电热培养箱单片机pwm温度控制系统.doc

摘要 摘要本文设计了一个基于AT89S52单片机的电热培养箱温度控制系统，阐述了系统的工作原理、硬件电路以及软件设计。详细论述了数字PID控制器的原理及其在温度控系统中的应用，将增量式PID和PWM脉宽调制技术相结合.此外本系统采用DS18B20 新型单总线数字温度传感器集温度测量和A/D 转换于一体，直接输出数字量，与单片机接口电路简单。该系统经过实验，取得了较为满意的控制效果。本系统由核心处理模块、温度采集模块、键盘显示模块、及控制执行模块等模块组成主要完成成对电热培养箱箱内的温度测量、显示；系统过热保护并报警；手动设置温度；温度智能调节等功能。关键词：温度控制；AT89C51单片机; DS18B20;PID控制；PWM波 ABSTRACTABSTRACTThis paper designed a microcontroller AT89S52-based electric incubator temperature control system, described the working principle of the system, the hardware circuit and software design. Discussed in detail the principles of digital PID controller and its application of temperature-control system will be incremental PID and PWM pulse width modulation techniques combined. Furthermore, this system uses DS18B20 new single-bus digital temperature sensor set of temperature measurement and A / D conversion in one, the direct output of digital with the microcontroller interface circuit is simple. The system is experimental, and achieved relatively satisfactory control effect. This system consists of the core processing module, the temperature acquisition module, keyboard display module, and control the implementation of modules modules Completed in pairs inside the main electric incubator temperature measurement, display; system over-temperature protection and alarm; manually set the temperature; temperature of intelligent regulation and other functions. Keywords: temperature control; AT89C51 microcontroller; DS18B20; PID control; PWM wave 目录第一章 引言11.1课题的背景和意义11.2 课题研究的内容1第二章 系统设计原理与方案论证22.1 系统设计总体框图22.2 总体方案的论证32.3 各部分电路方案的论证3第三章 核心处理模块53.1 AT89S52简介53.2 核心处理模块电路的整体设计53.3 I/O口的分配6第四章 键盘显示模块74.1 显示电路部分74.2 键盘电路部分10第五章 温度采集模块125.1 温度传感器DS18B20内部结构125.2 硬件连接135.3 软件实现13第六章 控制执行模块146.1 控制执行模块电路146.2 控制执行程序设计156.2.1 PWM波设计166.2.2 PID控制算法166.2.3 PID参数整定17第七章 其他电路设计197.1 电源电路197.2 系统过热保护电路197.3 报警控制电路19结论20参考文献21致谢22附录23 第一章 引言1.1 课题的背景意义随着微电子技术和微型计算机的迅猛发展，微机测量和控制技术以其逻辑简单、控制灵活、使用方便及性能价格比高的优点得到了迅猛发展和广泛应用。它不仅在航空、航天、铁路交通、冶金，电力、石油化工等领域获得了广泛应用，而且其技术在日常生活小诸如电梯、微波炉、电冰箱、智能照相机、电动玩具、全/半自动洗衣机、智能空调、携带式心脏监护机等高科技产品中也具有广阔的使用前景，尤其是许多智能仪表和测控系统中引入电脑控制技术后，使传统仪器、仪表设备发生了根本变化，为工业生产的自动化、智能化奠定了坚实的技术基础。温度控制是无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，过低的温度或过高的温度都会使资源失去应有的作用，从而造成资源的巨大浪费。