爐溫控制系統(tǒng)設計

哈爾濱華德學院本科畢業(yè)設計（論文）黑龍江東方學院本科畢業(yè)論文（設計）緒論課題背景隨著社會發(fā)展不斷進步，人們生活水平不斷提高，越來越多的人開始不僅僅滿足于溫飽水平。生活中也出現(xiàn)了越來越多的智能便捷產(chǎn)品，就比如身邊的熱水使用，多年以前我們?nèi)粘Ｉ钪械臒崴蠖喽际遣捎妹禾繜瑤缀趺總€家庭每天都要使用煤球燒熱水以供日常所需。這種獲取熱水方式的方式十分麻煩，同時對于熱水的保存也非常不方便，經(jīng)常是早上燒的熱水到了下午或者晚上就涼了，熱水的使用非常不便。同時煤炭燒水的方式對于空氣的污染也是比較嚴重的，我們都知道現(xiàn)在社會最關注的問題就是空氣質(zhì)量問題，采用煤炭熱水會產(chǎn)生一些物污染氣體導致城市空氣質(zhì)量變差。在這種情況下，基于電加熱的電熱爐在市場上就十分受歡迎，隨著科技的發(fā)展越來越多的設備都開始基于智能控制，這些設備上配有電子控制板用來實現(xiàn)智能控制。電熱爐也不例外，現(xiàn)有的電熱爐可以通過溫度傳感器檢測水位，通過經(jīng)過控制器發(fā)出信號控制加熱設備進行熱水，并且在水溫達到設定溫度之后自動關閉加熱，如此循環(huán)起到恒定水溫的功能。這種智能化的電熱爐在市場上的需求十分巨大，尤其是在我國北方地區(qū)，由于北方地區(qū)冬季比較寒冷，家庭使用的熱水都需要保溫設備，因為這類智能電熱爐不僅能熱水同時在完成熱水之后還能保溫，以供家庭熱水所求。國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀上世紀我國居民家庭主要熱水方式都是采用煤炭加熱，每家每戶都各自使用煤炭進行熱水以供每天所需。也有一些地區(qū)集中供應熱水，每戶家庭都定期去打熱水，但是這些集中供應熱水的地方同樣也是采用煤炭熱水的。進入21世紀之后，隨后隨著電子科技的不斷發(fā)展，越來越多先進的設備進入到我們的生活，人們開始采用電能熱水，一些小型熱水設備比如熱水棒、熱的快這類小型熱水設備開始風靡市場。這些小型熱水設備在學校宿舍中十分常見，學生大多都采用這類設備熱水，但是這種設備沒有感溫功能，它們只能通電加熱、斷電關閉，很多時間使用者都會忘記關閉熱水設備，這種情況下經(jīng)常會發(fā)生因為水被燒完而引發(fā)火災的現(xiàn)象。隨著單片機技術的不斷成熟，現(xiàn)在幾乎所有的家用電器設備都在單片機的控制下運行，新型的熱水設備電熱爐也是如此，電熱爐可以實現(xiàn)實時檢測水溫，得到設定水溫后立刻關閉加熱，以避免長時間熱水消耗電能和導致意外情況的發(fā)生。同時電熱爐的加熱溫度是可以通過用戶設定的，用戶可以根據(jù)喜好自行設定加熱溫度，電熱爐會自動實現(xiàn)水溫的保溫功能。同時大多數(shù)的電熱爐還有節(jié)能模式，可以調(diào)節(jié)加熱功率，進行省電模式工作，這也符合當前電器節(jié)能的需求。新型基于單片機的電熱爐在未來市面應該具有一定的發(fā)展?jié)摿?，相信不在不久的將來會占用市場。主要研究?nèi)容本設計主要實現(xiàn)功能：本設計主要實現(xiàn)電熱爐的自動熱水功能，整個控制系統(tǒng)以89C51單片機為控制核心，采用防水型溫度傳感器DS18B20采集水溫數(shù)據(jù)傳輸給單片機以檢測水溫，同時通過LCD1602液晶顯示屏將設定水溫和檢測水溫顯示出來，并且配有按鍵可以供用戶自行設定加熱的水溫。系統(tǒng)還要一個規(guī)律調(diào)節(jié)功能，采用可控硅模塊驅(qū)動電熱棒，同時可以用單片機程序控制電熱棒的開啟功率，來實現(xiàn)調(diào)功加熱功能。本設計主要研究內(nèi)容：為了實現(xiàn)該控制系統(tǒng)的功能，首先調(diào)查市面上的各類電熱爐的控制方式和產(chǎn)品功能，總結(jié)市面上現(xiàn)有電熱爐的優(yōu)勢以及它們的缺點。然后根據(jù)預期的設計要求設計電路圖，同時學習并且應用傳感器技術，設計出以51單片機為控制核心并且結(jié)合溫度傳感器的控制系統(tǒng)電路圖。