课程设计说明书恒温箱.docx
《课程设计说明书恒温箱.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《课程设计说明书恒温箱.docx（36页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
课程设计说明书恒温箱
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，通过对恒温系统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，当温度达到报警的上、下限值时，即触发报警器报警，同时驱动电机转动。
电机与调压器相连，当温度高于25度的时候，电机顺时针旋转，电压变小；当温度低于15度时，电机逆时针旋转，电压变大；当温度值在此之间时电机不转动，蜂鸣器不报警，与此同时数码管显示各种状态下的温度值，并可随之改变。
如此反复以达到恒温控制的目的。
关键词：
单片机恒温控制，电机，蜂鸣器；
1引言
1.1问题的提出
温度控制，在工业自动化控制中占有非常重要的地位。
单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，自动化、智能化均离不开单片机的应用[1]。
将单片机控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严重滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。
现代自动控制越来越朝着智能化发展，在很多自动控制系统中都用到了工控机，小型机、甚至是巨型机处理机等，当然这些处理机有一个很大的特点，那就是很高的运行速度，很大的内存，大量的数据存储器。
但随之而来的是巨额的成本。
在很多的小型系统中，处理机的成本占系统成本的比例高达20%，而对于这些小型的系统来说，配置一个如此高速的处理机没有任何必要，因为这些小系统追求经济效益，而不是最在乎系统的快速性，所以用成本低廉的单片机控制小型的，而又不是很复杂，不需要大量复杂运算的系统中是非常适合的。
课题基于AT89C51单片机，以PID控制算法为核心算法，设计了恒温控制系统，实现了系统的温度控制。
1.2所在研究领域的历史和现状，前沿的主要问题及遇到的问题
不同的产品需要通过不同温度的控制来生产，这就要求有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。
在日常人们的生活中，温度控制系统的应用和作用也体现到了各个方面，随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的服务于社会。
随着电子技术的发展，特别是大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么单片机技术的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。
目前，单片机在工业控制系统诸多领域得到了极为广泛的应用。
特别是其中的C51系列单片机的出现，由于它具有极好的稳定性，更快和更准确的运算精度。
因此，它的出现不但推动了工业的生产，也影响着人们的工作和学习。
采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。
1.3论文研究意义
近年来，随着计算机技术的发展，各企业对温度检测技术提出了更高的要求，希望制造出适应性更强、精度更高、性能更稳定、并具有智能功能的新一代温度检测仪表。
单片微处理器具有高精确度、高灵敏度、高响应速度，以及耗能少、机构小、可以连续测量、自动控制、安全可靠等优点。
同时，其逻辑控制运算是由软件来进行的,可以容易的实现各种控制规则，甚至是比较复杂的控制算法的实现，而且不受外界的工作环境的影响。
因此，基于单片机的温度控制器可以安全可靠地运行，智能地控制环境温度稳定在某一给定值，或者给定值附近，可以大幅度提高被测温度的技术指标。
1.4研究成果
系统按软硬件独立配合完成，在参阅大量文献资料，总结吸取前人的经验，经过设计，焊接，调试，成功地实现了系统的各个功能，达到了以下技术指标：
1.通过键盘控制，输入要控制的温度值。
2.正常运行时，能根据输入值控制输出。
3.系统的控制温度可以通过键盘任意控制（在允许的范围内）。
4.数据掉电不丢失。
1.5任务与分析
本设计是对恒温系统进行的温度控制。
从系统内温度的检测、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，经过讨论我都基本上解决了。
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DS18B20读入的数据与预置数进行比较，当达到温度上下限值即驱动电机转动，调节电压器的值，进而对温度进行调节。
2方案设计
2.1总体设计和方案论证
系统总体设计分为硬件和软件两个部分，文章主要为软件方面的设计。
总体结构包括AT89C51的主控芯片，温度采集电路，电机驱动电路，数码管显示电路，蜂鸣器报警电路。
2.1.1系统硬件结构图
图2-1温度控制结构框图
如上图所示，系统以AT89C51为控制核心，在基于外围采集，控制电路的配合下，完成对温度的控制。
主要的软件模块为，温度采集模块，数码管显示模块，电机控制模块，蜂鸣器报警控制模块。
2.1.2总体方案论证
方案一：
采用传统的模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器设定给定值，采用上下限比较电路将实测的温度值与给定的温度值进行比较，决定加热或者降温。
由于采用模拟控制方式，系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法使控制精度做得较高，而且不能用液晶显示和键盘设定。
方案一系统框图如图2-2所示：
图2-2方案一系统框图
方案二：
采用单片机为控制核心。
采用了DS18B20芯片对温度进行采集（芯片内部会进行AD转换）通过单片机处理后去控制温度，使其达到稳定。
使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。
方案二系统框图如图2-3所示：
图2-3方案二系统框图
