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1、毕业设计（论文）题 目：恒温育种箱的设计与制作 年级专业： 电气自动化 班 级： 学生姓名： 指导教师： 二0一0年 五月 十四 日摘 要在日常生活、工业生产和实验室中电热恒温箱的应用随处可以见到。在生活中我们保存食物用到恒温箱，工业生产中一些生产原料的保存用到恒温箱，实验室里，特别是生物的培育实验室，恒温箱的应用更是普遍。在本设计中，我们针对培养箱而设计的一个恒温系统，在系统里，通过对恒温箱温度的检测与变送传到单片机，与给定值进行比较，单片机对数据进行处理，根据偏差信号的大小输出驱动PWM输出，通过改变PWM输出的周期和幅值，控制发热丝的功率，从而达到恒温箱内温度控制的目的。本设计的单片机为
2、51系列，对数据进行采集、比较、处理与输出，PWM通过单片机的脉冲输出，通过光电隔离输入放大电路对发热丝进行加温，直接对箱子温度进行提升，最终达到控制温度的目的。关键词：单片机；PWM；数字PID控制目 录第一章 绪论1第二章 总体方案设计22.1 方案一22.2 方案二3第三章 单元模块设计43.1数字温控芯片DS18B20介绍43.1.1 DS18B20的内部结构53.1.2 DS18B20的外形及引脚说明73.1.3 DS18B20温度传感器的存储器83.1.4 DS18B20的特性103.1.5 DS18B20工作原理113.1.6 DS18B20使用中注意事项133.2 预置数153
3、.2.1 拨码盘介绍153.3 时钟163.4 复位电路173.5 LED显示183.6 加热电路193.6.1 ULN2003介绍203.6.2 IGBT管介绍20第四章 PID控制214.1 PID控制原理214.2 PID控制系统框图214.3 PID算法22第五章 单片机软件的设计255.1 总体软件设计流程图25参考文献27附 录28第一章 绪论恒定温度的设备，被广泛地应用于生产、生活、实验等领域。在医用、水产、特种工业、工业探伤、照相等行业，都需要有稳定而精确的温度。在本设计中，我们针对培养箱而设计的一个恒温系统，在系统里，通过对恒温箱温度的检测与变送传到单片机，与给定值进行比较，
4、单片机对数据进行处理，根据偏差信号的大小输出驱动PWM输出，通过改变PWM输出的周期和幅值，控制发热丝的功率，从而达到恒温箱内温度控制的目的。本设计是对恒温箱进行的温度控制。从箱内温度的检测、变换到信号的转换和传送这一系列的过程都牵扯到很多的知识，在设计过程中我们也遇到很多困难，比如说温度测量器件的选用，变换成电压信号还是电流信号，相应的怎么传送等，都经过了考虑才选择了这个方案。单片机的设计中，单片机外部线路的设计，端口的分配和选用，复位和内部时钟的配合和电路的驱动等方面也遇到了不少问题，经过讨论我们都基本上解决了。加热电路我们选择了IGBT作为开关器件，IGBT可控而且开关频率很高，适合用在
5、控制频繁通断的场合。这里利用芯片DS18B20作为恒温箱的温度检测元件。DS18B20芯片可以直接把测量的温度值变换成单片机可以读取的标准电压信号。单片机从外部设置两位拨码开关进行预置数，读入的数据与预置数进行比较，根据偏差的大小，单片机执行程序对PWM进行控制，经过对PWM的输出脉冲进行放大，也就是对恒温箱内电阻丝的驱动，对恒温箱进行加热，使箱内温度升高，热电偶连续对恒温箱进行温度检测，当偏差存在时单片机就继续驱动后继电路进行加热，直到偏差为零。 第二章 总体方案设计2.1 方案一 图2.1利用热电偶作为恒温箱的温度检测元件，应用桥式电路对热电偶作为补偿。热电偶出来的电流信号通过转换变成电压
6、信号，再进行A/D转换变换成单片机可以接受的电压信号，在从单片机读入进行数据处理。单片机从外部设置两位拨码开关进行预置数，读入的数据与预置数进行比较，根据偏差的大小，单片机执行程序对PWM进行控制，经过对PWM的输出脉冲进行放大，也就是对恒温箱内电阻丝的驱动，对恒温箱进行加热，使箱内温度升高，热电偶连续对恒温箱进行温度检测，当偏差存在时单片机就继续驱动后继电路进行加热，直到偏差为零。在控制过程中，存在着检测信号与控制信号之间的滞后关系，因此，在单片机的控制程序里加入了数字PID控制算法，是控制更加的准确。单片机的设计包括外部时钟和上电复位电路计。单片机对温度的检测可以通过两个LED进行显示。2
7、.2 方案二 图2.2方案一：用的是热电偶进行温度的测量，热电偶的测量范围和精度要求都符合本设计的需要，在不同的环境下所需要的补偿是不一样的，而且输入单片机要进行模数转换,增加了转换电路即增加了成本,转换还需要时间,那往往就给控制带来了很多麻烦，而且给恒温巷的使用带来一定的局限性，使保温箱不能得到推广，给厂家大批量的生产也带来了很多不便。线性化的处理往往是应用热电偶的约束。而在方案二中，应用的是测量温度的专用芯片，避免了上述的一些问题，而且应用方案二的芯片使测量的灵敏度增加不少。在方案一中，热电偶测量出来的信号是电流信号，电流信号适合远距离传输，而到单片机的距离不大，电流信号容易受外界的干扰而
