微电脑控制药膳煲的控制部分设计毕业设计 精品.docx

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微电脑控制药膳煲的控制部分设计毕业设计精品

编号

本科生毕业设计（论文）

题目：

微电脑控制药膳煲

的控制部分设计

物联网工程学院电子信息工程专业

二〇一三年六月

摘要

近年来，随着国家政策法规的扶持，以及人们对生活质量的追求逐渐增高，以自然疗法为特点的中医药文化受到越来越多人的关注，尤其是食疗养生，以其独特的优势在人们的日常生活中逐渐占据了一定地位.这使得食具药膳煲逐渐成为家庭不可缺少的电器设备.由于用单片机设计的产品具有体积小、价格低、功能全、应用灵活等特点，所以单片机得到了不断的向前发展.

本文主要研究用单片机技术设计一种药膳煲的定时控制，要求能达到产品规定的功能.首先，介绍了药膳煲及单片机的概念和关键技术，说明了单片机技术在药膳煲控制系统中的应用优势.其次，在分析药膳煲控制系统的特点与需求的基础上，设计一种微电脑控制药膳煲的控制系统，然后分析了系统中使用的电源电路，复位电路，保护电路.最后利用美国ATMEL公司生产的AT89C52单片机设计一个控制系统.实现的功能是：

用单片机电路和程序来控制烧煮的温度和时间，通过按键进入中断，有几档时间设定，工作状态分为煲煮和保温，前后工作温度范围不同，模拟传统熬药过程中的大火加热与文火慢煮，达到充分释放食材中药分的效果，同时数码管显示设定时间与剩余时间.

关键词：

单片机；模块化C语言程序；温度控制；药膳煲

ABSTRACT

Inrecentyears,withthesupportofnationalpoliciesandregulations,aswellasthepeopletothepursuitofqualityoflifeisgraduallyincreased,tothenaturaltherapyforTCMculturecharacteristicsaremoreandmorepeople'sattention,especiallydietregimen,withitsuniqueadvantagesinpeople'sdailylifegraduallyoccupyacertainposition.Thismakesthetablewaremedicatedpotgraduallybecometheelectricalequipmentfamilyindispensable.Duetotheuseofsingle-chipdesignofproducthasthecharacteristicsofsmallvolume,lowprice,completefunctions,flexibleapplication,sothechiphasbeeninconstantdevelopment.

Thispaperstudiesthetimingcontrolofthemicro-controllertechnologytodesignaDietpot,toachievetheproduct'sspecifiedfunction.Firstofall,Dietpotandmicro-controllerconceptsandkeytechnologies,theapplicationadvantagesofthesingle-chiptechnologyintheDietpotcontrolsystem.Secondly,onthebasisofanalysisofthecharacteristicsandneedsoftheDietpotcontrolsystem,thedesignofamicrocomputercontrolDietpotcontrolsystem,focusingonthearchitectureofthesystemproposedkeymodule,temperaturedetectionmodule,digitaldisplaymodule,powermoduleandThedesignrequirementsofthepowerdevicecontrolmodule,andthenanalyzethepowersupplycircuitusedinthesystem,resetcircuit,protectioncircuit.Finally,usetheUnitedStatesATMELAT89C52micro-controllertodesignacontrolsystem.Thefunctionsare:

single-chipcircuitandprocedurestocontrolthecookingtemperatureandtime,interruptbuttontoenterthefiletimesettingworkstateisdividedintothepottocookandinsulation,beforeandaftertheoperatingtemperaturerangetosimulatethetraditionaldecoctmedicinalherbsthefireintheprocessofheatingandsimmer,toachievefullreleaseoftheeffectoftheingredientsofChinesemedicine,digitaltubedisplaysettingtimeandremainingtime.

Keywords:

Micro-controller;modularClanguageprogram;temperaturecontrol;medicinalcooker

第1章绪论

1.1课题背景

1.1.1课题来源与意义

市场上已有微电脑控制药膳煲的产品销售及功能介绍，本课题是根据微电脑控制药膳煲的原理，选用STC89C52单片机（市场上的全自动药膳煲不使用该单片机，由于比较熟悉MCS-51系列单片机，故选用该单片机）对药膳煲的控制电路及软件编程进行设计，要求能达到产品规定的功能.微电脑控制药膳煲由单片机作为控制器，加上温度检测电路、数码显示电路、电源电路及功率器件控制电路，控制程序用C语言编写.