对比方案一，方案二明显的改善了方案一的不足及缺点，并具有控制简单、控制温度精度高的特点，因此设计电路采用方案二。
2.1.3温度采集模块方案论证
方案一：
采用热敏电阻，可满足测量范围，但热敏电阻精度、重复性和可靠性都比较差，对于检测精度小于1℃的温度信号是不适用的。
方案二：
采用温度传感器AD590K。
AD590K具有较高精度和重复性，良好的非线性保证±0.1℃的测量精度。
加上软件非线性补偿可以实现高精度测量。
AD590将温度转化为电流信号，因此要加相应的调理电路，将电流信号转化为电压信号，送入A/D转换器，最终送往单片机。
方案三：
采用数字温度传感器DS18B20。
DS18B20为数字式温度传感器，无需其他外加电路，直接输出数字量，转换速度快，精度高，可靠性高。
可直接与单片机通信，读取测温数据，电路简单。
3系统硬件电路设计
3.189C51单片机
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
如图3-1所示为单片机引脚图：
图3-189C51单片机引脚图
89C51单片机与早期Intel的8051/8751/8031芯片的外部引脚和指令系统完全兼容，只不过用FlashROM替代了ROM/EPROM而已。
89C51单片机内部结构如图3-2所示：
图3-289C51单片机内部结构示意图
各引脚的功能如下：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA：
当/EA保持低电平时，则在此期间CPU只访问外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，则执行内部程序存储器中的程序。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3.2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DS18B20。
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，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3v~5.5v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9~12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。
3.2.1DS18B20的内部结构
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。
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3.1为温度与数据关系表：
表3.1温度与数据关系
温度
数字输出（二进制）
数字输出（十六进制）
+125℃
0000011111010000
07D0h
+85℃*
0000010101010000
0550h
+25.0625℃
0000000110010001
0191h
+10.125℃
0000000010100010
00A2h
+0.5℃
0000000000001000
0008h
0℃
0000000000000000
0000h
-0.5℃
1111111111111000
FFF8h
-10.125℃
1111111101011110
FF5Eh
-25.0625℃
1111111001101111
FE6Fh
-55℃
1111110010010000
FC90h
3.2.2DS18B20的外形及引脚说明
外形如图3-3所示：
图3-3DS18B20外形图
1（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。
3.2.3DS18B20内部结构
DS18B20的内部结构如图3-4所示：
图3-4DS18B20的内部结构
3.2.4DS18B20温度传感器的存储器
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
暂存存储器包含了8个连续字节,前两个字节是测得的温度信息,第一个字节的内容是温度的低八位,第二个字节是温度的高八位。
第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝,第五个字节是结构寄存的易失性拷贝,这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。
第六、七、八个字节用于内部计算。
第九个字节是冗余检验字节。
低五位一直都是1,TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式,在DS18B20出厂时该设置为0,用户不要去改动.R1和R0用来设置分辨率,如下表所示（DS18B20出厂时被设置为12位），图表3.4为分辨率设置。
表3.4分辨率设置
R1
R0
分辨率
温度最大转换时间
0
0
9位
93.75ms
0
1
10位
187.5ms
1
0
11位
375ms
1
1
12位
750ms
根据DS18B20的通讯协议,主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤:
每一次读写之前都要对DS18B20进行复位,复位成功后发送一条ROM指令,最后发送RAM指令,这样才能对DS18B20进行预定的操作.复位要求主CPU将数据线下拉500微秒,然后释放,DS18B20收到信号后等待16~60微秒左右,后发出60~240微秒的存在低脉冲,主CPU收到此信号表示复位成功。
表3.5为DS18B20的功能指令表：
表3.5功能指令表
指令
约定代码
功能
读ROM
33H
读DS1820ROM中的编码（即读64位地址）
符合ROM
55H
发出此命令之后,接着发出64位ROM编码,访问单线总线上与该编码相对应的DS1820使之作出响应,为下一步对该DS1820的读写作准备
搜索ROM
0F0H
用于确定挂接在同一条总线上DS1820的个数和识别64位ROM地址,为操作各器件作好准备
跳过ROM
0CCH
忽略64位ROM地址,直接向DS1820发温度变换指令,适用于单片工作.