8、影响了测量信号，导致测量的误差增加，就算可以用其他方法消除干扰信号，也麻烦。而在方案二中，测量出来的是电压信号，能直接输入单片机，方便而且准确，不容易受外界干扰。在方案一中，需要进行电流电压的转换，在经过A/D转换，在经过标准化处理才能的到标准的数字电压向输入单片机，而方案二中却可以直接输入。综上所述：方案二比方案一有更大的优越性，而且方案二只用一个芯片就可以达到目的，而方案一却要经过多个步骤，从经济角度看，方案二更加经济实惠，且使用性强。因此这个设计决定起用方案二来进行综合设计。第三章 单元模块设计 图3.13.1数字温控芯片DS18B20介绍在本设计中，选用的是温度测量的专用芯片DS18B
9、20。DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20为新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济。DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总接独特而且经济的特点，是用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的建构引入全新的概念。DS18B20、DS1822“一线总线”数字化温度传感器同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-50+125,在-10+85范围内，精度为0.5。DS1822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。适合于恶劣环境的现场温度测量，
10、如：环境控制、设备或过程控制、测量类消费电子产品等。与前一代产品不同，新产品支持3v5.5v的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。DS18B20、DS1822的特性DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出色！DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。省略可存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM， 精度降低为2，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应
11、用，是经济型产品。DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的、经济的测温系统。3.1.1 DS18B20的内部结构1、DS18B20内部结构主要由四个部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校检码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可
12、以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。 表3.1 bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0LS Byte232221202(-1)2(-2)2(-3)2(-4) bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8MS ByteSSSSS262524这是12位转化后得到的12位数据,存储在18B20的两个比特的RAM中,二进制中的前面5位符号,如果测得的温度
13、大于0,这5位为0,只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度;如果温度小于0,这5位为1,测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度.例如+125的数字输出为07D0H,+25.0625的数字输出为0191H,-25.0625的数字输出为FF6FH,-55的数字输出为FC90H.表3.2TEMPERATUREDIGITAL OUTPUT(Binary)DIGITAL OUTPUT(Hex)+1250000 0111 1101 000007D0h+85*0000 0101 0101 00000550h+25.06250000 0001 1001 00010191h+10.1
14、250000 0000 1010 001000A2h+0.50000 0000 0000 10000008h00000 0000 0000 00000000h-0.51111 1111 1111 1000FFF8h-10.1251111 1111 0101 1110FF5Eh-25.06251111 1110 0110 1111FE6Fh-551111 1100 1001 0000FC90h*The power-on reset value of the temperature register is +853.1.2 DS18B20的外形及引脚说明外形如图3.1.2所示。图3.21（GND）：地2（DQ）：单线运用的数据输入输出引脚3（VDD）：可选的电源引脚3、DS18B20内部结构DS18B20的内部结构如图3
