìn)行編程 設(shè)比例輸出：pp (k

22、)=kp e(k)積分項輸出： 微分項輸出： 所以，式（7-9）可寫為 （7-10）該式即為離散化的位置pid編輯公式。其流程圖如下圖所示， 2、增量型pid算法的程序設(shè)計 由式（7-7），設(shè)代入式（7-7）得（7-11）此即為離散化的增量型的pid編程表達(dá)式。增量型pid算法程序流程圖，如下圖所示四、軟件設(shè)計1.控制系統(tǒng)總流程 本電飯煲控制系統(tǒng)操作簡單方便，安全可靠。實現(xiàn)了8051單片機(jī)自動控制。采用人工操作啟動，啟動后定時加熱。加熱完成后系統(tǒng)自動啟動驅(qū)動電路，驅(qū)動蜂鳴器報警。而后系統(tǒng)自動切斷電源?？刂葡到y(tǒng)總流程圖如下圖4-1所示：2. 8051單片機(jī)定時系統(tǒng) 8051單片機(jī)有t0和t1兩個

23、內(nèi)部定時器/計數(shù)器。每個定時器/計數(shù)器都屬于特殊功能寄存器，to由高8位th0和低8位tl1組成。因此，t0和t1均可以通過字節(jié)傳送指令為他們分別設(shè)置初值，以獲得不同定時時間和所需要的記數(shù)值。mov 30h,#00h mov 31h,#00h main: mov 31h,#300 loop: lcall delay1s inc 30h djnz 31h,loop . . delay1s: mov r5,#20 dl0: mov r6,#20 dl1: mov r7,#248 djnz r7,$ djnz r6,dl1 djnz r5,dl0 ret . . 單片機(jī)初始化加熱？發(fā)送加熱命令定時加

24、熱是否完成？報警自動切斷電源結(jié)束開始yynn圖4-1 電飯煲控制系統(tǒng)總流程圖五、總結(jié)與體會 經(jīng)過兩周的單片機(jī)課程設(shè)計，終于完成了我的電飯煲的系統(tǒng)設(shè)計，雖然沒有完全達(dá)到設(shè)計要求，但心底還是禁不住喜悅。微機(jī)課程設(shè)計的一個重要功能，在于運(yùn)用學(xué)習(xí)成果，檢驗學(xué)習(xí)成果。運(yùn)用學(xué)習(xí)成果，把課堂上學(xué)到的系統(tǒng)化的理論知識，嘗試性地應(yīng)用于實際設(shè)計工作，并從理論的高度對設(shè)計工作的現(xiàn)代化提出一些有針對性的建議和設(shè)想。檢驗學(xué)習(xí)成果，看一看課堂學(xué)習(xí)與實際工作到底有多大距離，并通過綜合分析，找出學(xué)習(xí)中存在的不足，以便為完善學(xué)習(xí)計劃，改變學(xué)習(xí)內(nèi)容與方法提供實踐依據(jù)。在本次設(shè)計的過程中，我發(fā)現(xiàn)很多的問題，雖然以前沒有做過這樣的設(shè)計但這次設(shè)計讓我長進(jìn)了很多，微機(jī)課程設(shè)計重點(diǎn)就在于控制算法的設(shè)計，需要有很巧妙的程序算法，有好多的東西，只有我們?nèi)ピ囍隽?，才能真正的掌握，只學(xué)習(xí)理論有些東西是很難理解的，更談不上掌握。 從這次的課程設(shè)計中，我真真正正的意識到，做什么事情，都要對認(rèn)真，既然是該你做的事，肯定是你應(yīng)該有這個能力，即使能力不夠，也是應(yīng)該借這個機(jī)會來培養(yǎng)。所以放心大膽地做，對自己有信心，就有動力。有人說，世上的事就怕認(rèn)真二字。確實，做什么，只是認(rèn)真地去做，踏踏實實，戒躁戒躁，靜靜地思考，慢慢地進(jìn)步，真的是天下無難事。在以后的學(xué)習(xí)中