然后開發(fā)基于C語言的單片機控制程序，最終進行軟硬件聯(lián)合調(diào)試，測試控制系統(tǒng)功能是否達到預期要求，在完善控制功能之后長時間運行持續(xù)運行系統(tǒng)，以驗證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)方案設計上一章介紹了本設計的開發(fā)背景和意義，同時也介紹了本設計的具體研究內(nèi)容。為了實現(xiàn)本設計的系統(tǒng)控制功能，首先分析系統(tǒng)的功能要求。然后選擇構(gòu)建出系統(tǒng)的硬件框圖，接著選擇合適的電子元器件和模塊來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。系統(tǒng)硬件框圖如圖2-1所示，系統(tǒng)硬件可以分為幾大模塊，各模塊與主控單片機之間的關系如下圖所示。具體包括了以下模塊：電源輸入模塊、溫度傳感器模塊、按鍵檢測模塊、液晶顯示模塊、可控硅驅(qū)動模塊。圖2-1系統(tǒng)硬件框圖各功能模塊本小節(jié)詳細介紹了各個模塊在電路中的功能，只有各個模塊的功能組合在一起，才能完成整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。電源輸入模塊：通過輸入5V直流電源來給系統(tǒng)供電，可以通過USB直接將電源連接到電腦USB口上，另外220V交流電壓提供給可控硅模塊，用于驅(qū)動電爐工作。溫度檢測模塊：采用防水型溫度傳感器DS18B20，將傳感器置于水中檢測溫度，將溫度信息發(fā)送到單片機內(nèi)部進行處理，從而實現(xiàn)系統(tǒng)對溫度信息的實時監(jiān)控。按鍵檢測模塊：通過按鍵設定加熱水溫，實現(xiàn)水溫可調(diào)功能。液晶顯示模塊：本設計的水溫信息和設定溫度信息通過液晶顯示模塊來顯示，用戶可以通過液晶顯示模塊來觀察當前電爐水溫信息。單片機模塊：51單片機模塊作為系統(tǒng)的控制核心，接收來自傳感器、按鍵的輸入信息，這些信息通過程序處理分析之后驅(qū)動單片機輸出信號開啟/關閉電爐。加熱設備：當設定水溫低于檢測水溫時，控制系統(tǒng)將會啟動電爐實現(xiàn)水溫升高的功能；當設定水溫高于檢測水溫時，控制系統(tǒng)將會自動關閉電爐。單片機選擇單片機有著琳瑯滿目的種類，在設計之前我也通過查詢資料進行比對，在自己能力范圍內(nèi)選擇合適的單片機型號。之前的學習中我們學習的是ATMEL公司生產(chǎn)的51型芯片，但這次設計我選擇臺灣宏晶公司生產(chǎn)的STC89C51單片機。下文就向大家介紹其特點與AT系列單片機的區(qū)別。STC和AT型號的單片機相比較，其性能更穩(wěn)定，功能更強大，運行速度更迅速；STC89C51單片機的可編程Flash存儲器內(nèi)存只有4K，而STC型號具有8K，相對而言可以帶更多的負載。另外的方面AT系列的需要專門的下載器才能寫程序，而STC系列的用串口線就可以進行下載，許多的電子設計大賽都用的STC作為主要元器件。除了上述儲存器以外，STC單片機還具有SRAM、UART、SPI、PWM等模塊。溫度傳感器介紹本設計選擇溫度傳感器方面考慮到了以下幾種傳感器，第一種是DS18B20一體式溫度傳感器，這種溫度傳感器只有3線接口，而且器件的體積很小，使用電路也十分方便，只需要給DS18B20溫度傳感器供電就可以從傳感器信號線輸出溫度信號。第二種是NTC熱敏電阻，這類溫度傳感器的感應溫度的原理就是它本身是一個可變電阻器，NTC熱敏電阻的阻值會隨著溫度的改變也發(fā)生變化。我們只需要將NTC熱敏電阻和一個電阻建立分壓電路，將分壓電壓傳輸給單片機進行識別電壓，就可以得知當前NTC熱敏電阻的阻值大小。然后通過查表可以找到NTC熱敏電阻當前阻值對應的溫度值，這樣就可以實現(xiàn)通過NTC熱敏電阻測試溫度的功能。第三種是熱電偶傳感器，一般K型熱電偶比較常見。熱電偶作為感溫器件，可以直接測量溫度，熱電偶可以在回路中產(chǎn)生熱電動勢，利用單片機控制系統(tǒng)將熱電動勢轉(zhuǎn)換成溫度值就可以實現(xiàn)溫度檢測。結(jié)合以上三種溫度傳感器的分析，考慮到整個溫度檢測過程的便捷性和程序控制的方便行，本設計采用一體式溫度傳感器DS18B20，同時因為本設計采集的是水溫，所以選用防水型的溫度傳感器。DS18B20溫度傳感器相比于其他兩種傳感器還有著價格低廉的優(yōu)勢，同時在溫度檢測電路的設計上也比其他兩種傳感器方便很多，DS18B20傳感器只需要3根線，其中2個電源線分別連接VCC和GND，剩下的一根線為信號輸出線，直接輸出溫度信息傳輸給單片機檢測溫度。