恒温箱设计优质报告.docx

计算机控制系统设计汇报 设计名称： 恒温箱温度计算机控制系统设计 姓 名： 学 号: 班 级： 学 院： 信息工程学院 任课老师： 基于单片机恒温箱控制系统设计 摘要： 本设计是基于AT89S52单片机恒温箱控制系统，系统分为硬件和软件两部分，其中硬件包含：电源、温度传感器、显示、控制、晶闸管驱动和报警设计；软件包含：键盘管理程序设计、显示程序设计、PID控制程序设计和温度报警程序设计。编写程序结合硬件进行调试，能够实现设置和调整初始温度值，进行液晶显示，当加热到设定值后立即报警。本设计从实际应用出发选择了体积小、精度相对高数字式温度传感元件DS18B20作为温度采集器，单片机AT89S52为主控芯片，液晶作为显示输出，实现了对温度实时测量和恒定控制。关键词：单片机、温度传感器、恒温、声光报警、PID。引言： 温度控制是工业生产过程中常常碰到过程控制，尤其是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，含有举足重轻作用，其温度控制效果直接影响着产品质量，所以设计一个较为理想温度控制系统是很有价值。对于不一样场所、不一样工艺、所需温度高低范围不一样、精度不一样，则采取测温元件、测温方法和对温度控制方法也将不一样；产品工艺不一样、控制温度精度不一样、时效不一样，则对数据采集精度和采取控制算法也不一样。所以，对温度测控方法多个多样。伴随电子技术和微型计算机快速发展，微机测量和控制技术也得到了快速发展和广泛应用。利用微机对温度进行测控技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。然而现有温度传感元件大多为模拟器件（热电耦）体积大、应用复杂、而且不轻易实现数字化等缺点，阻碍了应用领域扩展。本设计从实际应用出发选择了体积小、精度相对高数字式温度传感元件DS18B20作为温度采集器，单片机AT89S52作为主控芯片，数码管作为显示输出，实现了对温度实时测量和恒定控制。一、 本课题设计要求 以下图所表示，恒温箱采取木箱或纸箱（外形尺寸小于30cm30cm30cm），内置白炽灯泡（功率小于100W）用于加热。30cm30cm木箱或纸箱白炽灯泡100W 自制恒温箱要求（1）温度采集传感器采取热电阻或热电偶，或一体化数字温度传感器DS18B20。（2）控制灯泡亮度或发烧量，采取可控硅平滑控制。（3）采取单片机作为控制器。（4）采取LCD液晶显示器作为显示器，同时显示给定温度和实际温度。（5）采取自制按键键盘作为温度给定值输入。（6）恒温箱实际温度达成给定值时（误差要求1）需声光提醒，声音延时5秒后停止。（7）恒温箱最高温度50。二、总体方案设计系统整体框图以下图： 图1 系统结构框图1.电源模块首先是电源模块，利用变压器把220V交流电转为正负12V交流电，再用二极管桥式整流电路，整流出直流电。以后用大电容平波，小电容滤波，以后在用7805稳压芯片稳出5V直流电，供给各个部分。其次是单片机外围电路，其中包含有单片机最小系统、LCD显示、按键、晶闸管控制电路和温度采集电路。2.温度传感器方案一：使用热敏电阻作为传感器，用热敏电阻和一个对应阻值电阻相串联分压，利用热敏电阻阻值随温度改变而改变特征，采集这两个电阻改变分压值，并进行A/D转换，此设计方案需要A/D转换电路，增加了硬件成本而且热敏电阻感温特征曲线并不是严格性，会产生较大测量误差。方案二：采取温度传感器铂电阻 Pt1000。铂热电阻物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件，且此元件线性很好。在 0100 摄氏度时，最大非线性偏差小于 0.5 摄氏度。铂热电阻和温度关系是，Rt = R0(1+At+Bt) ;其中 Rt 是温度为 t 摄氏度时电阻；R0 是温度为 0 摄氏度时电阻；t 为任意温度值，A,B 为温度系数。方案三：采取模拟温度传感器AD590K，AD590K含有较高精度和反复性（反复性优于0.1），其良好非线性能够确保优于0.1测量精度。但其测量值需要经过运算放大、模数转换再传给单片机，硬件电路较复杂，调试也会相对困难，所以本系统不宜采取此法。 方案四：采取数字式温度传感器DS18B20，这类传感器为数字式传感器，而且仅需要一条数据线进行数据传输，易于和单片机连接，能够去除A/D模块，降低了硬件成本，简化系统电路。另外，数字式温度传感器还含有测量精度高，测量范围广等优点。综合以上四种方案，本设计采取第四种方案，利用数字温度计DS18B20作为温度传感器。3.显示部分方案一：温度显示能够用数码管，但数码管只能显示简单数字，它有电路复杂，占用资源较多，显示信息少等缺点。方案二：1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一个专门用来显示字母、数字、符号等点阵型液晶模块。显示字母和数字比较方便，控制简单，成本较低。我们设计系统需要显示更多信息，所以考虑显示功效愈加好液晶显示，要求能显示更多数据，增强显示信息可读性，看起来更方便。综合以上两种方案，本设计采取方案二，用1602液晶显示器来显示数据。4.输出控制方案一：采取继电器，易于控制，且实施比较简单，但强电和弱电不能很好隔离，抗干扰能力极差，开关频率不能太高，灯泡会一直闪烁。