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1、课程设计题目：单片机恒温箱温度控制系统的设计本课程设计要求：本温度控制系统为以单片机为核心，实现了对温度实时监 测和控制，实现了控制的智能化。设计恒温箱温度控制系统，配有温度传感器 采用DS18B20数字温度传感器，无需数模拟/数字转换，可直接与单片机进行数 字传输，采用了 PID控制技术，可以使温度保持在要求的一个恒定范围内，配 有键盘，用于输入设定温度；配有数码管 LED用来显示温度。技术参数和设计任务：1、利用单片机AT89C2051实现对温度的控制，实现保持恒温箱在最高温度为110 Co2、可预置恒温箱温度，烘干过程恒温控制，温度控制误差小于及C。3、预置时显示设定温度，恒温时显示实时
2、温度，采用 PID控制算法显示精确到0.1 C 04、温度超出预置温度i5C时发出声音报警。5、对升、降温过程没有线性要求。6、温度检测部分采用DS18B20数字温度传感器，无需数模拟/数字转换，可直 接与单片机进行数字传输7、人机对话部分由键盘、显示和报警三部分组成，实现对温度的显示、报警。一、本课程设计系统概述1、系统原理选用AT89C2051单片机为中央处理器，通过温度传感器 DS18B20对恒温 箱进行温度采集，将采集到的信号传送给单片机，在由单片机对数据进行处理控 制显示器，并比较采集温度与设定温度是否一致，然后驱动恒温箱的加热或制冷。 2、系统总结构图总体设计应该是全面考虑系统的总
3、体目标，进行硬件初步选型，然后确定一个系统的草案，同时考虑软硬件实现的可行性。总体方案经过反复推敲，确定了 以美国Atmel公司推出的51系列单片机为温度智能控制系统的核心，并选择低 功耗和低成本的存储器、数码显示器等元件，总体方案如下图：图1系统总体框图二、硬件各单元设计1 、单片机最小系统电路单片机选用 Atmel 公司的单片机芯片 AT89C2051 ,完全可以满足本系统中要求的采集、控制和数据处理的需要。 单片机的选择在整个系统设计中至关重要，该单片机与MCS-51 系列单片机高度兼容、低功耗、可以在接近零频率下工作等诸多优点，而广泛应用于各类计算机系统、工业控制、消费类产品中。AT8
4、9C2051 是 AT89 系列单片机中的一种精简产品。它是将AT89C51 的P0 口、 P2 口、 EA/Vpp 、 ALE/PROG 、 PSEN 口线省去后，形成的一种仅 20引脚的单片机，相当于早期 Intel8031 的最小应用系统。这对于一些不太复杂的控制场合，仅有一片 AT89C2051 就足够了，是真正意义上的“单片机” 。AT89C2051 为很多规模不太大的嵌入式控制系统提供了一种极佳的选择方案，使传统的51 系列单片机的体积、功耗大、可选模式少等诸多弱点不复存在。该型号单片机包括:（ 1）一个 8 位的微处理器（CPU） 。（2）片内有2K字节的程序存储器（ROM）和1
5、28/256字节RAM。（ 3） 15 条可编程双向 I/O 口线。（ 4）两个 16 位定时器/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。（ 5）五个中断源的中断控制系统。（6） 一个全双工UATR（通用异步接收发送器）的串行I/0 口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信。7）片内含模拟比较器。精品资料（8）低功耗的闲置和掉电模式图2最小系统电路AT89C2051是一个20脚的双列直插封装（DIP）芯片。最小系统电路包括晶体 振荡电路和手动复位电路，如图2。本设计使用一片AT89C2051就代替了原来的803
6、1、EPROM2732和地址锁 存器74LS373,因为AT89C2051内部的2KB EPROM和128B的RAM ,对智能化 温度传感器测试系统已能满足设计要求，而且降低了成本，结构设计也较精巧。Title2、温度传感器Size IBDate:2File:5采用数字温度传感器DS18B20,与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被 测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现 912位的数字值读数方式。可 以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的 .34信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线
7、本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源 因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高，成本更低。测量温度范围为55c+125C C,在一 10c+85C。C范围内，精度为0.5C。DS1822的精度较差为2C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。具引脚分布如图3所示口用口c crrQs s i DDSISB20D c c c N N N N G agmE图3 DS18B20引脚图（1）引脚功能如下：NC（1、2、6、7、8脚）：空引脚,悬空不使用。VDD（3脚）:可选电源脚，电源电压范围35.5V。DQ（4脚）:数据/&入/输出脚，漏极