DS18B20溫度傳感器的程序識別使用讀取時序來實現(xiàn)的，檢測程序過程并不需要用到AD轉(zhuǎn)換模塊，不像NTC熱敏電阻的檢測過程還需要用到AD轉(zhuǎn)換模塊。因為89C51單片機沒有內(nèi)部AD模塊，因為如果采用NTC熱敏電阻檢測溫度的話還需要外部設計ADC轉(zhuǎn)換芯片，這不僅增加了電路設計成本同時也增大了設計開發(fā)難度。所以我們在設計過程中放棄了NTC溫度傳感器從而采用DS18B20溫度傳感器，這種傳感器的信號識別不需要特殊的IO口，用51單片機的普通IO口就可以識別，傳感器應用電路十分簡單。DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例:用16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以0.0625℃/LSB形式表達，其中S為符號位，見圖2-2。圖2-2DS18B20內(nèi)部溫度表示形式根據(jù)DS18B20通信協(xié)議，主機必須控制DS18B20完成三步溫度轉(zhuǎn)換：在每次讀寫之前將DS18B20復位，在復位之后發(fā)送ROM命令，最后發(fā)送RAM指令以便可以使DS18B20操作。為了復位，主CPU必須下拉數(shù)據(jù)線500微秒，然后釋放它。接收到信號后，DS18B20等待約16至60微秒，然后發(fā)出60至240微秒的低脈沖，這是重置成功的信號。DS1820的注意事項盡管DS1820具有以下優(yōu)點：溫度測量系統(tǒng)簡單，溫度測量精度高，連接方便以及電源線使用量低，但在實際應用中應考慮硬件成本較低需要相對復雜的補償軟件。為了在DS18B20與微處理器之間進行串行數(shù)據(jù)傳輸，在讀寫DS18B20時，必須嚴格保證讀寫同步，否則將不會讀取溫度測量結(jié)果。當使用PL/M，C和其他高級系統(tǒng)語言同步時，DS18B20的程序讀取也十分方便，簡單來說就是通過DS18B20的特定時序去讀取數(shù)據(jù)，這些檢測得到的溫度信息會分布在特定的序列中，只要程序讀取得到這些數(shù)列之后取出溫度所在的數(shù)據(jù)位置，就可以得到溫度數(shù)據(jù)，然后可以將溫度數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管或者LCD液晶顯示屏上，這樣就可以完成溫度傳感器檢測溫度并且顯示溫度的功能。本設計因為需要檢測水溫，為了能夠保證水溫檢測的精準性，需要將溫度傳感器放入水中進行測溫，因此需要采用防水性型的溫度傳感器。DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和DS18B20內(nèi)部功能模塊如圖2-3所示。圖2-3DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部功能模塊圖可控硅介紹可控硅最為一種大電流驅(qū)動器件，其可以驅(qū)動一些電流大的元器件，它在單片機、PLC等控制系統(tǒng)的指令下進行去大功率設備驅(qū)動?？煽毓璺Q為晶閘管，它可以分為單向晶閘管和兩向晶閘管，可以直接驅(qū)動220V大功率交流設備?？煽毓柘啾扔诶^電器，它的優(yōu)點是控制電路簡單，元器件體積小同時不會像繼電器那么工作時因為繼電器吸合而發(fā)出聲音?？煽毓柙诠ぷ鲿r如果超過可控硅的最大功率，那么也會使得可控硅工作時出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，長時間超功率運行會導致可控硅發(fā)熱甚至燒壞的現(xiàn)象，因為在選擇可控硅型號時同樣也要考慮可控硅的最大功率?？煽毓柽€有一個比繼電器有優(yōu)勢的地方在于，可控硅作為一種無觸點的開關器件，它不僅可以在工作開關時沒有聲音，同時這種無觸點的開關可以實現(xiàn)高速開關，可以配合大功率設備的調(diào)功率功能?？煽毓柙谡{(diào)功率的時候需要配合過零檢測電路，因為不管什么型號的可控硅都有一個特性，就是可控硅在伴隨交流電壓經(jīng)過零點時會自動關閉，此時可控硅會自動關閉。