水浴箱温度控制系统设计.docx

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水浴箱温度控制系统设计

摘要

本文介绍了基于89C51单片机的水浴箱温度控制系统硬件电路的组成、工作原理及软件设计方法。

PTIO0温度传感器和精密电阻构成的测量电路输出微弱的电压信号，电压信号经过精密放大电路完成调零和放大后送到A／D电路，再将模拟信号变换成数字信号。

单片机根据输入量和设定量进行模糊运算，输出二路开关量。

开关量控制制冷装置和加热装置，将温度控制在设定值。

本文综合运用温度传感器技术、数模转换技术、单片机技术、看门狗技术及抗干扰技术设计出一套水浴箱控制系统，该系统在自动控制方面尤为突出：

可以实现定时工作、量化控温等智能化过程；同时由于使用了单片机控制，可以根据使用本产品单位的需要，更改或升级写入芯片的控制程序，从而达到可持续应用和人性化设计的效果。

关键词：

水浴，单片机，温度控制，电路设计

ABSTRACT

Thispaperintroduceshardwarecomponents,workingprincipleandsoftwaredesignmethodsoftemperaturecontrolsystemofwater-boxbasedon89c51SCM.PT100temperaturesensorsandprecisionmeasurementoftheresistanceconstituteacircuitoutputvoltagesignalweak,afterprecisionvoltagesignalamplifyingcircuitiscompletedandtransferredtoenlargesendA/Dcircuit,thentransformanalogsignalsintodigitalsignals.SCMimportvolumeandthevolumesetoffuzzyoperation,theoutputvolumeoftwo-wayswitch.SwitchingControlrefrigerationandheatingdevicesandtemperaturecontrolinthesetvalue.Inthispaper,theintegrateduseofthetemperaturesensortechnology、digital-to-analogconvertertechnology、SCMtechnology、watchdogtechnologyandanti-jammingtechnologydesignasetofbathboxcontrolsystem,thesystemofautomaticcontrolisparticularlyconspicuous:

Timingcanbeachieved.quantified,suchasintelligenttemperaturecontrolprocess;Moreover,duetotheuseofSCMcontrol,wecanusethisproductunits,changeorupgradechipintothecontrolprocedures,soastoachievesustainableandhumaneapplicationofthedesignresults.

KEYWORDS:

bath,SCM,temperaturecontrol,circuitdesign

前言

水浴箱为大专高校、科研单位、医院等单位实验室加热恒温的常规设备，广泛用于微生物培养、恒温反应、样品浓缩、蒸馏、生物制品以及对器械进行煮沸消毒之用。

水浴控制系统不论是在物理实验、化学实验以及其它生产生活领域中都具有非常广泛的应用，由于水的温度范围处于大多数物理化学反应及生物化学反应的温度范围内，又由于水是一种热容量较大的物质以及其低廉的使用成本，因此借助于水作为传热介质，成为人们在上述应用领域中的首选

。

传统的水浴加热系统为保持恒定的温度多采用人工控制加热时间与加热温度，即使有些水浴系统具有自动控制功能，但其大多数也是机械式的，特别是在加热时间的控制方面，传统的水浴系统基本采用的都是人工控制

。

国产的水浴一般采用传统的PID控制方法，存在以下主要缺陷：

（1）达到设定温度并且进入稳定状态所需的时间长，造成时间和能源的浪费，降低了工作效率；

（2）控制精度低，往往不能满足高精度检测的要求；

（3）没有制冷设备，不能进行0℃至室温范围内的温度校核。

然而国外的同类设备，性能较好，但价格十分昂贵，不能满足广大用户的需求。

因此，我们采用89C51单片机作为核心部件，结合新型集成电路设计出水浴箱温度控制系统，用来解决上述问题

。

PTIO0温度传感器和精密电阻构成的测量电路输出微弱的电压信号，电压信号经过精密放大电路完成调零和放大后送到A／D电路，再将模拟信号变换成数字信号

。

单片机根据输入量和设定量进行模糊运算，输出二路开关量。

开关量控制制冷装置和加热装置，将温度控制在设定值。

开发后的系统，在自动控制方面尤为突出：

可以实现定时工作、量化控温等智能化过程；同时由于使用了单片机控制，可以根据使用本产品单位的需要，更改或升级写入芯片的控制程序，从而达到可持续应用和人性化设计的效果

。

（1）为使整个系统的运行更加完善，本系统在设计时匹配键盘以及由三位LED数码管组成的显示器以显示实时的温度值及事先给定的温度值。

通过键盘可以方便地进行参数修改，真正达到对温度的智能控制。

（2）为提高系统的抗干扰能力，在原有硬件的基础上设计了看门狗电路以促进整个系统的功能更加完善。

第1章系统原理及性能

1.1系统组成及原理

水浴箱由水箱（加热保温层）、加热装置、制冷装置、PTIO0温度传感器和控制电路组成。

水浴箱控制系统原理如图1.1所示:

图1.1系统原理框图

首先通过温度传感器PT100将水箱内温度的变化变换成电阻的变化送到测量电路，经电桥电路变换成微弱的电压信号，在精密放大电路中完成调零及放大信号的功能以满足A／D电路的要求，然后经A／D电路送到单片机。

单片机对接收到的信号与设定信号进行比较，采用模糊控制的方法输出二个控制量，经继电器控制电路，以实现对温度的控制。

当设置温度低于开机时的水箱内温度时，单片机输出一个开关量信号，使空调制冷系统处于工作状态，此时加热部分不工作。

空调制冷系统工作一段时间后，水箱内的温度开始降低并逐渐逼近设定值，当实际温度与设定值相差小于模糊子集PL（正大）时，加热部分开始工作，使温度控制在设定值

。

用LED显示设定温度和当前温度。

当进入稳定状态后，电路发出提示信号。

1.2系统总体性能

我们采用89C51单片机作为核心部件，使用新型集成电路设计出新颖的硬件，就可以解决上述问题。

PTIO0温度传感器和精密电阻构成的测量电路输出微弱的电压信号，电压信号经过精密放大电路完成调零和放大后送到A／D电路，再将模拟信号变换成数字信号。

单片机根据输入量和设定量进行模糊运算，输出二路开关量。

开关量控制制冷装置和加热装置，将温度控制在设定值。

开发后的系统，在自动控制方面尤为突出：

可以实现定时工作、量化控温等智能化过程；同时由于使用了单片机控制，可以根据使用本产品单位的需要，更改或升级写入芯片的控制程序，从而达到可持续应用和人性化设计的效果。

（1）为使整个系统的运行更加完善，本系统在设计时匹配键盘以及由三位LED数码管组成的显示器以显示实时的温度值及事先给定的温度值。

通过键盘可以方便地进行参数修改，真正达到对温度的智能控制。

（2）为提高系统的抗干扰能力，在原有硬件的基础上设计了看门狗电路以促进整个系统的功能更加完善。

第2章系统的整体设计方案

2.1系统设计目标

采用89C51单片机作为核心部件,利用自动控制原理设计出一套水浴箱控制系统，使系统满足下列要求：

（1）温度范围：

0～80℃；

（2）控制精度：

±0.5%；

（3）环境温度：

10℃～40℃；

（4）加热功率：

4KW；

（5）制冷功率：

1KW。

完成系统硬件电路的设计；并绘制原理图、接线图；完成相应的软件设计，绘制流程图；系统对可靠性、稳定性的要求方面的电路设计。

系统应该具备高可靠性、抗干扰能力强、易于操作维护、能够实时显示、易于扩展、报警等功能。

2.2系统设计原理

本设计采用AT89C51来完成。

PTIO0温度传感器和精密电阻构成的测量电路输出微弱的电压信号，电压信号经过精密放大电路完成调零和放大后送到A／D电路，再将模拟信号变换成数字信号。

单片机根据输入量和设定量进行模糊运算，输出二路开关量。

开关量控制制冷装置和加热装置，将温度控制在设定值。

本文综合运用温度传感器技术、数模转换技术、单片机技术、看门狗技术及抗干扰技术设计出一套水浴箱控制系统，该系统在自动控制方面尤为突出：

可以实现定时工作、量化控温等智能化过程；同时由于使用了单片机控制，可以根据使用本产品单位的需要，更改或升级写入芯片的控制程序，从而达到可持续应用和人性化设计的效果。

2.3设计方案

硬件电路由单片机、输入通道、输出通道、键盘和显示电路组成。

其中输入通道又由温度传感器、采样/放大电路和A/D转换电路组成；输出通道由继电器控制电路、LED显示电路、看门狗电路组成。

由PTIO0温度传感器和精密电阻构成的测量电路输出微弱的电压信号，电压信号经过精密放大电路完成调零和放大后送到A／D电路，再将模拟信号变换成数字信号

。

单片机根据输入量和设定量进行模糊运算，输出二路开关量。

开关量控制制冷装置和加热装置，将温度控制在设定值。

第3章系统硬件设计

3.1PT100温度传感器

3.1.1温度传感器介绍

温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。

温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段：

（1）传统的分立式温度传感器（含敏感元件），主要是能够进行非电量和电量之间转换。

（2）模拟集成温度传感器/控制器。

（3）智能温度传感器。

目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字﹑集成化向智能化及网络化的方向发展。

温度传感器的分类：

温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：

一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器。

接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这是的示值即为被测对象的温度。

这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。

但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。

非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。

常用的是辐射热交换原理。

此种测稳方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。

温度传感器的发展：

（1）传统的分立式温度传感器——热电偶传感器

热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-50~1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬，最低可测到-269℃，钨——铼最高可达2800℃。

（2）模拟集成温度传感器

集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。

模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出