方案二：采取固态继电器，易于控制，电路简单，但需要PWM波来进行控制，一般51单片机无PWM口，故不采取此法。方案三：采取晶闸管，控制信号和输出信号能够很好隔离，增强了系统安全性和抗干扰能力。综合以上三种方案，本设计采取晶闸管控制负载工作。三、硬件电路设计及工作原理1.系统功效及工作步骤介绍依据恒温箱控制器功效要求，并结合对51系列单片机资源分析，即单片机软件编程自由度大，可用编程实现多种控制算法和逻辑控制。所以采取AT89C52作为电路系统控制关键。恒温箱控制器总体布局图1所表示。按键将设置好温度值传给单片机，经过温度显示模块显示出来。初始温度设置好后，单片机开启输出控制模块，使电热器开始加热，同时将从数字温度传感器DS18B20测量到温度值实时显示出来，当加热到设定温度值时，单片机控制声光报警模块，发出声光报警，当超出设置温度关闭加热器。当自然冷却到设定温度以下时，单片机再次开启加热器，如此循环反复，以达成恒温控制目标。系统结构框图图1所表示，系统基础硬件电路图图2所表示。 图2 基础硬件电路图2. 系统硬件设计（1）DS18B20测温电路DS18B20数字温度计是Dallas企业生产1Wire器件，即单总线器件。和传统热敏电阻有所不一样，DS18B20可直接将被测温度转化成串行数字信号，以供单片机处理，含有连线简单、微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、精度高等特点。所以用它来组成一个测温系统，含有电路简单，在一根通信线上能够挂很多这么数字温度计，十分方便。现在已被众多行业进行广泛利用（锅炉、温控表粮库、冷库、工业现场温度监控、仪器仪表温度监控、农业大棚温度监控等）。经过编程，DS18B20能够实现912位温度读数。信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，所以从微处理器到DS18B20仅需连接一条信号线和地线。读、写和实施温度变换所需电源能够由数据线本身提供，而不需要外部电源。每片DS18B20在出厂时全部设有唯一产品序列号，所以多个DS18B20能够挂接于同一条单线总线上，这许可在很多不一样地方放置温度传感器，尤其适合于组成多点温度测控系统因为DS18B20采取是1Wire总线协议方法，即在一根数据线实现数据双向传输，而对AT89S52单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，所以，我们必需采取软件方法来模拟单总线协议时序来完成对DS18B20芯片访问。1Wire总线支持一主多从式结构，硬件上需外接上拉电阻。当一方完成数据通信需要释放总线时，只需将总线置高点平即可；若需要取得总线进行通信时则要监视总线是否空闲，若空闲，则置低电平取得总线控制权。 图3 DS18B20测温电路（2）输出控制电路加热电路中采取MOC3023目标是实现强电和弱电隔离，其在电路中工作原理是单片机依据传感器和设定开关输入控制指令，控制电器电源通断。BTA16是小型塑封双向晶闸管，当电源控制电路输出管脚送出开关控制指令为高电平，MOC3023截止，BTA16截止，电器被关闭；当电源控制电路送出开关控制指令为低电平，MOC3023导通，BTA16导通，电器被打开。R4是BTA16保护电路。 图4 光耦控制输出（3）显示电路1602液晶也叫1602字符型液晶 它是一个专门用来显示字母、数字、符号等点阵型液晶模块 它有若干个5X7或5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位全部能够显示一个字符。显示电路采取LCD1602液晶显示，图(7)所表示，图中只画出了其对应接口，3脚用于调整LCD1602背光,4、5、6为LCD1602控制口，用于控制其写入或是读出指令，7至14脚为LCD1602数据口，将数传送到LCD1602中。 图5 LCD1602显示电路LCD1602特征：+5V电压，对比度可调；内含复位电路；提供多种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多个功效；有80字节显示数据存放器DDRAM；内建有160个5X7点阵字型字符发生器CGROM,8个可由用户自定义5X7字符发生器CGRAM；基础操作时序： 读状态：输入：RS=L，RW=H，E=H；输出：DB0DB7=状态字 ；写指令：输入：RS=L，RW=L，E=下降沿脉冲，DB0DB7=指令码 ；输出：无。读数据：输入：RS=H，RW=H，E=H；输出：DB0DB7=数据 ；写数据：输入：RS=H，RW=L，E=下降沿脉冲，DB0DB7=数据 ；输出：无。LCD1602多种指令不再一一说明。（4）温度越线报警电路报警电路图8所表示，该电路采取一个小功率三极管Q1驱动蜂鸣器BELL,当单片机接收到超额温度信号或危险信号时,输出脚BELL输出高点平,Q1导通，致使蜂鸣器BELL得电工作，发出报警声。同时，电路中发光二极管指示出电路工作状态。 图6 报警电路 （5）过零检测 TLP521-2是一个内部集成两个光耦芯片，关键用于过零检测，当电源正弦交流电过零时，在三极管集电极会产生一个下降沿和一个上升沿，这么单片机外部中止口能够识别到，最终用于控制晶闸管导通角。图7过零检测电路四、系统应用软件设计软件描述本程序关键功效就是控制晶闸管导通角，来控制白炽灯亮度，最终达成控制温度目标。