告警搜索命令
0ECH
执行后,只有温度超过设定值上限或下限的片子才作出响应.
温度变换
44H
启动DS1820进行温度转换,转换时间最长为500ms（典型为200ms）,结果存入内部9字节RAM中
读暂存器
0BEH
读内部RAM中9字节的内容
写暂存器
4EH
发出向内部RAM的第3,4字节写上,下限温度数据命令,紧跟该命令之后,是传输两字节数据.
复制暂存器
48H
将RAM中的第3,4字内容复制到EEPRAM中.
重调EEPRAM
0B8H
将EEPRAM中内容恢复到RAM中的第3,4字节.
读供电方式
0B4H
读DS18B20的供电模式,寄生供电时DS18B20发送“0”，外接电源供电，DS18B20发送“1”
3.2.5DS18B20的特性
DS18B20可以程序设定9~12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，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，省略了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，成本控制严格的应用，是经济型产品。
表3.6为DS18B20的特性指标：
表3.6特性指标
序号
项目
指标
1
温度传感器
DS18B20数字温度传感器
2
温度精度
±0.5℃（-10~+85℃范围内）
3
测温范围
-55℃~+125℃
4
温度分辨率
12位（0.0625℃）
5
测温速度
750ms（12位分辨率）
6
电源要求
3V~5.5V
7
通讯电缆
三芯屏蔽电缆
8
支持通讯电缆长度
>300m
9
运行环境
-55℃~+125℃
10
外型尺寸
ψ6mm
11
材质
不锈钢
3.2.6DS18B20工作原理
DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同,只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。
下图是DS18B20的读写时序图：
图3-5DS18B20的读写时序图
3.2.7DS18B20与单片机的连接图：
图3-6DS18B20与单片机的连接图
3.2.8DS18B20使用中注意事项
DS18B20虽然具有测温系统简单，测温精度高，连接方便，占用口线少等优点，但实际应用中也应注意以下几方面的问题：
（1）.较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送。
因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格地保证读写时序，否则将无法读取测温结果。
在使用PL/M，C等高级语言进行系统程序设计时，对DS18B20操作部分最好采用汇编语言实现。
（2）.在DS18B20的有关资料中，均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并未如此。
当单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时，要加以注意。
（3）.连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的，试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50米时，读取的测温数据将发生错误。
当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150米。
当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。
这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成地。
因此，在使用DS18B20进行长距离测温系统设计时，要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。
（4）.在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一但某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环。
这一点在进行DS18B20硬件连接和软件设计时也要给以一定的重视。
3.3恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N介绍
3.3.1L298N的内部结构
L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。
可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。
L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号，而且电路简单。
图3-7为L298N的内部结构图：
图3-7L298N的内部结构图
3.3.2L298N的引脚图
图3-8L298的引脚图
3.3.4L298N与单片机的连接图
图3-9L298与单片机连接图
3.4时钟电路：
图3-10时钟电路图
单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该增益反相放大器的输入端为X1，输出引脚为X2。
两个引脚跨接晶振和微调电阻，就构成一个稳定的自激振荡器。
3.5复位电路：
本设计用的是手动复位电路中的按键电平复位电路。
通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现。
如图3-11所示：
图3-11复位电路
3.6LED显示电路：
单片机对数据进行处理后通过LED进行显示。
LED接成共阴，位选用译码器控制，段选由锁存器锁存，同时考虑的LED的扩流电路。
LED各管脚如图3-12所示，接单片机的P0口和P2口。
图3-12LED显示电路
4系统软件设计
4.1Proteus软件环境介绍
本系统的硬件设计首先是在Proteus软件环境中仿真实现的。
Proteus软件是来自英国Labcenterelectronics公司的EDA工具软件，Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，它的电路仿真是互动的。
针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试。
如果有显示及
升级会员 