1.1.2药膳煲的简介

药膳起源于我国的中医食疗文化与传统饮食习俗.它是在烹饪学、中医药学等理论指导下，采用我国独特的饮食烹调技术和现代科学方法，严谨依照配方，把中药与一些有药用价值的食物互相混合制作而成的一种美食.它既将药物作为食物，又将食物赋以药用，药借食力，食助药威，药食同源，相辅相成，相得益彰；药膳既具有较高的营养价值，又可保健强身、延年益寿.

我国的中草药具有药性平和、副作用小、滋补性强等优点，已被国内外广大患者所接受.近年来，随着国家政策法规的扶持，以及人们对生活质量的追求逐渐增高，以自然疗法为特点的中医药文化受到越来越多人的关注，尤其是食疗养生，以其独特的优势在人们的日常生活中逐渐占据了一定地位.然而中草药的煎熬是一件麻烦的事.这使得食具药膳煲逐渐成为家庭不可缺少的电器设备.

1.2研究内容

药膳煲的内部多采用微电脑控制电路，这使得改变药膳煲火候和煎煮时间程序十分便捷，时间控制十分容易.许多硬件功能都可由软件取代，使电路及机械控制部分大大简化.由单片微电脑控制的药膳煲除了功能齐全外，还有一个重要的特点就是各种功能及程序进行过程中的各种状态都由显示器件显示出来.增加了这些显示器件后，除进一步完善药膳煲的功能外，还能美化药膳煲的外观造型，为使用者的操作提供方便[1].

1.3拟采用的研究方法

先复习单片机MCS-51系列的硬件构成及命令系统，分析研究微电脑控制药膳煲控制电路的功能要求.再进行方案设计，包括组成电路、器件选择等.然后绘制出使用STC89C52单片机的控制电路图，进行软件框图设计和编写控制程序.要求电路设计和软件编程均能达到微电脑控制药膳煲规定的功能要求.

第2章相关知识及原理介绍

2.1药膳煲工作原理

微电脑控制药膳煲是一种自动进行长时间煎药或煲汤的锅，上面是锅体，可以分离，下面是加热及控制盘.加热功率为300W，保温功率为100W.用单片机电路和程序来控制烧煮的温度和时间.烧煮时间可设定为120分钟、180分钟或任意选择（在60~240分钟之间，为30分钟的倍数）三种方式.烧煮开始后，前一小时为达到沸腾和保持沸腾状态，此后为文火加热状态，到达规定的烧煮时间后蜂鸣器会报警并自动进入保温状态.控制面板上有4个功能选择按键（分别为：

选择键、120分键、180分键和清零键），还有6位数码管进行显示所设定的烧煮时间和剩余烧煮时间（以分钟为单位）.

2.2单片机介绍

单片机是在一个硅片上集成了中央处理器（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存储器（RAM）和各种输入/输出接口、定时器/计数器、串行通信口以及中断系统等多种资源，这样的一个集成电路就构成了一个完整的微型计算机.因为它的结构及功能是按照工业过程设计的，所以单片机也被称为微控制器（Micro-controller）[2].

2.3单向可控硅介绍

单向可控硅是一种可控整流电子元件，能在外部控制信号作用下由关断变为导通，但一旦导通，外部信号就无法使其关断，只能靠去除负载或降低其两端电压使其关断.单向可控硅是由三个PN结PNPN组成的四层三端半导体器件.与具有一个PN结的二极管相比，单向可控硅正向导通受控制极电流控制；与具有两个PN结的三极管相比，差别在于可控硅对控制极电流没有放大作用.

2.3.1单向可控硅的工作原理

可控硅关断的条件：

降低或者去掉加在可控硅阳极和阴极之间的正向电压，使阳极电流处于最小维持电流以下.可控硅导通的条件：

一是可控硅阳极和阴极之间必须加正向电压，二是控制极也需加正向电压.只有以上两个条件同时满足时，可控硅才会处于导通状态.此外，可控硅一旦处于导通状态后，即使降低了控制极电压或者去掉控制极电压，可控硅仍然导通.