设置有两个按键，一个按键能够增加期望温度，另一个能够降低期望温度，步进最小是0.1摄氏度。有一个LCD显示器，能够显示目前温度和期望，当实际温度达成期望温度时，蜂鸣器和LED灯报警5s后停止。利用控制策略是PID算法，PID算法精华之处就是利用偏差进行控制。P代表是百分比，这个参数可是使调整愈加快速，I是积分，这个参数能够消除稳态误差，D是微分，能够超前控制。依据以上对操作和工作过程分析，程序应分为两个阶段：一是通电或复位后到给定温度；二是检测并显示系统实时温度，并依据检测结果控制电热器，这时系统不接收键盘输入。所以，程序能够分为以下多个功效模块：温度设定和开启；显示；温度检测；温度控制和报警。（1）键盘管理模块当通电以后，系统进入键盘管理状态，单片机只接收设定温度和开启。当检测到有键闭合时先去除抖动，这里采取软件延时方法，延时一段时间后，再确定是否有键闭合，然后将设定好值送入预置温度数据区，并调用温度正当检测报警程序，当设定温度超出最大值时就会报警，最终当开启键闭合时开启加热。键盘设定：用于温度设定。共两个按键。 KEY1（P3.6）: 设置温度“+”。KEY2（P3.7）: 设置温度“-”。 （2）显示模块显示子程序功效是将缓冲区二进制数据先转换成3个BCD码，再将其分别存入百位、十位、个位3个显示缓冲区，送往串行口，利用单片机P0口进行扫描，让数据动态在1602上显示出来，可显示设置温度和测量温度。（3）控制模块温度控制子程序步骤图7所表示，将目前温度和设定好温度比较，当目前温度小于设定温度时，开启电热器；当目前温度大于设定温度时，关闭电热器；当二者相等时，电热器保持这一状态。图8控制模块程序步骤（4）温度报警模块依据设计要求，当检测到目前温度值高于设定温度值时报警，报警同时关闭电热器。为了预防误报，设置了报警许可标志，只有在许可报警情况下，温度值高于设定温度值时才报警。（5）主程序和中止服务程序步骤主程序采取中止嵌套方法设计，各功效模块可直接调用。主程序完成系统初始化，温度预置及其正当性检测，预置温度显示及定时器0设置。定时器0中止服务子程序是温度控制体系主体，用于温度检测、控制和报警（包含开启温度转换、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、输出控制脉冲等）。 图9 主程序步骤图 图10 中止服务程序步骤图五、系统调试和仿真硬件调试时，可先检验印制板及焊接质量是否符合要求，有没有虚焊点及线路间有没有短路、断路。然后用万用表检测，检验无误后，可通电检验 LCD 液晶显示器亮度情况，通常情况下取背光电压为 45.5V 即可得到满意效果，再依次检验各部分结构安装是否牢靠。 软件调试是在proteus编译器下进行，源程序编译及仿真调试应分段或以子程序为单位逐一进行，最终结合硬件实时调试。 子程序调试包含： 1).LCD1602显示程序； 2).延时函数子程序； 3).DS18B20读出温度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序、显示数据刷新子程序。六、设计心得这次课程设计是对过去所学知识一次回顾和巩固，也是一次尤其实践能力。经过该次课程设计，不仅培养了我们实践动手能力，而且也学到了很多东西。因为以前学习知识，全部是基于理论，就算是试验课，器材也是学校已经弄好了，我们做试验基础就是连接线路，也根本了解不深入。不过，这次课程设计，不仅要我们自己买器材，更要我们设计电路、画出电路图、画出PCB、最终焊接成一块板子，然后调试板子，板子调试差不多了就要开始设计程序了。恒温箱顾名思义就是要让温度基础恒定在一个我们期望值，所以在设计程序时，就要想一个算法来控制单片机，使之能够恒定温度。当然对于这种控制，最好算法莫过于PID算法，因为此法简单而有效，工业上也有很多应用，假如需要更正确控制，能够在PID基础增加部分算法，比如模糊控制、鲁棒控制等。 看到完成课程设计时，我知道还有部分不足，很多地方需要更深入改善，不过我仍然很快乐，因为我尽心尽力将它全部全部完成了，我尽到自己最大努力。即使还是有很多不懂之处，不过在同学帮助下也弄懂了不少。参考文件（1） 郭天祥，新概念51单片机c语言教程，电子工业出版社，（2） 陈跃东，DS18B20集成温度传感器原理和应用J，安徽教育出版社，5-23（3） 李广弟，单片机基础M，北京航空航天大学出版社，1994，1-56（4） 谭浩强，C程序设计（第二版）M，清华大学出版社, （5） 付家才，单片机控制工程实践技术M，化学工业出版社,附录一 源程序代码#include/=/=液晶初始化及显示模块=/=/sbit RS=P25; /数据/命令选择端sbit RW=P26; /读/写选择端sbit E=P27; /使能端uchar table10=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9;/-delay延时函数void delay1602(int z) int i,j;for(j=z;j=0;j-)for(i=11;i=0;i-); uchar gfReverse_Bits(uchar Data) Data=(Data4); Data=(Data2)&0x33); Data=(Data1)&0x55); return Data; /-写com为命令void