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1、 .wd.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，可直接与单片机进展数字传输，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。2、可预置恒温箱温度，烘干过程恒温控制，温度控制误差小于2。3、预置时显示设定温度，恒温时显示实时温度，采
2、用PID控制算法显示准确到0.1。4、温度超出预置温度5时发出声音报警。5、对升、降温过程没有线性要求。6、温度检测局部采用DS18B20数字温度传感器，无需数模拟数字转换，可直接与单片机进展数字传输7、人机对话局部由键盘、显示和报警三局部组成，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对恒温箱进展温度采集，将采集到的信号传送给单片机，在由单片机对数据进展处理控制显示器，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、系统总构造图总体设计应该是全面考虑系统的总体目标，进展硬件初步选型，然后确
3、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，总体方案如以以下图：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。AT89C2051是AT89系列单片机中的一种精简
4、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128/256字节RAM。315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，
5、用以对外部事件进展计数，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。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8031、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
6、计要求，而且降低了成本，构造设计也较精巧。2、温度传感器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可使系统构造更趋简单,可靠性更高，成本更低。测量温度范围为55+125。C，在一10+85。C范围内，精度为0.5。DS1822
7、的精度较差为2。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。其引脚分布如图3所示图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):数据输入/输出脚,漏极开路,常态下高电平。(2) 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和温度存放器被预置在-55所对应的一个基数值。计
8、数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进展减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度存放器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开场对低温度系数晶振产生的脉冲信号进展计数，如此循环直到计数器2 计数到0时，停顿温度存放器值的累加，此时温度存放器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补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，如果要更高的精度，那么在对DS18B20测温原理进展详细分析的根基上，采取直接读取DS18B20内部暂存存放器的方法，将DS18B20的测温分辨率提高到0.10.01。图4 测温原理图(3) DS1
9、8B20与单片机接口电路P1.3口和DSl8B20的引脚DQ连接,作为单一数据线。U2即为温度传感芯片DSl8B20,本设计虽然只使用了一片DSl8B20 ,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。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。由于串行方式占用较少接口，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。
10、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88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位内部移位存放器。2) CLK13脚：串行时钟脉冲输入端，最大工作频率
11、可达10MHz。3) LOAD12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) DIG0DIG72、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。图6 MAX7219引脚图5) SEGASEGG、SEGDP14、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) ISET18脚：硬件亮度调节端。7) DOUT24脚：串行数据输出端；V，正电源。8) GND9脚：接地。(2)MAX7219与单片机和LED及键盘的接口电路1 M
12、AX7219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
13、识别出按下的按键。4个按键定如下：A、P1.4:S1功能键，按此键那么开场键盘控制。B、P1.5:S2加，按此键那么温度设定加1度。C、P1.6:S3减，按此键那么温度设定减1度。D、P1.7:S4发送，按此键将传感器的温度传送到上位机。图7 MAX7219与单片机和LED及键盘的接口电路4、 驱动控制电路(1) 热电制冷介绍热电制冷原理：半导体热电偶由N型半导体和P型半导体组成。当电流的极性如图8所示时，电子从电源负极出发，经连接片、P型半导体、连接片、N型半导体，最后回到电源正极。N型材料有多余的电子，有负温差电势。P型材料电子缺乏，有温差电势;当电子从P型穿过结点至N型时，其能量必然增加
14、，而且增加的能量相当于结点所消耗的能量。这一点可用温差降低来证明。相反，当电子从N型流至P型材料时，结点的温度就会升高。直接接触的热电偶电路在实际的引用中不可用，所以用图8的连接方式来代替，实验证明，在温差电路中引入铜连接片和导线，不会改变电路的特性。简单地说当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收能量，成为冷端;由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。吸收和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定。图8 半导体制冷原理图(2) 驱动控制电路光耦合双向可控硅驱动器是
15、一种单片机输出与双向可控硅之间较理想的接口器件，它由入和输出两局部组成，输入局部为砷化镓发光二极管，该二极管在5mA15mA正向电流作用下发出足够强度的红外光，触发输出局部。连接电路如图9所示。输出局部为硅光敏双向可控硅，在红外线作用下可双向导通。光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种“电-光-电转换器件。它由发光源和受光器两局部组成。把发光源和受光器组装在同一壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入局部，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等。在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于鼓励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了“电-光-电转换。在光电耦合器的内部，由于发光管和受光器之间的耦合电容很小，使用共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高。在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。光电耦合器也可工作在开关状态，传输脉冲信号。在传