特别是在当前全球能源极度缺乏的情况下，我们更应该掌握好对温度的控制，把身边的能源好好地利用起来。在现代冶金、石油、化工及电力生产过程中，温度是极为重要而又普遍的热工参数之一。在环境恶劣或温度较高等场合下，为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度、节约能源，要求对温度进行测、显示、控制，使之达到工艺标准，以单片机为核心设计的箱温控制系统，可以同时采集多个数据，并将数据通过通讯口送至上位机进行显示和控制。那么无论是哪种控制，我们都希望温度控制系统能够有很高的精确度（起码是在满足我们要求的范围内），帮助我们实现我们想要的控制，解决身边的问题。在计算机没有发明之前，这些控制都是我们难以想象的。而当今，随着电 子行业的迅猛发展，计算机技术和传感器技术的不断改进，而且计算机和传感器的价格也日益降低，可靠性逐步提高，用信息技术来实现温度控制并提高控制的精确度不仅是可以达到的而且是容易实现的。用高新技术来解决工业生产问题，以此来加强工业化建设，提高人民的生活水平和生活质量。 1.2 课题研究的内容 培养箱是科研实验的必需设备，主要适用于医疗卫生、医药、生物、农业、科研单位等部门作储藏菌种、生物培养之用。本课题对电热培养箱的控制更是要很好的把温度稳定在某个值或某个区间。因此此课题采用以单片机AT89S52为控制核心。并采用了数字PID控制算法结合PWM脉宽调制技术对培养箱温度进行控制，从而实现对电热培养箱的温度进行实时精确测量、自动检测和控制，有效的提高了控制系统的实时性和控制精度，大大改善了电热培养箱温度控制的自动化程度，具有高的实用价。 第二章 系统设计原理与方案论证本课题以89S52单片机为核心配合传感器、显示器件、电加热器、报警器等外围器件，采集电热培养箱箱中的温度信号，通过控制双向可控硅的导通从而控制电加热器加热，并完温度显示，设定显示，报警等功能。另外配有键盘，可以实现手动设置温度等功能。本控制系统具有以下功能：1 能实时显示当前温度值和设定温度2 控制温度范围 5702温度波动0.2，温度调节均匀度0.53 按键控制：设置加0.5键、减0.5键4系统过热保护并且报警第二章 系统设计原理与方案论证21系统设计总体框图基于PID算法的温度测控系统由核心处理模块、温度采集模块、键盘显示模块、及控制执行模块等模块组成。控制执行模块采用PID数字控制算法。温度采用3个七段数码管显示。温度测控系统总框图如下图1所示核心处理模块（单片机）温度采集模块键盘显示模块控制执行模块图1温度测控系统总体框2.2总体方案论证（一）、方案论证与比较本题目是设计制作一个电热培养箱，加热器为200W的电热丝。 要求能在5-70范围内设定控制温度，并具有较好的快速性和较小的超调，以及十进制数码管显示等功能。1、总体方案设计及论证根据题目的要求，我们提出了以下的两种方案：方案1：此方案是采用传统的二位模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器设定给定值，采用上下限比较电路将反馈的温度值与给定的温度值比较后，决定加热或者不加热。由于采用模拟控制方式，系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法使控制精度做得较高，而且不能用数码显示和键盘设定。方案2：采用单片机AT89S52为核心。采用了温度传感器DS18B20产生数字信号并通过单片机处理产生PWM波后去控制温度，使其达到稳定。使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。比较上述两种方案，方案2明显的改善了方案1的不足及缺点，并具有控制简单、控制温度精度高的特点，因此本设计电路采用方案22.3 各部分电路方案论证本电路以单片机为基础核心由核心处理模块、温度采集模块、键盘显示模块、及控制执行模块等模块组成。现将各部分主要元件及电路做以下的论证：（1）、温度采样部分 方案1：采用热敏电阻，可满足5-70的测量范围，但热敏电阻精度、重复性和可靠性都比较差，对于检测精度小于1的温度信号是不适用的。 方案2：采用温度传感器DS18B20。：DS18B20具有体积小、质量轻、精密度高、全数字化、性能稳定等优点。其测量范围在-50- +125，在-10至+85范围内精度为0.5，当电源电压在510V之间，稳定度为1时，其各方面特性都满足此系统的设计要求。此外DS18B20可直接将温度转化成串行数字信号供处理器处理，可以简化电路连线。 经上述比较，方案2明显优于方案1，故选用方案2。（2）、键盘显示部分 方案1：采用可编程控制器8279与数码管及地址译码器74LS138组成，可编程/显示器件8279实现对按键的扫描、消除抖动、提供LED的显示信号，并对LED显示控制。用8279和键盘组成的人机控制平台，能够方便的进行控制单片机的输出。方案2：采用单片机AT89S52与地址译码器74LS138组成控制和扫描系统，这种方案既能很好的控制键盘及显示，又为主单片机大大的减少了程序的复杂性，而且具有体积小，价格便宜的特点。 对比两种方案可知，方案1虽然也能很好的实现电路的要求，但考虑到电路设计的成本和电路整体的性能，我们采用方案2。