2.3.2单向可控硅的使用注意事项

　选用可控硅的额定电压时，应参考实际工作条件下的峰值电压的大小，并留出一定的余量.

（1）选用可控硅的额定电流时，除了考虑通过元件的平均电流外，还应注意正常工作时导通角的大小、散热通风条件等因素.在工作中还应注意管壳温度不超过相应电流下的允许值.

（2）使用可控硅之前，应该用万用表检查可控硅是否良好.发现有短路或断路现象时，应立即更换.

　　（3）严禁用兆欧表（即摇表）检查元件的绝缘情况.

　　（4）电流为5A以上的可控硅要装散热器，并且保证所规定的冷却条件.为保证散热器与可控硅管心接触良好，它们之间应涂上一薄层有机硅油或硅脂，以帮助良好的散热.

　　（5）按规定对主电路中的可控硅采用过压及过流保护装置.

　　（6）要防止可控硅控制极的正向过载和反向击穿.

2.4继电器介绍

继电器是一种自动和远距离操纵用的电器，广泛地应用于电力系统保护、生产过程自动化及各类自动、远动、遥控、遥测和通信等自动化装置中，起着控制、检测、保护和调节的作用，是现代电气自动化系统中最基本的器件之一.它的功能是当输入激励量达到规定要求时，在电气输出电路中，被控参量发生预定阶跃的编号的一种自动电器.当输入量（如电压、电流、温度等）达到规定值时，继电器被所控制的输出电路导通或断开[3].

　　输入量可分为电气量与非电气量两大类.其中电气量指电压、电流、功率、频率等，非电气量指压力、温度、速度等.

　　由于继电器具有许多优点，例如工作稳定、动作迅速、使用时间长、体积小等，所以被广泛应用于自动化、运动、电力保护、通信、遥控和测量等装置中.

2.4.1继电器的工作原理和特性

电磁继电器一般由感应机构、变换机构、比较机构和执行机构组成.感应机构是线圈；变换机构是电磁系统，包括铁心、衔铁、轭铁和线圈；比较机构是反力系统，主要包括反力弹簧和簧片；执行机构是导电接触系统（主要指触点），多为簧片结构.只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合.当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放.通过这样吸合、释放的过程，从而达到了控制在电路中的导通、切断的目的.对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：

“常开触点”是继电器在线圈没有通电情况下处于断开状态的静触点；“常闭触点”是处于接通状态的静触点[4].

2.4.2继电器的作用

（1）扩大控制范围：

例如，多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通几路甚至十几路电路.

（2）放大：

例如，灵敏型继电器、中间继电器等，用一个很微小的控制量，可以控制很大功率的电路.

　　（3）综合信号：

例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过比较综合，达到预定的控制效果.

　　（4）自动、遥控、监测：

例如，自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行.

2.4.3继电器的技术参数

（1）额定工作电压：

是指继电器线圈需要的正常工作电压.可以是直流电压，也可以是交流电压，这取决于继电器的型号.

（2）直流电阻：

是指继电器中线圈的直流电阻，可以使用万能表测量得到具体数值.

　　（3）吸合电流：

是指在正常使用中继电器能够产生吸合动作的最小电流.为了让继电器稳定工作，给定的电流必须略大于吸合电流.为了不因大电流烧毁线圈，给线圈加的工作电压一般不会超过1.5倍额定工作电压.

　　（4）释放电流：

是指继电器释放动作的最大电流.当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时（电流远远小于吸合电流），继电器就会恢复到未通电的释放状态.

　　（5）触点切换电压和电流：

是指继电器允许加载的电压和电流.它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点.

2.4.4继电器的参数选择

（1）继电器额定工作电压的选择.继电器最主要的一项技术参数就是额定工作电压.使用继电器时，首先应该考虑电路（即继电器线圈电路）的工作电压，继电器的额定工作电压与所在电路的工作电压应该是相等的.一般所在电路的工作电压是继电器额定工作电压的0.86倍.电路的工件电压不允许超过继电器额定工作电压，不然继电器线圈会烧毁.另外，一些集成电路如NE555电路可以直接驱动继电器工作，一些集成电路如COMS电路输出电流小，为了能驱动继电器需要加一级晶体管放大电路才能工作，这时要考虑晶体管输出电流应大于继电器的额定工作电流.