write_com(uchar com) com=gfReverse_Bits(com); E=0;RS=0; RW=0;P0=com;E=1; delay1602(20);E=0; RS=1;/-写dat为数据void write_dat ( uchar dat )dat=gfReverse_Bits(dat); E=0; RS=1; RW=0;P0=dat;E=1;delay1602(20); E=0; RS=0; /-初始化液晶屏void init_1602()write_com(0x38);delay1602(50); write_com(0x38);write_com(0x0c);write_com(0x06);write_com(0x01);write_com(0x80);/-液晶显示函数/-address为显示地址：/0x80-第一行，0x80+0x40-第二行/-mean为意义字符串/-value为显示值/-unit单位字符串void dispaly(uchar address,uchar mean,float value,uchar unit)uchar *pt;int Val;write_com(address);for(pt=mean;*pt!=0;pt+)write_dat(*pt);Val = (int)(value*10);write_dat(tableVal/100);write_dat(tableVal%100/10);write_dat(.);write_dat(tableVal%10);for(pt=unit;*pt!=0;pt+)write_dat(*pt);void bdispaly(uchar ad,uchar sta)uchar *pp;write_com(ad);for(pp=sta;*pp!=0;pp+)write_dat(*pp);#include/=/=DS18b20模块初始化=/=/ sbit DQ = P21;/-delayDs18b20延时函数void delayDs18b20(uint i)/延时函数 while(i-);/-18b20初始化函数void Init_DS18B20(void) DQ = 1; /DQ复位 delayDs18b20(8); /稍做延时 DQ = 0; /单片机将DQ拉低 delayDs18b20(80); /正确延时 大于 480us DQ = 1; /拉高总线 delayDs18b20(20);/-读一个字节uchar ReadOneChar(void)uchar i=0;uchar dat = 0;for (i=8;i0;i-) DQ = 0; / 给脉冲信号 dat=1; DQ = 1; / 给脉冲信号 if(DQ) dat|=0x80; delayDs18b20(5); return(dat);/-写一个字节void WriteOneChar(uchar dat) uchar i=0; for (i=8; i0; i-) DQ = 0; DQ = dat&0x01; delayDs18b20(5); DQ = 1; dat=1; delayDs18b20(5);/-读取温度float ReadTemperature(void)uchar TH=0;uchar TL=0;Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); / 跳过读序号列号操作WriteOneChar(0x44); / 开启温度转换delayDs18b20(200);Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); /跳过读序号列号操作 WriteOneChar(0xBE); /读取温度寄存器等（共可读9个寄存器） 前两个就是温度TL=ReadOneChar();TH=ReadOneChar();return(TH*256+TL)*0.0625);#include/=/=键盘延时函数=/=/void DelayKeyms(int z) int i,j;for(j=z;j=0;j-)for(i=110;i=0;i-); /=/=键盘扫描函数=/=/sbit SET=P10;sbit UP=P11;sbit DOWN=P12;sbit OUT=P13;uchar count=1;uchar OutFlag=1;float TempSet=27.0;float temp;/*uchar KeyScan(void)if(Key1=0)DelayKeyms(10);if(Key1=0)while(!Key1);return 1; if(Key2=0)DelayKeyms(10);if(Key2=0)while(!Key2);return 2;if(Key3=0)DelayKeyms(10);if(Key3=0)while(!Key3);return 3;return 0; */void SetKey() /模式选择 if(SET=0) DelayKeyms(10); if(SET=0) count+; if(count2) count=1; while(SET=0); void UpKey() /按键加 if(UP=0) DelayKeyms(10); if(UP=0) switch(count) case 