（3）、控制执行部分方案1：由单片机给出高低电平控制电加热的继电器采用双开关继电器，一个开关控制电加热器的火线，另一个控制零线。当P1.0输出低电平时，三极管不导通，继电器无电流通过，开关开启，电加热器不工作。当P1.0输出高电平时，三极管导通，继电器有较大电流通过，开关闭合，电加热器开始工作。方案2：首先采用单片机进行PID算法，实时的更新PWM脉冲的输出参数，来控制PWM波的产生，进而控制双向可控硅的道通和关断，进而控制电热丝的加热来实现温度控制。用单片机实现了自适应控制，大幅度的减少了温度的抖动，弥补了传统直接输出高低电平。有效的稳定了温度和减少了双向可控硅道通次数。 比较这2种方案，方案1虽然电路简单，控制容易，但无法满足系统要求温度波动0.2，而且频繁的关掉和开通继电器产生较大的噪音和器件损坏。因此我们采用方案2。31第三章 核心处理模块第三章 核心处理模块3.1 硬件介绍 本系统采用ATMEL公司的51系列单片机AT89S52作为电路的控制核心，利用软件编程可实现各种控制算法和逻辑控制。AT89C52芯片时钟频率最高33HZ运算速度快，控制功能完善。其内部具有256字节RAM。而且还带有8KB闪速式存储器，不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单、实用。同时具有32条输入输出线，16位定时计数器，5个中断源，1个串行口。其封装引脚如图2所示图2 AT89S52封装引脚图3.2 核心处理模块电路的整体设计 本核心处理模块的整体设计由单片机的最小系统组成。由单片机、复位电路、晶振电路组成。复位电路:由电容串联电阻构成,并结合电容电压不能突变的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位.一般教科书推荐C 取10u,R取8.2K.当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。晶振电路:典型的晶振取11.0592MHz (因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的uS级时歇,方便定时操作)。图3 核心处理模块电路原理图 3.3 I/O口的分配 P0.0P0.7为七段数码管的片选输出端 P2.0P2.5为七段数码管的位选输出端 P1.0为温度信号输入端 P1.1为PWM脉冲输出端 P1.2为报警信号输出端 P1.3为过热保护输出端 P1.4为设定温度“+”键的输入端 P1.5为设定温度“-”键的输入端第四章 键盘显示模块第四章 键盘显示模块键盘和显示电路是电热培养箱温控系统与用户的接口，用户通过显示来观察温度等状态值，再根据观察到的值，通过键盘对电热培养箱进行控制。本章设计了较为合理的键盘和显示电路完成这些功能。4.1 显示电路部分4.1.1显示电路的硬件结构显示及键盘电路如图4所示图4键盘和显示电路 本系统采用因为本系统采用的是共阳极LED显示器，位选应接高电平， P2口输出的段选信号，通过74LS245芯片接LED段码引脚，74LS245的高电平输出电流在15毫安左右，可以驱动LED显示。另外74LS245的输出接上拉电阻，帮助驱动显示器。LED显示器是由发光二极管显示子段组成的显示器件。在单片机系统中通常使用的是七段LED显示器，这种显示器有共阴极共阳极两种，在这次设计中选用阳极LED显示器。共阳极七段LED显示器的管脚如图5所示图5共阳极七段LED显示器的管脚表1共阴极LED显示器七段码显示字符共阴极七段码显示字符共阴极七段码0C05921F96832A47F83B08804999984.1.2显示电路工作原理 温度由来自单片机P20(RXD)口输出的数据，通过串入并出移位寄存器74L5164来驱动3位七段LED数码显示，显示温度值的十位、个位、小数位。显示范围为0.099.0。AT89S51P2.0三位七段数码显示串入并出移位寄存器74L5164图6 显示模块的组成框图4.1.3 显示扫描子程序显示扫描子程序完成6位共阳数码管的扫描显示任务。图7所示为显示扫描子程序的流程图。图7显示扫描子程序的流程图显示程序如下： void dis_temp(uint t)/显示温度数值函数t传递的是整形的温度值uchar i;i=t/100;/除以100得到的商，为温度的十位 yi=1;P0=tablei;/在第一个数码管上显示delay(5);yi=0;i=t%100/10;/100取余再除以10得到商，为温度的个位er=1;P0=tablei+10;/在第二个数码管上显示delay(5);er=0;i=t%100%10;/100取余再用10取余，为温度的小数位san=1;P0=tablei;/在第三个数码管上显示delay(5);san=0;4.2 键盘电路部分为使用户使用界面尽量简单，本文采用两个按键，通过按键来实现温度设置。键盘与单片机的连接如图4所示。4.2.1 独立式键盘工作原理因为键盘较少所以用简单的独立式键盘，它的优点是编程简单，缺点是占用I/O口多，适用于键盘较少的电路。键盘的工作原理是按键的一端高电平，另一端已单片机的某个I/O口相连，当按键闭合时，即相当于该I/O口通过按键已电源相连，变成高电平，程序一旦检测到I/O口变为高电平则说明在年间被按下，然后执行相应的指令。