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1、计算机控制系统设计报告计算机控制系统设计报告设计名称：设计名称： 恒温箱温度计算机控制系统设计恒温箱温度计算机控制系统设计 姓姓 名：名： 学学 号号: : 班班 级：级： 学学 院：院： 信息工程学院信息工程学院 任课教师：任课教师： 基于单片机的恒温箱控制系统设计基于单片机的恒温箱控制系统设计 摘要：摘要： 本设计是基于 AT89S52 单片机的恒温箱控制系统，系统分为硬件和软件两部分，其中硬件包括：电源、温度传感器、显示、控制、晶闸管驱动和报警的设计；软件包括：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，能够实现设置和调节初始温度值，
2、进行液晶显示，当加热到设定值后立刻报警。本设计从实际应用出发选取了体积小、精度相对高的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，实现了对温度的实时测量与恒定控制。关键词：关键词：单片机、温度传感器、恒温、声光报警、PID。引言：引言： 温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用，其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控
3、制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同。因而，对温度的测控方法多种多样。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行测控的技术，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。然而现有的温度传感元件大多为模拟器件（热电耦）体积大、应用复杂、而且不容易实现数字化等缺点，阻碍了应用领域的扩展。本设计从实际应用出发选取了体积小、精度相对高的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，实现了对温度的实时测量
4、与恒定控制。1 1、本课题设计要求本课题设计要求如下图所示，恒温箱采用木箱或纸箱（外形尺寸不大于30cm30cm30cm） ，内置白炽灯泡（功率不大于 100W）用于加热。30cm30cm木箱或纸箱白炽灯泡100W自制恒温箱要求（1）温度采集传感器采用热电阻或热电偶，或一体化数字温度传感器DS18B20。（2）控制灯泡亮度或发热量，采用可控硅平滑控制。（3）采用单片机作为控制器。（4）采用 LCD 的液晶显示器作为显示器，同时显示给定温度和实际温度。（5）采用自制按键的键盘作为温度给定值输入。（6）恒温箱实际温度达到给定值时（误差要求1）需声光提示，声音延时 5 秒后停止。（7）恒温箱最高温度
5、50。二、总体方案设计二、总体方案设计系统整体框图如下图：图 1 系统结构框图1.1.电源模块电源模块 首先是电源模块，利用变压器把 220V 的交流电转为正负 12V 的交流电，再 用二极管桥式整流电路，整流出直流电。之后用大电容平波，小电容滤波，之 后在用 7805 稳压芯片稳出 5V 的直流电，供给各个部分。其次是单片机的外围 电路，其中包括有单片机最小系统、LCD 显示、按键、晶闸管控制电路以及温 度采集电路。2.2.温度传感器温度传感器方案一：使用热敏电阻作为传感器，用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压，利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性，采集这两个电阻变化的分压值，并进行 A
6、/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的感温特性曲线并不是严格性的，会产生较大的测量误差。方案二：采用温度传感器铂电阻 Pt1000。铂热电阻的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，且此元件线性较好。在 0100 摄氏度时，最大非线性偏差小于 0.5 摄氏度。铂热电阻与温度关系是，Rt = R0(1+At+Bt) ;其中 Rt 是温度为 t 摄氏度时的电阻；R0 是温度为 0 摄氏度时的电阻；t 为任意温度值，A,B 为温度系数。方案三：采用模拟温度传感器 AD590K，AD590K 具有较高精度和重复性（重复性优于 0.1） ，其良好
7、的非线性可以保证优于0.1的测量精度。但其测量的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，所以本系统不宜采用此法。方案四：采用数字式温度传感器 DS18B20，此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，易于与单片机连接，可以去除 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具有测量精度高，测量范围广等优点。综合以上四种方案，本设计采用第四种方案，利用数字温度计 DS18B20 作为温度传感器。3.3.显示部分显示部分方案一：温度的显示可以用数码管，但数码管只能显示简单的数字，它有电路复杂，占用资源较多，显示信息少等缺点
8、。方案二：1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。显示字母和数字比较方便，控制简单，成本较低。我们设计的系统需要显示更多的信息，所以考虑显示功能更好的液晶显示，要求能显示更多的数据，增强显示信息的可读性，看起来更方便。综合以上两种方案，本设计采用方案二，用 1602 液晶显示器来显示数据。4.4.输出控制输出控制方案一：采用继电器，易于控制，且实行比较简单，但强电和弱电不能很好的隔离，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：采用固态继电器，易于控制，电路简单，但需要 PWM 波来进行控制，普通 51 单片机无 PWM
