基于单片机恒温箱控制器设计

课程设计说明书唐山学院测控系统原理课程设计题目恒温箱控制器的设计系(部)机电工程系班级姓名学号指导教师2014年03月02日至03月13日共两周2014年03月13日课程设计说明书测控系统原理课程设计任务书一、设计题目、内容及要求1、设计题目：恒温箱控制器的设计2、设计内容：运用所学单片机、模拟和数字电路、以及测控系统原理与设计等方面的知识，设计出一台以AT89C52为核心的恒温箱控制器，对恒温箱的温度进行控制。完成恒温箱温度的检测、控制信号的输出、显示及键盘接口电路等部分的软、硬件设计，A/D和D/A转换器件可自行确定，利用按键（自行定义）进行温度的设定，同时将当前温度的测量值显示在LED上。恒温箱控制器要求如下：1）目标稳定温度范围为100摄氏度——50摄氏度；2）以PID控制算法实现控制精度为±1度；3）温度传感器输入量程：30摄氏度——120摄氏度，电流4——20mA；4）加热器为交流220V，1000W电炉。3、设计要求：1）硬件部分包括微处理器（MCU）、D/A转换、输出通道单元、键盘、显示等；2）软件部分包括键盘扫描、D/A转换、输出控制、显示等；3）用PROTEUS软件仿真实现；4）用Protel画出系统的硬件电路图；5）撰写设计说明书一份(不少于2000字)，阐述系统的工作原理和软、硬件设计方法，重点阐述系统组成框图、硬件原理设计和软件程序流程图。说明书应包括封面、任务书、目录、摘要、正文、参考文献(资料)等内容，以及硬件电路图和软件程序框图等材料。二、设计原始资料Proteus及KEIL51仿真软件，及软件使用说明。三、要求的设计成果（课程设计说明书、设计实物、图纸等）设计说明书一份(不少于2000字)。课程设计说明书四、进程安排1.2015年3月2日资料查阅2.2015年3月3，4日总体设计，硬件设计3.2015年3月5，6日绘制电路图3.2015年3月9，10日绘制软件程序流程图，编写软件4.2015年3月11日软、硬件仿真调试5.2015年3月12，13日撰写设计说明书五、主要参考资料1．王福瑞等．《单片微机测控系统设计大全》．北京航空航天大学出版社，19992．《现代测控技术与系统》韩九强清华大学出版社2007.93．《智能仪器》程德福，林君主编机械工业出版社2005年2月4．《测控仪器设计》浦昭邦，王宝光主编机械工业出版社20015．基于AT89C51单片机的数字电压表的设计，黄亮，电子制作，2006．10，25-276．KeilC51帮助文档指导教师（签名）：教研室主任（签名）：课程设计说明书课程设计成绩评定表出勤情况出勤天数缺勤天数成绩评定出勤情况及设计过程表现（20分）课设答辩（20分）设计成果（60分）总成绩（100分）提问（答辩）问题情况综合评定指导教师签名：年月日课程设计说明书目录摘要……………………………………………………………………………1一.系统的硬件设计…………………………………………………21.恒温箱控制系统框图………………………………………………………22.微处理器AT89C52………………………………………………………23.温度传感器………………………………………………………………34.显示部分…………………………………………………………………45.键盘输入电路………………………………………………………………56.输出控制…………………………………………………………………57.温度越线报警电路…………………………………………………………6二.系统的软件设计…………………………………………………………………71.温度传感器模块软件设计…………………………………………………72.键盘管理模块………………………………………………………………73.显示模块…………………………………………………………………84.控制模块…………………………………………………………………85.温度报警模块………………………………………………………………9三.PID控制算法…………………………………………………………………101.PID的数学模型……………………………………………………………102.PID控制规律的离散化……………………………………………………10四.设计总结…………………………………………………………………11五.参考文献………………………………………………………………………12附录1元件清单……………………………………………………………………13附录2硬件电路图…………………………………………………………………14附录3程序清单……………………………………………………………………15课程设计说明书1摘要随着社会发展的需求，人们对恒温箱的应用和需求越来越广泛，在工业生产和日常生活或科学实验中，我们随处都可以看到恒温箱的应用。如，可以根据动物生活习性的需要控制饲养棚合适的温度来进行孵卵或动物培养；在农业上，可用于种子的发芽；在医学上，可用于做细菌培养、放射免疫分析、血清溶化、石腊熔化、试管消毒等。常用的恒温箱主要分为三类：高温恒温箱(高于60℃)；中温恒温箱(-10～60℃)；低温恒温箱(低于-1O℃)。恒温箱的温度控制系统可分为人工调节和自动调节两种方式，人工调节是通过温度计进行测量后手动调节变压器，从而控制产生热量的大小；而自动调节往往通过热电偶传感器进行测温，输出电压值，经放大后加到电机上驱动电机来调节变压器，其优点是可以连续、实时、准确的来控制温度。基于单片机技术的温控器和可编程温度传感器相结合使用是目前恒温箱温度控制较为先进的一种方式。单片机是一种集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统等部分于一体的器件，只需要外加电源和晶振就可实现对数字信息的处理和控制。如果能利用单片机进行温度的测量和控制，将会大大提高温度测量和控制的可靠性和灵活性。单片机对温度测量控制过程是借助于传感器、A/D转换器以及扩展接口和执行机构来进行的。在闭环型过程控制中，过程的实时参数由传感器和A/D转换器来实时采集，并由单片机自动记录、处理并控制执行机构动作来进行调节和控制。