因此需要控制系統(tǒng)不斷發(fā)出開啟可控硅的指令，同時在經(jīng)過零點可控硅自動關閉只有，經(jīng)過多久打開可控硅，這個時間就是影響著可控硅的導通率，從而影響著設備的功率大小。只要通過控制系統(tǒng)去調(diào)節(jié)這個導通時間就可以實現(xiàn)對設備的功率調(diào)節(jié)功能?？煽毓韪鶕?jù)不同功率而分成不同類別的封裝，常見的可控硅封裝有T0-220、DAK、和TO-92封裝，一般而言TO-92封裝的可控硅功率最小，TO-220封裝的可控硅功率較大，同時在可控硅驅(qū)動大功率設備時候通常我們會給可控硅加上散熱片，這樣保證可控硅的工作溫度不超溫，以保證可控硅正常運行，避免可控硅燒壞從而使得控制系統(tǒng)失去功能。平時我們都使用單向晶閘管，通常稱為普通晶閘管，它是由四個半導體材料層組成，含有三個PN結(jié)和三個外部電極組成：P型半導體的第一層提取物被稱為陽極A，類型P的第三層半導體的電極被稱為控制電極G，并且第四層的N型半導體引出的電極被稱為陰極K。在晶閘管電路的符號中可以看出，它是類似于二極管的單向?qū)щ娖骷?，由于在其中添加了一個控制電極G，使其性能完全不同于二極管的特性。P1N1P2N2基于硅單晶的三層四層器件，創(chuàng)建于1957年，因為其特性類似于真空晶閘管，所以在世界范圍內(nèi)被稱為硅晶體閘流管，簡稱為晶閘管T。圖2-4可控硅實物圖SCR晶閘管的工作原理是P1N1P2N2的三端四層結(jié)構(gòu)組件，含有3個PN合并。分析原理時它是由PNP管和NPN管組成效果圖在下圖所示。雙通道晶閘管是硅整流器，也稱為雙向可控硅。該裝置可以對電路中的交流電流進行非接觸式監(jiān)測，以小電流控制大電流，具有無火花，運行速度快，壽命長，可靠性高，電路結(jié)構(gòu)簡化等優(yōu)點。外部是一個類似于普通晶閘管的兩通道晶閘管，具有三個電極。但是，除了其中一個電極G也稱為控制電極之外，其他兩個電極通常不再稱為陽極和陰極，而是統(tǒng)稱為主電極T1和T2。其符號也不同于普通晶閘管，普通晶閘管是通過將兩個晶閘管倒置而形成的。在中國，其型號通常稱為“3CTS”或“KS”，而國外也有用“TRIAC”表示的。雙向晶閘管電極的規(guī)格，型號，形狀和布局因制造商而異，但是大多數(shù)電極按T1，T2和G的順序從左到右放置。圖2-5可控硅內(nèi)部機構(gòu)圖本章小結(jié)本章首先整體介紹了整個控制系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)，通過框圖方式體現(xiàn)了各個硬件模塊之間的關聯(lián)方式，還介紹了硬件電路中各個模塊的功能。同時分章節(jié)詳細介紹了單片機、溫度傳感器以及可控硅的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在了解完設計所需要用到的元器件之后，才能更好地將這些元器件應用在電路中，然后通過單片機去控制這些器件實現(xiàn)系統(tǒng)功能。系統(tǒng)硬件設計本章詳細介紹了爐溫控制系統(tǒng)的控制電路設計過程，本章分成多個小節(jié)。每個小節(jié)都介紹了不同功能模塊的電路設計原理，同時也介紹了該模塊電路設計的思路。主要從以下幾個模塊電路設計來分析：主要元器件選型、液晶顯示電路設計、溫度自動控制電路設計、按鍵檢測電路設計、可控硅驅(qū)動電路設計。單片機電路設計本設計選用STC89C51為主控芯片，這款芯片在工作過程中消耗電流小，同時也是8位單片機中性能比較高的微型控制器。該芯片有8K內(nèi)存，一般應用在產(chǎn)品設計上可以滿足程序設計容量。這是一款51內(nèi)核的單片機，51系列單片機在高校的推廣十分給力，目前絕大多數(shù)院校電子專業(yè)的學生都接觸過51系列單片機，因此該單片機的應用度也是十分高的，很多電子設計師從高校畢業(yè)之后參加工作還是選用熟悉的51單片機。51單片機在價格方面也比較有優(yōu)勢，在資源分配置上雖然不如STM系列芯片那種充足，但是應對一般的小產(chǎn)品設計是綽綽有余的，該芯片的腳位也是比較多的。以下從圖3-1可以看到STC89C51的引腳圖。圖3-1STC89C51引腳分配圖STC89C51單片機的時鐘信號來源有兩種：第一種是來自于外部的晶振，第二種是來自于單片機內(nèi)部時鐘。