半导体温度控制仪软硬件设计

半导体温度控制仪软硬件设计

1.1系统的性能要求及特点

1.1.1功能要求

半导体温度控制仪应能达到以下功能要求：

(1)可以人为方便地设定所需控制的温度值，温控仪器能自动将电炉加热至此设定值并能保持，直至重新设定为另一温度值；

(2)能够单独实现测量电炉温度的作用；

(3)整套仪器可靠性好，设计不易出故障；

(4)具有自动加热保护功能的安全性要求。如果实际测得的温度值超过了系统要求的温度范围，单片机就会发出指令，从而进行超温或者降温保护；

(5)能够实现系统软件的在线升级，无需对温控仪拆卸即可完成软件的升级及在线调试；

(6)尽量采用典型、通用的器件，一旦损坏，易于在市场上买到同样零部件进行替换。

1.1.2系统特点

基于上述功能要求及智能仪表应具有的体积小、成本低、功能强、抗干扰并尽可能达到更高精度的要求。本系统在硬件设计方面具有如下特点：本温度控制仪的面板设计遵循简洁实用的原则，为便于使用人员的操作，系统采用了非固定键值意义的状态键盘，一键多用。系统软件可根据当前所处状态，自动确定键值的具体含义。

以往单片机系统在软件升级及故障调试时，必须将CPU芯片从系统板上拆下来进行软件固化。针对这种弊端，系统硬件设计时预留有程序下载接口，可以在不拆下CPU芯片的情况下直接进行软件升级和在系统调试，以方便日后的软件维护和功能调试。

整个系统遵循了冗余原则及以软代硬的原则，并尽可能选用典型、常用、易于替换的芯片和电路，为系统的开放性、标准化和模块化打下良好基础。系统扩展和配置在满足功能要求的基础上留有适当裕量，以利于扩充和修改[17][18]。

1.2系统的硬件总体结构

半导体温度控制仪的硬件电路主要由单片机系统、温度采样电路、温度设定电路、比例积分电路、TEC驱动电路、报警电路、键盘显示电路以及接口电

路组成。

温度采样电路包括温度传感器、信号放大电路以及A/D转换电路。温度传感器采集来的信号经信号放大电路放大后，经过A/D转换后送单片机作处理。经过单片机分析后，进行相应的处理，发出控制信号通过驱动电路控制TEC加热或制冷。蜂鸣器的设置是为了给温度控制仪器增加双保险，当单片机驱动电路升/降温失败，超过预定的温度就将报警提醒。键盘显示是用户与温控仪交互的界面。用户通过键盘对温控仪进行操作，通过显示得到温控仪的状态以及温控结果。整个系统是在单片机的控制下运行的。同时单片机也可以通过接口电路与上位机通讯。系统的原理框图如图3-1所示。

图3-1 系统原理框图

1.3 单片机系统

1.3.1单片机的选择

在系统的设计中，选择合适的系统核心器件就成为能否成功完成设计任务的关键，而作为控制系统核心的单片机的选择更是重中之重。目前各半导体公司、电气商都向市场上推出了形形色色的单片机，并提供了良好的开发环境。选择好合适的单片机可以最大地简化单片机应用系统，而且功能优异，可靠性好，成本低廉，具有较强的竞争力。目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。一般来说，选择单片机需要考虑以下几个方面：（1）单片机的基本性能参数。例如指令执行速度，程序存储器容量，I/O 引脚数量等。

（2）单片机的增强功能。例如看门狗、多指针、双串口等。

（3）单片机的存储介质。对于程序存储器来说，Flash存储器和OTP（一次性可编程）存储器相比较，最好是Flash存储器。

（4）芯片的封装形式。如DIP（双列直插）封装，PLCC（PLCC有对应插座）封装及表面贴附等。

（5）芯片工作温度范围符合工业级、军工级还是商业级。如果设计户外产品，必须选用工业级。

（6）芯片的功耗。比如设计并口加密狗时，信号线取电只能提供几mA 的电流，选用STC 单片机就是因为它能满足低功耗的要求。

（7）供货渠道是否畅通、价格是否低廉。

（8）技术支持网站的速度如何，资料是否丰

富。包括芯片手册，应用指南，设计方案，范例

程序等。

（9）芯片保密性能好、单片机的抗干扰性能

好。

STC89系列单片机是MCS-51系列单片机的派

生产品。它在指令系统、硬件结构和片内资源上

与标准8052单片机完全兼容，DIP40封装系列与

8051为pin-to-pin 兼容。STC89系列单片机高速

(最高时钟频率90MHz)，低功耗，在系统/在应用

可编程(ISP ，IAP),不占用户资源。根据本系统的实际情况，选择STC89C52单片机，引脚见图3-2。 1.3.2 存储器芯片的选择

本系统需要的存储容量不大，且要求存储器要具有掉电不丢失的特点，增加外部存储器既增加系统的体积，又增大系统的功耗，所以最好能用一片高速的串行存储器来存储数据。综合以上因素，对比国内市场土的非易失性存储器，而24C08EEPROM 存储器芯片以其优越的表现进入我们的视线。24C08存储器具有容量较大、功耗低、体积小的突出优点，而且其性价很高，因此我们决定选用24C08 EEPROM 存储器芯片做为系统的数据存储器。

1.3.3 单片机IO 口扩展及外部存储器电路

由于液晶显示和USB 芯片需要大量的IO 口，所以采用一片8255来进行IO 口扩展。8255是单片机应用系统中广泛采用的可编程外部IO 口，扩展芯片。它有3个8位并行IO 口，每个口可以有3种工作方式。其中的WR\是写信号输入端，RD\是读信号输入端，A1A0用于决定端口的地址。单片机系统及外部存储器电路如图3-3所示[19]。

图 3-2 STC89C52芯片引脚及功能

图3-3 单片机系统电路图

1.4 USB 数据传输接口电路

USB 接口是近年来应用在PC 领域的新型接口技术，它基于单一的总线接口技术来满足多种应用领域的需求。它的即插即用、支持热插拔、易于扩展等特性极大的方便了用户的使用，使其成为开发虚拟仪器接口的首选，具有极好的应用前景。

图3-4 PDIUSBD12芯片功能方框图 在进行任何USB 设备开发之前，首先应选择适合的USB 控制器芯片。目前市场上供应的USB 控制器主要有两种：带USB 接口的单片机和纯粹的USB 接口

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