（2）继电器触点负载的选择.触点负载是指触点的承受能力.继电器的触点在转换时可承受一定的电压和电流.所以在使用继电器时，需要注意到触点上通过的电流和触点两端的电压不能超过继电器规定的触点负载能力.

（3）继电器线圈电源的选择.这是指继电器线圈工作使用的是直流电（DC）还是交流电（AC）.通常，初学者采用直流电源供电的电子线路来进行电子制作活动，所以这时需要使用在直流电压下线圈工作的继电器.

2.4.5继电器的测试点

（1）测触点电阻.用万能表的电阻档，测量常闭触点与动点电阻，在不工作情况下其阻值应为0，而常开触点与动点的阻值为无穷大.常闭触点和常开触点的判断可以通过这种阻值不同的方法来区别.　　

（2）测线圈电阻.可用万能表R×10Ω档测量继电器线圈的阻值，从而判断该线圈是否存在着开路现象.

　　（3）测量吸合电压和电流.使用电流表和可调稳压电源，给继电器输入一组电压，同时把电流表串联到供电回路中进行监测.逐渐调高电源电压，继电器吸合声出现时，记下吸合电压和吸合电流的数据.可以通过多次测量取平均值的方法使数据更精确.

　　（4）测量释放电压和电流.连线和测试方法与上一点相同，当继电器吸合后，再逐渐降低电源电压，继电器释放声出现时，记下此时释放电压和释放电流的数据，同样，也可以通过多次测量求平均值的方法取得平均的释放电压与释放电流.在一般情况下，继电器的释放电压大约是吸合电压的10~50%，如果释放电压太小（小于1/10的吸合电压），则不能正常使用了，这样会对电路的稳定性造成威胁，不能可靠正常工作.

2.574HC1383-8译码器介绍

74HC1383-8线译码器,译码器也称解码器，译码过程实际上是一种翻译过程,即编码的逆过程.译码器的输入是n位二值代码，输出是m个表征代码原意的状态信号（或另一种代码），一般情况下有m小于等于2的n次方，即译码器输入线比输出线要少.译码器按其功能可分为三大类：

（1）变量译码器：

将输入的二进制代码还原为原始输入信号.例如有两位二进制代码（0，1），可经译码器还原为四个信号状态（0，0）（0，1）（1，0）（1，1）.

（2）代码变换译码器：

是从一种编码转换为另一种编码.

　　（3）显示译码器：

一般是将一种编码译成十进制码或特定的编码，并通过显示器件将译码器的状态显示出来.

74HC1383-8线译码器是高速硅栅CMOS解码器，适合内存地址解码或数据路由应用.74HC138按照三位二进制输入码和赋能输入条件,从8个输出端中译出一个低电平输出.在解调器应用中,赋能输入端可用作数据输入端.在本设计中，使用译码器来控制数码管的显示.其中前3位为设定时间，后3位为倒计时剩余时间，单位为分钟[5].

2.674HC2458位锁存器介绍

　　74HC245是总线驱动器，典型的TTL型8位三态缓冲门电路.它是双向输入/输出口，它的双向功能是通过DIR和

结合控制数据传输方向.当

为低电平，DIR为低电平，数据从B到A传输；相反，如果

为低电平，DIR为高电平，数据从A到B传输.

由于单片机等CPU的数据/地址/控制总线端口都有一定的负载能力，如果负载超过其负载能力，一般应加驱动器.其主要用作信号功率放大.在本设计中，74HC245的A端接单片机的P2口，B端接外设的数码管，从而起到了功率放大的作用[6].