本設計采用外部晶振電路作為時鐘信號，可見如圖3-2所示，只要在單片機的XTAL1引腳和XTAL2引腳引腳外接晶振和電容就可以構(gòu)成自激振蕩器，其產(chǎn)生的信號可以提供給單片機作為時鐘信號。圖3-2最小系統(tǒng)晶振電路圖圖3-3是單片機的外部復位電路，該電路中只要S4按鍵被按下，那么單片機的RST引腳就會變成高電平，此時單片機就會復位。這種復位方式屬于單片機復位中的手動復位，一般在單片機系統(tǒng)死機或者跑飛時候使用，在單片機正常運行狀態(tài)下一般不會使用到該復位按鍵。圖3-3最小系統(tǒng)復位電路圖溫度檢測電路設計本設計的溫度傳感器采用DS18B20，這款溫度傳感器的接線十分方便，封裝成后可以應用于多種場合，根據(jù)場合的不同，外觀也會發(fā)生相應的改變。DS18B20的實物圖可見圖3-4，它的主要技術性能有：1）獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊，電路設計簡單。2）測溫范圍廣以及測溫精度高，其測溫范圍為－55℃～+125℃，固有測溫誤差僅為1℃。3）支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián)8個，實現(xiàn)多點測溫，如果數(shù)量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定。4）工作電源范圍廣，其工作電壓范圍為3.0~5.5V?？梢栽诔Ｒ?guī)3.3V或者5V的單片機工作電壓環(huán)境下運行，適用多款MCU。圖3-4DS18B20外觀圖圖3-5所示的為DS18B20的電路圖，溫度檢測使用的DS18B20模塊采用5V供電，將其數(shù)據(jù)輸出口連到單片機引腳，通過單片機讀取該引腳的信息來識別當前溫度。圖3-5溫度檢測電路圖可控硅驅(qū)動電路設計本設計加熱器件采用220V交流供電的電爐，因為功率較大故選擇可控硅模塊用來驅(qū)動電爐，同時可控硅作為驅(qū)動器件還可以用于調(diào)節(jié)功率大小。我們都知道交流電壓是以正弦波的波形方式變化的，交流電壓的頻率為50赫茲，交流電壓會經(jīng)過零點，這種現(xiàn)象就成為交流過零點。而可控硅的特殊之處就在于當交流電壓過零點時可控硅會自動關閉，此時需要單片機驅(qū)動可控硅重新打開。舉個例子交流電壓每經(jīng)過10ms經(jīng)過一次零點，那么意味著可控硅每過10ms自動關閉一次，如果在這10ms之內(nèi)的每5ms單片機都驅(qū)動可控硅重新開啟的話，那么此時可控硅的開啟功率就為50%，換句話說如果每2ms單片機都驅(qū)動可控硅重新開啟的話，那么此時可控硅的開啟功率就為80%。結(jié)合上述理論，只要單片機輸出電平信號控制可控硅的開啟時間就可以實現(xiàn)可控硅的開閉和關閉，同時還可以控制可控硅的功率調(diào)節(jié)。圖3-6可控硅驅(qū)動電路圖按鍵檢測電路設計本設計一共有3個按鍵用于用戶輸入，這3個按鍵來控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，按鍵分別為：設定水溫+、設定水溫-、功率調(diào)節(jié)。按水溫調(diào)節(jié)按鍵可以設定電爐的控制水溫高低，使得控制系統(tǒng)驅(qū)動電爐加熱水溫至設定溫度。按功率調(diào)節(jié)按鍵可以改變電爐的運行功率，通俗的理解就是電爐的快速加熱和慢速加熱兩種模式。按鍵檢測的原理是建立在按鍵導通和斷開特性上，每個按鍵具有兩個引腳，當按鍵未按下時候兩個引腳是不導通的，當按鍵按下后兩個引腳就會導通。利用按鍵是否導通可以判斷按鍵是否按下，根據(jù)這一特性設計了一個按鍵檢測電路。將按鍵一端接GND，另一端接單片機I/O口，通過程序去讀取該I/O口的電平信息，當按鍵沒有按下時候讀取到的電平信息為高電平。當按鍵按下后此時程序讀取到的電平信息會變成低電平，則可以判斷為按鍵按下。圖3-7按鍵檢測電路圖液晶顯示電路設計本設計的顯示模塊選用LCD1602，這是一種液晶字符顯示屏。就如同它名稱一樣，它能夠同時顯示16x02個字符，換句話說就是32個字符。液晶顯示屏的使用原理就是對其顯示區(qū)域的電壓控制，通過單片機去控制顯示區(qū)域的電壓就可以實現(xiàn)液晶顯示功能。圖3-8是LCD1602液晶顯示屏的實物圖。