8、开路，常态下高电平。DS18B20测温原理DS18B20的测温原理如图4所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55 C所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉 冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1,计 数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信 号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此 时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补
9、偿和修正测温过程中的 非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。DS18B20在正常使用时的测温分辨 率为0.5 C,如果要更高的精度，则在对DS18B20测温原理进行详细分析的基础 上，采取直接读取DS18B20内部暂存寄存器的方法，将DS18B20的测温分辨率 提高到0.10.01 C。图4测温原理图DS18B20与单片机接口电路P1.3 口和DS18B20的引脚DQ连接，作为单一数据线。U2即为温度传感芯片DS18B20,本设计虽然只使用了一片DS18B20，但由于不存在远程温度测量的考 虑，所以为了简单起见，采用外部供电的方式，如图2.6所示。测温电缆采用屏蔽4芯 双绞线，其中一对线接地
10、线与信号线，另一对接VCC和地线，屏蔽层在电源源端单 点接地。U1+5V1.RSTVCC.(RXD)P3.0P1.7(TXD)P3.1P1.6,XTAL2P1.5XTAL1P1.4(INT0)P3.2P1.3(INT1)P3.3P1.2，(T0)P3.4 P1.1(AIN1)(T1)P3.5 P1.0(AIN0)GNDP3.720219341817、R154.7KU212NCNCNCNCVDDNCDQGND8751615346514DS18B201313901211AT89C2051图5 DS18B20与单片机接口电路3、键盘显示电路LED与控制器的连接有并行和串行方式。 由于用行方式占用较少
11、接口 ,因此 得到广泛应用。显示电路中选用 MAX7219作为LED驱动芯片。MAX7219是一个 高集成化的串行输入/输出的共阴极LED驱动显示器。每片可驱动8位7段加小数 点的共阴极数码管。片内包括BCD译码器、多路扫描控制器、字和位驱动器和 8 X8静态RAM。外部只需要一个电阻设置所有LED显示器字段电流。MAX7219和 控制器只需要三根导线连接，每位显示数字有一个地址由控制器写入。允许使用 者选择每位是BCD译码或不译码。使用者还可以选择停机模式、数字亮度控制、 从18位选择扫描位数和对所有LED显示器的测试模式。(1)引脚功能MAX7219是24引脚芯片，它的引脚排列如图2.7所
12、示。各引脚功能如下： 1) DIN(1脚):串行数据输入端，当CLK为上升沿时数据被载入16位内部移位寄存2） CLK （13脚）：串行时钟脉冲输入端，最大工作频率可达 10MHz。3） LOAD （12脚）：片选端，当LOAD为低电平时，芯片接收来自DIN的数据，接收完毕，LOAD回到高电平，接收的数据将被锁定。4） DIG0DIG7 （2、3、5、6、7、8、10、11脚）：吸收显示器共阴极电流的位驱动线，最大值可达500mA oDINUbLDIG 4GNUDIGLlb :DIG 3DIG ：图6 MAX7219引脚图口叵叵叵zrzE叵叵叵叵应 1 C DIGM E I5） SEGA SE
13、GG、SEGDP （14、15、16、17、20、21、22、23脚）：驱动显示器7段及小数点的输出电流，一般为40mA,可编程调整。6） ISET （18脚）：硬件亮度调节端。7） DOUT （24脚）：串行数据输出端；V+,正电源。8） GND （9脚）:接地。MAX7219与单片机和LED及键盘的接口电路1） MAX7219的3个输入端DIN、CLK和LOAD与单片机的三个I/O 口连接，DIG0DIG7分别与八个共阴极LED的公共端连接，SEGASEGG、SEGDP分别与每个LED七段动和小数点驱动端相连。电路图如图7所示。2）键盘功能介绍采用独立式按键设计，如图上图所示。 由于只有四
14、个按键，因此按键接口电路的设计比较简单，单片机P1.4P1.7端口设定为输入状态，平时通过电阻上拉到 Vcc ，按键按下时，对应的端口的电平被拉到低电平。这样就可以通过查询P1的高4位来判断有门有按键按下按键各接一根输入线，一根输入线的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。通过读I/O 口，判断各I/O 口的电平状态，即可识别出按下的按键。4 个按键定如下：A、 P1.4:S1 功能键，按此键则开始键盘控制。B、 P1.5:S2 加，按此键则温度设定加1度。C、 P1.6:S3 减，按此键则温度设定减1度。D、 P1.7:S4 发送，按此键将传感器的温度传送到上位机。+5VOPD12345607o8910RSTVCC(RXD)P3.0P1.7(TXD)P3.1P1.6XTAL2P1.5XTAL1P1.4(INT0)P3.2P1.3(iNTT)P3.3P1.2(T0)P3.4 P1.1(AIN1)(T1 )P3.5 P1.0(AIN0)GNDP3.7U1AT89 C2 05120DS7、a10 99 Jc8, Jd5 、e 4Xflg 3Dp7abcdDPYae星dpDpy Amber-CA+5VR55.1R55.1 KR55.1 KR55.1 KD OS2
