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基于单片机的电加热恒温控制器的设计

摘要:

随着国民经济的发展，人们需要对各中加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制。

采用单片机来对他们控制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。

介绍了一种以AT89S52为主要控制器件，以DS18B20为温度传感器的新型数字温度计设计方法，其硬件电路包括主控制器，测温电路和显示电路等。

该温度计用于软件编写过程中对上下报警温度值设置，当温度不在设置范围内时，可以报警。

与传统的温度计相比，该数字温度计减少了外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点。

关键词：

单片机；恒温控制器；DS18B20

BasedonMonolithicIntegratedCircuit'sElectricHeatingConstantTemperatureController'sDesign

Abstract:

Alongwithnationaleconomydevelopment,thepeopleneedtoeachheatingfurnace、theheat-treatmentfurnace、inthereactorandtheboilerthetemperaturecarryonthemonitorandthecontrol.Notonlyusesthemonolithicintegratedcircuittocometothemtocontrolhasthecontroltobeconvenient,simpleandflexibilitybigandsoonmerits,moreovermayenhancelargescaleisaccusedthetemperaturetechnicalspecification,thuscanbigenhancetheproductthequalityandquantity.

Anewtypedigitalthermometerisintroduced,whichtakeamicrocontrollerunitasprimarycontrolcomponentandDS18B20astemperaturesensor.Thehardwarecircuitmainlyincludesmastercontroller,temperaturemeasurementcircuitanddisplaycircuit.Thesoftwaredevelopmentcanbemadeupfromtemperature，whenthetemperatureisnotintherankofwrittenin，thethermometercanwarning.Comparedwiththetraditionalthermometer,thisdigitalthermometercanreduceexternalhardwarecircuit,anditfeatureslowlostandeasilyuse.

Keywords:

MonolithicIntegratedCircuit;HeatingConstant;DS18B20

目录

1概述 1

1.1课题研究的背景 1

1.2课题研究的意义 1

1.3课题研究的内容 2

2系统的方案设计 3

2.1系统设计要求 3

2.2方案设计 3

2.2.1控制电路和温度设定电路方案与选择 3

2.2.2测温电路方案选择 4

2.2.3显示模块的选择方案和论证 4

2.2.4加热电路方案选择 4

2.2.5单片机的选择 5

2.2.6单片机AT89S52 5

2.2.7总体电路设计 8

3．硬件电路的设计 9

3.1电路总体原理框图 9

3.2系统各功能模块电路设计 9

3.2.1最小系统 9

3.2.2温度采集电路的设计 11

3.2.3键盘和显示的设计 11

3.2.4加热控制电路的设计 12

3.2.5报警及指示灯电路的设计 13

3.2.6时钟电路及外部复位电路 14

3.2.7电源电路 15

3.3原理图的设计 16

4．软件系统的设计 19

4.1.主程序模块 19

4.2.温度采集模块 19

4.3键盘模块 20

4.4显示模块 21

4.5中断模块 22

4.6.运算控制模块 23

5．设计总结 25

参考文献 26

致谢 27

附录1基于单片机的电加热恒温控制器的设计电路原理图 28

附录2基于单片机的电加热恒温控制器的设计的PCB图 29

附录3程序清单 30

基于单片机的电加热恒温控制器的设计

1概述

随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，能够独立工作的温度检测和显示系统应用于诸多领域。

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。

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AT89S52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。

1.1课题研究的背景

温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域,如家电、汽车、材料、电力电子等,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同。

在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。

这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。

传统的继电器调温电路简单实用,但由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。

控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便仍是普遍存在的问题。

而采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。

数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。

由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。

更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测。

1.2课题研究的意义

随着电子技术的发展和人们生活质量的提高，特别是随着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。

现代社会中，随着社会的发展、科技的进步以及工业水平的逐步提高，各种恒温控制系统开始进人了工业以及其他领域，以单片机为核心的电热恒温控制系统就是其中之一同时也标志了恒温控制领域成为了自动化时代的一员。

它实用性强，功能比较齐全，使人们相信这是科技进步的成果。

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。

1.3课题研究的内容

本课题主要完成以下内容：

A.在明确系统功能要求的前提下设计出系统的总体结构；

B.方案设计，根据现场系统工作原理框图和系统的结构图以AT89S52芯片为控制核心，选择控制系统所需的硬件并进行系统硬件电路的设计；

C.在原理图的基础上设计PCB图；

D.完成系统的软件设计；

2系统的方案设计

2.1系统设计要求

A.温度控制范围：

室温+10℃～+90℃；

B.温度控制精度：

±0.5℃；

C.温度设置：

可以由按键设置控制温度；

D.显示：

四位有效值显示。

2.2方案设计

对课题进行深入的分析和思考，可将整个系统分区为以下几部分：

控制电路、温度设定电路、测温电路、显示电路、加热电路。

图2-1系统总体框图

2.2.1控制电路和温度设定电路方案与选择

控制电路可以用硬件的方式实现，也可以用软件的方式实现，具体方案有三：

A.方案一

可可以用运放等模拟电路搭接一个控制器，用模拟方式实现PID控制，对纯粹的水温控制这是足够的。

但是附加的显示，温度的设定等功能，还要附加许多电路，稍显麻烦。

同样也可以用逻辑电路实现，但总体的电路设计和制作繁琐。

B.方案二

可以使用FPGA实现控制功能，使用FPGA时，电路设计比较简单，通过相应的编程设计，可以很容易实现控制、显示、键盘等功能。

是一种可选的方案。

但与单片机相比较，价格较高，显得大材小用。

C.方案三

可以使用单片机作为核心，同时可以实现控制、显示、键盘等功能。

电路设计和制作比较简单，是一种非常好的方案。

2.2.2测温电路方案选择

A.方案一

可以使用热敏电阻作为测温元件，热敏电阻精度高，需要配合电桥电路，电路设计比较麻烦。

B.方案二

可以使用热点偶作为测温元件，热电偶在工业上应用比较广泛，测温精度比较高，性能可靠，并有专用的热电偶测温电路。

C.方案三

采用半导体集成温度传感器作为测温元件，半导体温度传感器应用也比较广泛，精度、可靠性都不错，价格适中，使用比价简单，是一种较好的方案。

2.2.3显示模块的选择方案和论证

A.方案一

采用LED液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字、图形,显示多样、清晰可见，但是价格昂贵，需要的接口线多，所以在此设计中不采用LED液晶显示屏。

B.方案二

采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合，如采用在显示数字显得太浪费，且价格也相对较高，所以也不用此种作为显示。

C.方案三

采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中，对于显示数字最合适，而且采用动态扫描法与单片机连接时，占用的单片机口线少。

综上所述，所以采用了LED数码管作为显示。

2.2.4加热电路方案选择

根据题目，可以使用电炉加热，当水温过高时，一般只能关掉加热器，让其自动冷却，加热电源选用220V交流电。

A.方案一

采用电力电子技术的PWM技术，控制其功率实现较好的精度，但电路设计比较麻烦，制作难度比较大。

B.方案二

可以使用固体继电器控制加热器工作。

固态继电器使用比较简单，而且没有触电，可以频繁工作。

是一个比较好的方案。

2.2.5单片机的选择

A．方案一

采用89C51作为硬件核心，采用FlashROM，内部具有4KBROM存储空间，能于3V的超低压工作，而且与MCS-51系列单片机完全兼容，但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次插拔会对芯