圖3-8LCD1602實物圖LCD1602的電路圖如圖3-9所示，引腳VL是液晶屏的背光亮度調(diào)節(jié)，通過電阻分壓可以調(diào)節(jié)背光屏的亮度。RS、RW、EN為液晶顯示屏的控制引腳，D0-D7則為液晶顯示屏的數(shù)據(jù)引腳，直接將數(shù)據(jù)引腳連接到單片機P0口引腳上接對應的數(shù)碼顯示端口，寄存器選擇RS，讀寫操作RW，使能信號EN則分別采用P1.0-P1.2進行與軟件相適應，通過單片機發(fā)生顯示內(nèi)容的數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)字符的顯示。圖3-9LCD1602電路圖本章小結(jié)本章分別介紹了單片機最小系統(tǒng)、溫度檢測電路、按鍵按鍵電路、可控硅驅(qū)動電路和液晶顯示電路的設計。分章節(jié)講解了各個電路的設計原理，并且列出了各功能模塊的電路圖，本章節(jié)對控制系統(tǒng)的硬件電路部分做了最詳細的解讀。系統(tǒng)軟件設計在介紹完控制系統(tǒng)的硬件電路之后，本章節(jié)開始介紹控制系統(tǒng)的軟件部分設計。本設計的軟件部分采用C語言作為編程語言，采用Keil軟件作為軟件開發(fā)環(huán)境。軟件部分分模塊編寫，將各個功能模塊封裝成功能子函數(shù)，通過主程序調(diào)用。軟件開發(fā)環(huán)境本設計的主控芯片采用的是STC89C51芯片，編程語言選擇C語言，因為C語言相比匯編更加可讀性而且程序結(jié)構(gòu)比較清晰，方便后期程序修改。最重要的是C語言的移植性比較高，如果日后用到該程序的某一部分，可以省去重復開發(fā)的過程。程序開發(fā)環(huán)境選擇了Keil4。這是一款由美國KeilSoftware公司推出的51系列兼容單片機C語言開發(fā)軟件。它由鏈接器、庫管理、編譯器和仿真調(diào)試器等組成，具有程序調(diào)試、跟蹤及分析等功能。同時Keil4可以在XP、Window7、Window8等主流操作系統(tǒng)上運行，系統(tǒng)兼容性比較好，可以在自己電腦中直接進行編程和調(diào)試。本設計使用的主控芯片為STC系列單片機，支持ISP在線編程。在軟件開發(fā)完成后，Keil4可以生成一個HEX文件。在ISP程序下載軟件上首先選擇好編程所用的單片機型號，然后設置好晶振頻后就可以導入HEX文件，在這些操作完成之后就可以將程序下載到芯片中，程序開發(fā)和下載過程十分方便。主程序流程圖通過分析本設計的功能設計要求，為了實時溫度檢測、溫度顯示、電爐開關控制和電爐功率調(diào)節(jié)功能，本程序程序按照不同功能進行功能子函數(shù)設計，將各個功能模塊的程序封裝成不同的子函數(shù)，然后在主程序中進行函數(shù)調(diào)用。整個系統(tǒng)的程序設計框架如圖4-1所示。圖4-1主程序流程圖液晶顯示子程序設計本設計的液晶顯示子程序設計流程圖如下圖4-2所示，首先在主程序一開始需要初始化LCD，就是在程序中定義LCD的引腳。然后寫LCD指令，選擇LCD中的顯示地址后發(fā)送顯示內(nèi)容，就可以在LCD上顯示所發(fā)送的內(nèi)容。LCD顯示程序中的各個子函數(shù)都封裝成模塊函數(shù)編寫，在用到子函數(shù)時去調(diào)用該函數(shù)，這樣程序結(jié)構(gòu)上十分清晰。圖4-2液晶顯示子程序流程圖以下程序是液晶顯示調(diào)用函數(shù)，主需要在diaplay子函數(shù)中代入需要顯示的內(nèi)容就可以實現(xiàn)在指定位置顯示內(nèi)容。if((j!=85)&&(j<100))i=j;//檢測溫度 display1(i,&sys[0]);//LCD顯示檢測溫度 if(i<sys[0]) { flag=0; LCD_DisStr(0,13,"");//LCD顯示HOT } else//檢測溫度>設定溫度 { flag=mode; LCD_DisStr(0,13,"Hot");//LCD顯示空字符} 可控硅控制子程序設計本設計中可控硅的控制方式為持續(xù)打開可控硅、持續(xù)關閉可控硅、功率調(diào)節(jié)三種方式，因此需要在程序設計中考慮這三個功能。為了實現(xiàn)這3個模式的可控硅驅(qū)動，單片機需要在不同的時刻分別輸出這三種信號波形，第一種為持續(xù)的高電平，第二種為持續(xù)的低電平，第三種為PWM信號輸出。