9、口，故不采用此法。方案三：采用晶闸管，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。综合以上三种方案，本设计采用晶闸管控制负载工作。三、硬件电路设计及工作原理三、硬件电路设计及工作原理1.1.系统功能及工作流程介绍系统功能及工作流程介绍根据恒温箱控制器的功能要求，并结合对 51 系列单片机的资源分析，即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。恒温箱控制器的总体布局如图 1 所示。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
10、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，当超过设置温度关闭加热器。当自然冷却到设定温度以下时，单片机再次启动加热器，如此循环反复，以达到恒温控制的目的。系统结构框图如图 1 所示，系统基本硬件电路图如图 2 所示。 图 2 基本硬件电路图2.2.系统硬件设计系统硬件设计（1 1）DS18B20DS18B20 测温电路测温电路DS18B20 数字温度计是 Dallas 公司生产的 1Wire 器件，即单总线器件。与传统的热敏电阻有所不同，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，具有连线简单、
11、微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、精度高等特点。因此用它来组成一个测温系统，具有电路简单，在一根通信线上可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。目前已被众多行业进行广泛的运用（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） 。通过编程，DS18B20 可以实现 912 位的温度读数。信息经过单线接口送入 DS18B20 或从 DS18B20 送出，因此从微处理器到 DS18B20 仅需连接一条信号线和地线。读、写和执行温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。每片 DS18B20 在出厂时都设有唯一的产品序列号，因此多个 DS18B20 可以
12、挂接于同一条单线总线上，这允许在许多不同的地方放置温度传感器，特别适合于构成多点温度测控系统由于 DS18B20 采用的是 1Wire 总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对 AT89S52 单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对 DS18B20 芯片的访问。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；若需要获得总线进行通信时则要监视总线是否空闲，若空闲，则置低电平获得总线控制权。 图 3 DS18B20 测温电路（2 2）输出控制电路）输出控制电路加
13、热电路中采用 MOC3023 的目的是实现强电与弱电的隔离，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。BTA16 是小型塑封双向晶闸管，当电源控制电路的输出管脚送出的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的开关控制指令为低电平，MOC3023 导通，BTA16 导通，电器被打开。R4 是BTA16 的保护电路。图 4 光耦控制输出（3 3）显示电路）显示电路1602 液晶也叫 1602 字符型液晶 它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块 它有若干个 5X7 或者 5X11 等点阵字符
14、位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。显示电路采用 LCD1602 液晶显示，如图(7)所示，图中只画出了其相应的接口，3 脚用于调节 LCD1602 的背光,4、5、6 为LCD1602 的控制口，用于控制其写入或是读出指令，7 至 14 脚为 LCD1602 的数据口，将数传送到 LCD1602 中。图 5 LCD1602 显示电路LCD1602 的特性：+5V 电压，对比度可调；内含复位电路；提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；有 80 字节显示数据存储器 DDRAM；内建有 160 个 5X7 点阵的字型的字符发生器 CGROM,8 个可由用户自定义
15、的5X7 的字符发生器 CGRAM；基本操作时序： 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 的各种指令不再一一说明。（4 4）温度越线报警电路）温度越线报警电路报警电路如图 8 所示，该电路采用一个小功率三极管 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，电路中的发光二极管指示出电路的工作状态。图 6 报警电路 （5 5）过零检测）过零检测 TLP521-2 是一个内部集成两个光耦的芯片，主要用于过零检测，当电源的正弦交流电过零时，在三极管的集电极的会产生一个下降沿和一个上升沿，这样单片机的外部中断口可以识别到，最终用于控制晶闸管的导通角。图 7 过零检测电路四、系统的应用软件设计四、系统的应用软件设计软件描述软件描述本程序的主要功能就是控制晶闸管的导通角，来控制白炽灯的亮度，最终达到控制温度的目的。设置有两个按键，一个按键可以增加