这是基本原理，在具体实现时还要考虑键盘的延时去抖，去抖的原理是，当检测到有键按下时，单片机先不动作，延时10毫秒以后，单片机再次检测按键是否按下，如果还是按下，就说明此键确实是按下状态，单片机执行相应操作。4.2.2 键盘扫描电路程序其中S1为温度加键，S2为温度减键，当按S1键时，设置温度加0.5度。当按S2键时，设置温度减0.5度。但是由于系统要求在5度至70度之间所有在减到5或加到70后就不在进行加减。图8所示为键盘扫描子程序的流程图。实现程序如下：void keyscan()/键盘扫描if(key_up=0)/数字加按键按下 delay(5);/延时消除按键抖动if(key_up=0)/确认数字加按键按下 if(wendu_c=700) /限定温度上限70度 wendu_c=700;else wendu_c=wendu_c+5;/温度初始值加0.5度 while(key_up=0)dic_temp(wendu_c);/显示的方式等待按键松开if(key_down=0)/数字减按键按下 delay(5);/延时消除按键抖动if(key_down=0)/确认数字减按键按下 if(wendu_c=100) /判断采样周期是否到？ click=0; zhouqi=1; if (click=95)zkc=95; kkk=(int)zkc ; if(t=wendu_c) /大于设定值 shuchu=0; /输出高电平else/小于设定值 ZKB=(int)zkc; /调整新的脉宽定时，即新的占空比 if (click=ZKB) shuchu=1; else shuchu=0 ; 第七章 其他电路的设计7.1 电源电路对于电热培养箱来讲，最常用、最方便的电源当然是220V的工频交流电源，但电热培养箱控制系统需要的是稳定的+5V电源，所以要为控制系统设计直流电源电路。 由于本设计由+5V电压供电，并且+5V是主电源。变压器分别采用220/8的变压器，稳压电路分别采用集成稳压器件7805进行稳压。图16为系统+5V直流电源的整体图。图16 系统直流电源总图7.2 系统过热保护电路为了在关机和超温保护的状态下能可靠地关断加热电源，电路中加入了继电器控制加热电源。当温度超过72C时，单片机的P1.3口发出高电平直接将继电器关断，从而避免了电热培养箱温度过高，起到了保护作用。电路连线如图12所示。7.3 报警控制电路报警输出三极管的集电极接蜂鸣器，蜂鸣器的另一端接正5伏电源。有P1.2口控制报警电路，当温度超标时P1.2口输出高电平报警，不报警时将P1.2口置低电平。结论本课题设计了一个以89S52单片机为核心配合其他外围电路的电热培养箱智能控制系统，完成了对电路培养箱容器内的温度测量、显示；温度过高报警；手动设定温度；温度过低智能电加热等功能模块的设计。1 完成了电热培养箱的温度的测量和显示电路的设计，并作了硬件调试，调试结果较为理想，得到了误差较小的温度测量。2通过对温度的测量监控，实现了系统过热报警、智能加热等功能。3 完成了键盘和显示电路的设计，实现了温度时间共六位动态显示，和2个独立键盘输入。4用键盘实现了手动设置温度等功能。 参考文献1.李朝青单片机原理及接口技术M北京：北京航空航天大学出版社，19992.顾德英. 计算机控制技术（第2版）M.北京：北京邮电大学出版社，2005.3.赵全利. 单片机原理及应用教程（第2版）M.北京：机械工业出版社，2007.4.王兆安. 电力电子技术（第4版）M.北京：机械工业出版社，2009.5.Dallas Semiconductor. DS18B20 DatasheetP. 2002.6.马忠梅单片机的C语言应用程序设计M北京：北京航空航天大学出版社20037.陶永华新型PID控制及其应用M北京：机械工业出版社20028.马云峰. 数字温度传感器DS18B20的原理与应用J. 电子元器件应用.2003附录致谢在这次毕业设计的整个过程中，很多老师和同学给予了我细心的指导和热心的帮助，让我顺利完成了这份我比较满意的作品，在此深表感谢！真诚地感谢在整个毕业设计过程中帮助过我的每一个人。首先，也是最主要感谢的是我的指导老师,胡熹平老师。在整个课程设计和毕业设计过程中，胡老师在选题、开题、设计方案的确定与细化等方面都给了我耐心、细致的指导；同时，胡老师还仔细地审阅我的论文，为我指出错误、提出修改方法。胡老师诲人不倦、一丝不苟、严肃认真的治学风格给我留下了深刻印象，值得我认真学习。在此，谨向指导老师吴老师致以真诚的谢意！最后，要感谢在毕业设计过程中一路走来帮助过我的人，虽然各自选择的题目不一样，当我有难题的时候他们一样伸出热情的援助之手，在此深表感谢，也祝你们顺利完成毕业设计！附录附录1 主程序流程图和程序 系统程序如下#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define V_TH0 0X3C #define V_TL0 0XB0 #define V_TMOD 0X01 sbit ds=P10;/温度传感器信号线sbit beep=P11;/蜂鸣器sbit key_up=P12;/数字加按键sb