2.7三端稳压器LM7805介绍

　　在电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的LM78XX系列和负电压输出的LM79XX系列.顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端.该系列集成稳压IC型号中的LM78或LM79后面的数字表示该三端集成稳压电路的输出电压，如LM7806表示输出电压为正6V，LM7909表示输出电压为负9V.本设计中LM7805是输出5V三端稳压器件，内部采用电流限幅、过热短路保护，所以这种集成电路实际上是不会烧毁的器件.它适用于变化范围限宽的电源输出，从而获得稳定的电压输出.由于输出电流大，所以它可以为整个电路板提供稳压电流，避免采用多稳压的麻烦.其特点是输出电流可超过1A，无需外接元件，具有短路电流保护和低输出电阻特性[7].

　　LM7805在实际应用中，应在三端集成稳压电路上为其安装足够大的散热器（小功率的条件下没有必要）.原因是当稳压管温度过高时，稳压性能会降低，甚至引起器件损坏.

　　当电路制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源时，一般情况下将N块三端稳压电路并联，使得其最大输出电流为N倍的1.5A，但在应用过程中需要注意的是为了保证参数的一致，并联时所使用的集成稳压电路应采用同厂家同批号的产品.除此之外，为了避免个别集成稳压电路失效导致其他电路的连锁烧毁，在输出电流上应当留有一定的余量.

2.7.1LM7805在使用时的注意事项

（1）输入输出压差不能太大,太大的话转换效率就会迅速下降，而且容易引起击穿损坏；

（2）1.5A是输出电压的极限值，不能超过这个值.对于大电流输出的情况下，为了避免出现热击穿或者高温保护，散热片尺寸需要足够大；

　　（3）输入输出压差也不能太小,太小的话效率会很差.

2.7.2LM7805的引脚序号与引脚功能

　　引脚号标注方法是按照引脚电位从高到底的顺序标注的.这样标注便于记忆.引脚①为最高电位，③脚为最低电位，②脚居中.不论正压还是负压，②脚均为输出端.对于LM78XX正压系列，输入是最高电位，自然是①脚，地端为最低电位，即③脚.对于LM79XX负压系列，输入为最低电位，自然是③脚，而地端为最高电位，即①脚.此外，还应注意，散热片总是和最低电位的第③脚相连.这样在LM78XX系列中，散热片和地相连接，而在LM79XX系列中，散热片却和输入端相连接.

2.8电压比较器LM393介绍

　　LM393为双电压比较器.LM393系列由两个偏移电压指标低达2.0的独立精密电压比较器构成.该产品采用单电源操作设计，工作电压范围达到2~36V.因其低电耗不受电源电压值影响，也可采用分离式电源.还有一个特点是，即使是在单电源操作情况下，其输入共模电压范围也包括接地.LM393系列能够直接与TTL及CMOS逻辑电路接口.无论正电源还是负电源操作，当低电耗比标准比较器的优势明显时，LM393系列便与MOS逻辑电路直接接口[8].

　　LM393是高增益，宽频带器件，象大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡.这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时，输出电压过渡的间隙，电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准PC板的设计对减小输入—输出寄生电容耦合是有助的.减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量（滞回1.0~10mV）能导致快速转换，使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡，除非利用滞后，否则直接插入IC并在引脚上加上电阻将引起输入—输出在很短的转换周期内振荡，如果输入信号是脉冲波形，并且上升和下降时间相当快，则滞回将不需要.　　

　　比较器的所有没有用的引脚必须接地.　

　　LM393偏置网络确立了其静态电流与电源电压范围2.0~30V无关.　　

　　通常电源不需要加旁路电容.　　

　　差分输入电压可以大于Vcc并不损坏器件，保护部分必须能阻止输入电压向负端超过-0.3V.　　

　　LM393的输出部分是集电极开路，发射极接地的NPN输出晶体管，可以用多集电极输出提供.

　　LM393的主要功能是输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上，不受Vcc端电压值的限制.此输出能作为一个简单的对地SPS开路（当不用负载电阻没被运用），输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的β值所限制.当达到极限电流（16mA）时，输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升.输出饱和电压被输出晶体管大约60ohm的γSAT限制.当负载电流很小时，输出晶体管的低失调电压（约1.0mV）允许输出箝位在零电平[9].

在本设计中，采用了LM393作为温度检测电路核心元件.此外还有一种方法是使用DS18B20温度传感器来进行温度检测.DS18B20的测温范围是-55℃~+125℃，固有测温