1:temp=TempSet; temp=temp+1; if(temp50.0) temp=20.0; TempSet=temp; break; case 2:temp=TempSet; temp=temp+0.1; if(temp50.0) temp=20.0; TempSet=temp; break; default:break; while(UP=0); void DownKey() /按键减 if(DOWN=0) DelayKeyms(10); if(DOWN=0) switch(count) case 1:temp=TempSet; temp=temp-1; if(temp20.0) temp=50.0; TempSet=temp; break; case 2:temp=TempSet; temp=temp-0.1; if(temp1) OutFlag=0; while(OUT=0); void keyDone() /按键功效实施 bdispaly(0x80,please set Tempset:); dispaly(0x80+0x40,Temp_Set:,TempSet,C); SetKey(); switch(count) case 1: UpKey(); DownKey(); dispaly(0x80+0x40,Temp_Set:,TempSet,C); break; case 2: UpKey(); DownKey();dispaly(0x80+0x40,Temp_Set:,TempSet,C); break; default:break; OutKey(); #includesbit Controlpin=P20;sbit Light=P23;sbit Beep=P22;/=/=延时函数=/=/void Delayms(int z) int i,j;for(j=z;j=0;j-)for(i=110;i=0;i-); /=/=主函数=/=/uchar beepflag=0;uchar Be_LiFlag=0;extern float TempSet;float TempReal=0;uchar ExpectTime=0;void main()/初始化定义/uchar k;float TempNew = 0;/float TempOld1 = 0;/float TempOld2 = 0;init_1602();XInterruptInit();TimerInit();Beep =1;Controlpin=1;EA=0;while(1) /键盘数据处理 /蜂鸣器报警 OutKey(); while(OutFlag=0) keyDone(); Light=1; beepflag=0; if(TempSet=TempReal&!beepflag) Be_LiFlag+; if(Be_LiFlag=6) Be_LiFlag=0; Beep =0; Light=0; Delayms(500); Beep =1; Light=1; Delayms(500); Beep =0; Light=0; Delayms(500); Beep =1; Light=1; beepflag=1; /液晶显示数据/读取温度TempNew = ReadTemperature();TempReal=TempNew;/ExpectTime = PidControl(15,0.0,TempSet,TempReal);if(TempNewTempSet)/EA=0;Controlpin=1;P2 |=0x10;else if(TempSetTempNew)/EA=0;Controlpin=0;P2 &=0xef;dispaly(0x80,Temp_Now:,TempNew ,C ); dispaly(0x80+0x40,Temp_Set:,TempSet,C );/=/=中止处理=/=/void OutIn() interrupt 0 TR0 = 1;void Timer0() interrupt 1 static char time=0;TH0 = (65535-200)/256;TL0 = (65535-200)%256;time+;if(time=ExpectTime) Controlpin = 0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();Controlpin = 1;time = 0;TR0 = 0;#includevoid TimerInit(void)TMOD=0x01;TH0=(65535-200)/256;TL0=(65535-200)%256;EA=1;PT0=1;ET0=1;void XInterruptInit(void)IT0=1; /负跳变延触发EX0=1; /外部中止0PX0=0;EA=1; /开总中止#includefloat ErrorNew;float ErrorSum;uchar PidControl(float Kp,float Ki,float tset,float tfeedback) int Result=0; ErrorNew = tset-tfeedback; ErrorSum=ErrorNew; if(tfeedback-tset)=0&(tfeedback-tset)0.6