在單片機分析對比設定水溫和檢測水溫之后，單片機輸出特定信號驅(qū)動可控硅，可控硅驅(qū)動子程序流程圖如下圖4-3所示。圖4-3可控硅控制子程序流程圖以下程序是中斷溢出子函數(shù)中驅(qū)動可控硅信號的波形輸出，通過調(diào)節(jié)延時可控硅信號輸出時間就可以實現(xiàn)調(diào)功率功能。TH0=(65536-500)/256;TL0=(65536-500)%256; if(flag==0) jdq=0;//可控硅控制信號加熱關閉 elseif(flag==1) jdq=1;//可控硅控制信號加熱高功率模式 elseif(flag==2) jdq=~jdq;//可控硅控制信號加熱低功率模式按鍵檢測子程序設計按鍵掃描子程序流程圖可見下圖4-4，按鍵掃描實現(xiàn)的過程是整體的思想是檢測按鍵上一個狀態(tài)是否是按下還是松開，再通過10ms的消抖時間，來進行濾波，經(jīng)過判斷按鍵開關是否按下，來執(zhí)行顯示的內(nèi)容。按鍵具有兩個引腳，當按鍵未按下時候兩個引腳是不導通的，當按鍵按下后兩個引腳就會導通。利用按鍵是否導通可以判定按鍵是否按下，根據(jù)這一特性做了一個開關檢測的電路。將按鍵一端接GND，另一端接單片機IO口，通過程序去讀取該IO口的電平信息，當按鍵沒有按下時讀取到的電平是高電平。當按鍵按下后此時程序讀取到的電平信息會變成低電平，則可以判斷為按鍵按下。圖4-4按鍵檢測子程序流程圖以下是按鍵檢測的檢測函數(shù)，通過判斷按鍵電平是否為0來實現(xiàn)對按鍵的判斷，同時按鍵按下后對按鍵判斷做消抖處理，只有消抖處理后才可以認定為該按鍵確實按下，否則就認為該按鍵是抖動造成的，對該次按鍵不進行響應。if(k2==0)//功率調(diào)節(jié)按鍵按下 { delayms(10);//按鍵延時 if(k2==0)//功率調(diào)節(jié)按鍵按下 { if(mode==1)//當前低功率模式 mode=2;//切換成高功率模式 else//當前高功率模式 mode=1;//切換成低功率模式}while(k2==0);//等待按鍵松開}本章小結(jié)本章首先介紹了控制系統(tǒng)的程序開發(fā)環(huán)境，然后介紹了主程序的流程圖，接著分章節(jié)分別介紹了液晶顯示功能子函數(shù)、可控硅控制子函數(shù)和按鍵檢測子函數(shù)的程序流程圖，同時分析了這些功能子函數(shù)的設計原理。測試所有經(jīng)過設計研究產(chǎn)生出來的產(chǎn)品，不經(jīng)過反復的測試都是不可靠的，常規(guī)的測試分為兩個環(huán)節(jié)：硬件調(diào)試與軟件調(diào)試。這兩者共同決定了設計出來的作品是否穩(wěn)定，是否能夠投入實用，而不僅僅是實驗室里的不成熟產(chǎn)品。這兩個測試必須都要進行，缺一不可。軟、硬件共同測試可以更好地檢測不足和設計缺陷，能夠幫助我們在系統(tǒng)設計完整之后找出系統(tǒng)漏洞，只要我們及時完善漏洞作出改進就能實現(xiàn)預期的功能目標。硬件測試首先在硬件電路焊接完成之后需要檢查系統(tǒng)硬件方面的問題。最重要的是要確認線路板上的元器件焊接是否錯誤，器件的焊接接觸點是否良好，是否存在虛焊、漏焊或者短路等現(xiàn)象。詳細的硬件調(diào)試步驟如下：（1）準備好所需元器件，按原理圖用適當?shù)姆椒ㄟM行元件檢測。比如檢查電解電容的的正負極，在焊接之前先分清楚正負極，以免焊錯元器件的正負極對線路板造成損壞。（2）元器件的焊接首先按照原理圖將每個元器件擺放好，按位置及高度排列焊接優(yōu)先級進行焊接。先焊接不容易損壞的元器件，后焊接容易損壞的元器件，在焊集成芯片時要尤其注意，第一要注意芯片安裝時的方向。第二，在焊接時要控制焊接時間，焊接時間不能過長以免導致元器件損壞。第三，要做到及時對芯片進行導通測試，確認焊接無誤。（3）當元器件焊接完成后，我們就可以將程序下載進芯片中，直到程序順利下載進單片機后，硬件調(diào)試部分初步完成，并進行后續(xù)的各項程序功能檢測。系統(tǒng)功能測試軟件調(diào)試就是指利用C語言在Keil等編程軟件進行程序的編寫，在編寫完成后，選擇運行，如程序存在錯誤，檢測錯誤存在點并進行修正，若程序正常運行，將程序下載到線路板的89C52RC單片機中，檢測程序是否能在硬件電路上正確運行，判斷是否達到預設要求。