关键词：恒温箱，单片机，AT89C52，A/D转换，温度传感器，DS18B20课程设计说明书2一.系统的硬件设计1.恒温箱控制系统框图根据上面对工作流程的分析，系统可以分为以下几个功能模块：(1)键盘管理：监测键盘输入，接收温度预置，启动系统工作。(2)显示：显示设置温度及当前温度。(3)温度检测及温度值变换(4)温度控制：根据检测到的温度控制电炉工作。(5)报警：当预置温度或当前炉温越限时报警。根据恒温箱控制器的功能要求，并结合对51系列单片机软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。所以采用AT89C52作为电路系统的控制核心。按键将设置好的温度值传给单片机，通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测量到的温度值实时的显示出来，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，同时关闭加热器。当自然冷却到设定温度50摄氏度以下时，单片机再次启动加热器，如此循环反复，以达到恒温控制的目的。2.微处理器AT89C52AT89C52单片机是一种低功耗、高性能内含8K字节闪电存储器的8位CMOS微控制器，与工业标准MCS—51指令系列和引脚完全兼容有超强的加密功能，其片内闪电存储器的编程与擦除完全用电实现，数据不易挥发，编程/擦除速度快。如图所示：课程设计说明书3EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9P3.7(RD)17P3.6(WR)16P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78(AD0)P0.039(AD1)P0.138(AD2)P0.237(AD3)P0.336(AD4)P0.435(AD5)P0.534(AD6)P0.633(AD7)P0.732(A8)P2.021(A9)P2.122(A10)P2.223(A11)P2.324(A12)P2.425(A13)P2.526(A14)P2.627(A15)P2.728PSEN29ALE/PROG30(TXD)P3.111(RXD)P3.010GND20VCC40AT89C52的引脚结构它的主要特点有：(1)内部程序存储器为电擦除可编程只读存储器EEPROM，容量8KB，内部数据存储器容量256B(不包括专用寄存器)，外部数据存储器寻址空间64KB，外部程序存储器寻址空间64KB；(2)有三个16位的定时器/计数器；(3)可利用两根I/O口线作为全双工的串行口，有四种工作方式，可通过编程选定；(4)内部ROM中开辟了四个通用工作寄存器区，共32个通用寄存器，以适应多种中断或子程序嵌套的情况；(5)内部有6个中断源，分为二个优先级，每个中断源优先级是可编程的；(6)堆栈位置是可编程的，堆栈深度可达128字节；3.温度传感器采用数字温度传感器DS18B20，DS18B20提供九位温度读数，测量范围-55℃~125℃，采用独特1-WIRE总线协议，只需一根口线即实现与MCU的双向通讯，具有连接简单，高精度，高可靠性等特点。并且,DS18B20支持一主多从,若想实现多点测温,可方便扩展。DS18B20的特点：（1）独特的单线接口方式，与单片机通信只需一个引脚，DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。（2）在使用中不需要任何外围元件。（3）可用数据线供电，电压范围：+3.0～+5.5V。（4）测温范围为-55～+125℃。在-10～+85℃范围内误差为0.5℃。（5）通过编程可实现9～12位的数字读数方式。（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。课程设计说明书4（7）支持多点组网功能，通过识别芯片各自唯一的产品序列号从而实现单线多挂接，多个DS18B20可以并联在唯一的线上，简化了分布式温度检测的应用，实现多点测温。（8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。（3）DS18B20在电路中的连接，见图:DS18B20测温电路4.显示部分显示采用3位共阳LED动态显示方式,显示内容有温度值的十位、个位及小数点后一位。用P2口作为段控码输出，并用74ls164作驱动。P0.0—P0.2作为位控码输出，用PNP型三极管做驱动。如下图所示：显示部分课程设计说明书55.键盘输入电路键盘设定：用于温度设定。共三个按键。KEY1（P1.1）:状态切换；温度设置确认；温度重新设置。KEY2（P1.2）:设置温度“+”。KEY3（P1.3）:设置温度“-”。如图所示：键盘输入电路6.输出控制采用光电藕合器，控制信号与输出信号可以很好的隔离，增强了系统的安全性和抗干扰能力。输出控制电路，MOC3021内部带有过零控制电路,MOC3021输出端额定电压为400V。加热电路中采用MOC3021的目的有两个:其一是实现强电与弱电的隔离;其二是实现双向可控硅的过零触发,从而使流过双向可控硅的电流波形为正弦波,减少谐波。电路连接如图所示，其在电路中的工作原理是单片机根据传感器和设定开关输入的控制指令，控制电器的电源通断。SW1为双向开关,其最大通态电流为1A。当电源控制电路的输出管脚P1.6送出的开关控制指令为高电平，MOC3021截止，Q2截止，电器被关闭；当电源控制电路的输出管脚P1.6送出的开关控制指令为低电平，MOC3041导通，Q2导通，电器被打开。通过MOC3021内部的过零触发电路，保证Q2在电压过零时导通和截止，对供电系统干扰极小。R6和C6是Q2的保护电路。如下图：课程设计说明书6光耦控制输出电路7.温度越线报警电路报警电路如图所示，该电路采用一个小功率三极管Q2驱动蜂鸣器,当单片机接收到超额温度信号或危险信号时,输出脚P1.7输出高点平,Q2导通，致使蜂鸣器得电工作，