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1、精选优质文档-倾情为你奉上基于单片机的恒温箱控制系统设计电子信息工程 王锋摘要 恒温控制在工业生产过程中举足轻重，温度的控制直接影响着工业生产的产量和质量。本设计是基于AT89C51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：温度传感器、显示、控制和报警的设计；软件包括：键盘管理程序设计、显示程序设计、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，进行数码管显示，当加热到设定值后立刻报警。另外，本系统通过软件实现对按键误差、加热过冲的调整，以提高系统的安全性、可靠性和稳定性。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
2、感元件DS18B20作为温度采集器，单片机AT89C51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与恒定控制。关键词 单片机；温度传感器；恒温；控制；报警The Design of Refrigerator Door Shell Shaping Control System Based on Siemens WINCCElectronicInformationEngineeringWANGFengAbstract: The system makes use of the single chip AT89C51 as the temperature controlling cent
3、er, uses numeral thermometer DS18B20 which transmits as 1-wire way as the temperature sensor, through the pressed key, the numerical code demonstrated composite of the man-machine interactive connection ,to realize set and adjust the initial temperature value. After the system works, the digital tub
4、e will demonstrate the temperature value, when temperature arriving to the setting value, the buzzer will be work immediately. In addition, the system through the software adjusting to the pressed key error, and the excessively hutting. All of these are in order to enhance the systems security, reli
5、ability and stability.Keywords: DS18B20;MCU;Constant temperature control; 1-wire transmission目录专心-专注-专业1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
6、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AT89C51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与恒定控制。2系统概述2.1简述单片机已经在测控中获得了广泛的应用，它除了可以测量电信号以外，还
7、可以用于温度、湿度等非电信号的测量，能独立工作的单片机温度检测、温度控制系统已经广泛应用到很多领域。单片机的接口信号是数字电信号，要想用单片机获取温度这类非电信号的信息，毫无疑问，必须使用温度传感器。温度传感器的作用是将温度信息转换为电流或电压输出，如果转换后的电流或电压输出是模拟信号，那么还必须进行A/D转换，以满足单片机接口的需要。传统的温度检测大多以热敏电阻为温度传感器，但热敏电阻的可靠性差、测量温度准确率低，而且必须经过专门的接口电路转换成数字信号后才能由单片机进行处理。随着微电子技术的发展，单片微处理器功能日益增强，价格低廉，在各方面得到广泛应用。在温度控制器中应用单片机，具有设计简
8、单、可靠性高、控制精度高，功能易扩展，有较强的通用性等优点。温度控制器主要实现对恒温箱温度的控制，并满足不同用户的个性需求。因此一个较完善的控制器应具有以下功能： 温度的测量与显示；用户设定功能(如温度设定，定时设定等)； 对电加热管的控制功能； 一些功能键(如定时自动加热，恒温控制，手动加热等)； 安全措施(漏电检测，安全失效保护，限温保护等)。本文将采用一种数字温度传感器来实现基于51单片机的恒温箱控制系统设计。整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。3设计思路分析设计51单片机的恒温箱控制系统设计时，需要考虑下面3个方面的内容： 选择合适的温度传感器芯片。显然，本文中的核心器件
9、是单片机和温度传感器，单片机采用常用的51单片机即可，而温度传感器的选择则需慎重。 单片机和温度传感器的接口电路设计。 控制温度传感器实现温度信息采集以及数据传输的软件设计。4方案论证4.1温度传感器方案一：采用热敏电阻，可满足4090的测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性都比较差，其测量温度范围相对较小，稳定性较差，不能满足本系统温度控制的范围要求。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+
10、Bt*t) ;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：采用数字温度传感器DS18B20，DS18B20提供九位温度读数，测量范围-55125，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,DS18B
11、20支持一主多从,若想实现多点测温,可方便扩展。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。4.2显示部分方案一：采用I/O口直接驱动，需要占用大量可贵的I/O口资源，且系统运行后，更换元件不易，不符合系统设计的可靠性、易扩展性原则。方案二：采用串行口驱动、静态显示，利用单片机的串行口输出数据，显示多位数码，可节省大量的I/O口，但每个数码管必须有一个驱动芯片，且每位段码须接一个限流电阻，所须元件多，硬件电路比较复杂。方案三：采用串行口驱动、动态扫描显示，利用单片机的串行口输出数据，显示多位数码，多个数码管可共用驱动芯片和限流电阻。这样既可以简化硬件电路
12、，又可以节省大量的I/O口线，为功能扩展留下空间。综合以上三种方案，本设计采用方案三：串行口驱动、动态显示。根据系统具体指标要求，可以对每一个具体部分进行分析设计。4.3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。方案二：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。综合以上两种方案，本设计采用光电藕合器控制负载工作。5硬件设计及工作原理5.1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AT89C
13、51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3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。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，在本系统中，DP1DP3用于七段数码显示；P1.0用于接收DS18B20采集到的数字温度信号；FUZA1控制光电开关，决定电加热器
14、是否工作；K1K3用于按键控制；BELL和P1.4、P1.5用于控制扬声器和发光二极管，进行声光报警；串行口用于输出显示段码；P2.0、P2.1用于对数码管进行动态扫描。图1 系统结构框图图2 基本硬件电路图5.2功能模块根据上面对工作流程的分析，系统软件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：完成A/D转换及数字滤波。(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。5.3系统硬件设计5.3.1DS18B20测温电路DS18B20数字温
15、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、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。5.3.2DS18B20的特点介绍（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