程序的編寫和調(diào)試是整個設計的真正核心，需要很長時間和耐心。因為這不僅僅意味著你對知識程度的掌握，也意味著對個人耐心的嚴重考驗，因為任何其中一個小小錯誤，甚至是不經(jīng)意間大小寫的錯誤，都意味著大量的排除工作和反復的重新測試流程。在本次設計中，經(jīng)過反復的調(diào)試，最終程序能夠很好地控制硬件電路運行，并能夠調(diào)用各子模塊實現(xiàn)相應功能，達到了預期設計要求。最后使用Keil軟件編譯當前文件和編譯全部文件時都無錯誤提示。程序軟件仿真通過。Keil調(diào)試界面如圖5-1所示。圖5-1Keil調(diào)試界面液晶顯示功能測試首先測試LCD顯示功能，給系統(tǒng)上電，通電之后LCD1602上出現(xiàn)字符顯示。分別顯示設定的加熱溫度和當前的檢測溫度，如果當前在加熱的話就不會出現(xiàn)HOT字符，代表當前加熱棒正在工作，如果HOT字符顯示那么就代表當前加熱棒沒有工作。按鍵操作功能測試在屏幕顯示正常之后，開始測試系統(tǒng)的按鍵功能。分別按鍵可以改變系統(tǒng)的設定溫度，通過按鍵將系統(tǒng)的設定溫度調(diào)整到40度，可見圖5-3所示，當前系統(tǒng)的設定溫度為40攝氏度。溫度控制功能測試設置好加熱溫度之后，此時檢測到的環(huán)境溫度低于設定溫度，所以加熱棒開始工作。在加熱棒工作期間溫度傳感器持續(xù)采集溫度，當檢測溫度得到設定溫度之后，加熱棒停止工作。當檢測溫度又低于設定溫度之后，加熱棒又重新開啟工作。本章小結(jié)本章節(jié)測試和驗證了系統(tǒng)功能，分別測試了系統(tǒng)的溫度顯示功能、按鍵檢測功能和溫度控制功能?？梢姳菊鹿?jié)內(nèi)容，經(jīng)過測試之后爐溫控制系統(tǒng)的各個模塊功能都達到了要求需要，在測試完成之后可以說明該控制系統(tǒng)的開發(fā)已經(jīng)基本成功。結(jié)論至此本設計的工作內(nèi)容已經(jīng)全部完成，經(jīng)過這一段時間的畢業(yè)設計，我掌握了硬件電路設計和程序編寫，對于我專業(yè)知識的鞏固有很大幫助。在設計過程中也有很多麻煩事，在電路設計中由于網(wǎng)絡線連接錯誤而導致的硬件問題起初并沒有發(fā)現(xiàn)，導致我在程序調(diào)試中遇到莫名其妙的異常。多次檢測程序之后還是不能發(fā)現(xiàn)問題出在什么問題，后來在同學的提示下把關注點轉(zhuǎn)移到硬件上，才發(fā)生時硬件電路的連接錯誤導致的?？梢娪布娐返臏y試也是非常重要的，其實在設計過程中每一步都不能放錯誤，最好是設計完一個模塊之后首先測試驗證該模塊的電路、程序是否正常，確保正常之后再進行其他模塊的開發(fā)，這樣的開發(fā)模式可以保證各模塊都處于正常狀態(tài)，整體的系統(tǒng)開發(fā)就不會有其他異常情況出現(xiàn)。此次設計的蘑菇房監(jiān)控系統(tǒng)的功能基本達到了預期效果，同時在整個設計過程中我對對于硬件和軟件的理解也更深入了，只有整合了這些設計原理和設計技巧才能保證我們今后在電子設計過程中可以做到少放錯誤、不放錯誤，做到更加嚴謹，只有這樣我們設計出的產(chǎn)品功能、質(zhì)量可靠性才能有保證。經(jīng)過這段時間的研究，本設計成功開發(fā)出了一款基于51單片機的爐溫控制系統(tǒng)，相比于市面上的傳統(tǒng)的水溫加熱設備，本系統(tǒng)具有溫度設定和功率調(diào)節(jié)功能，可以根據(jù)用戶輸入開啟/關閉系統(tǒng)功能。同時本設計的難點在于可控硅器件的應用和程序控制，由于本設計采用220V交流電壓的電爐加熱設備，因此考慮多方面之后最終確定選用可控硅作為驅(qū)動器件。通過程序控制可控硅驅(qū)動電爐開啟和關閉，同時輸出PWM波形信號調(diào)節(jié)電爐功率。本設計也考慮到了一些安全問題，由于控制系統(tǒng)需要檢測水溫，所以設計所采用的溫度傳感器必須放置在水中才能確保檢測精準，所以本設計選取了防水型DS18B20溫度傳感器，在防水的同時也確保了控制系統(tǒng)安全性，避免了因為傳感器漏水導電而引發(fā)短路漏電等現(xiàn)象。不過本設計中也存在一些不足之處，設計所使用的可控硅的