电热恒温箱的单片机控制.docx

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电热恒温箱的单片机控制

毕业设计（论文）

题目：

电热恒温箱的单片机控制系统

系部：

工程技术系

专业：

电气自动化

班级：

电气自动化1

学号：

0904042

学生姓名：

段庆彬

摘要

人体或生物组织性的检测要求较高的温度准确度，针对该应用设计了一个专为电热恒温箱的单片机控制系统，电热恒温箱可供科研机关及医院作细菌培养之用，也可作育种，发酵及其他恒温实验的用途来用。

该论文从硬件和软件方面分别介绍了，构成电热恒温箱控制系统的基本组成部分，并通过温度控制算法详细地进行了分析计算，得出参数，并通过设定程序中基本参数的初值控制，从而提出了先使温度快速稳定在目标温度的附近，然后通过自我设置参数达到目标温度的，自适应温度控制方案。

关键词：

单片机温度控制自适应控制

目录

摘要I

AbstractII

目录III

前言1

1单片机结构及功能概述2

1.1单片机简介2

1.2MCS-51系列单片机3

1.2.18051与80C51的区别4

1.2.2MCS-51单片机的硬件架构5

2电热恒温控制系统的设计12

2.1电热恒温控制系统的原理阐述及技术性能指标12

2.1.1工作原理12

2.1.2电热恒温控制系统实际达到的性能指标12

2.2电热恒温控制系统的原理框图设计13

2.3系统硬件电路设计14

3具体功能实现电路设计17

3.1温度信号输入通道控制电路17

3.1.1温度传感器18

3.1.2运算放大器20

3.1.3A/D转换器21

3.1.4采样与数字滤波22

3.28155用做键盘/LED显示器接口电路24

3.3蜂鸣器26

3.4执行信号输出的通道27

4电热恒温箱控制系统的软件设计29

4.1温度信号的控制算法阐述和分析29

4.1.1模糊控制理论的形成和相关背景29

4.1.2PID控制算法的基本原理及实现过程29

4.1.3PID控制算法以及流程图30

4.2温度控制程序流程图32

4.1.1主程序32

4.1.2中断服务程序32

4.1.3主要子服务程序33

结论34

致谢35

参考文献36

附录主要程序代码37

前言

在医疗仪器和实验仪器中，对人体和生物组织的活性测量必须与之相对应的恒温环境中进行。

并且对与温度的稳定性与准确度均具有较高的要求，但是由于医疗或者实验仪器本身的构造，要求对温度控制体积要求太小，且需要恒温的空间条件不太好，容易受环境影响，从而导致无法进行相应的工作。

当前市场上的热水控制器基本上采用双金属片温控，控温精度低、可靠性差、功能单一。

随着微电子技术的发展，单片微处理器功能日益增强，价格低廉，在各方面得到广泛应用。

在恒温控制中应用单片机，具有设计简单、可靠性高、功能易扩展等优点。

并且老式恒温培养箱采用模拟电路，温度漂移，以及元器件的参数误差对温度的设定和控制精度有很大的影响，并且不能显示当前温度和报警。

所以本文详细介绍了一种以单片机MCS-51系列中的8031以及半导体集成温度传感器AD590为核心的电热恒温培养箱的设计方案，能实现精度控温，并能显示当前温度和温度溢出的报警功能。

其各项功能的实现均由单片机控制系统来完成。

该电热恒温培养箱硬件，软件设计合理，运行安全可靠，并且耗电省，性价比高。

该论文主要分为几个部分，安排如下

第一部分主要是单片机结构及功能概述。

第二部分介绍电热恒温箱的主要原理阐述

第三部分介绍电热恒温箱的硬件系统的设计

第四部分介绍电热恒温箱的软件系统的设计，包括温度控制算法的实现以及程序设计的设计与实现。

最后论文对课题内容及成果进行了总结

1单片机结构及功能概述

1.1单片机简介

单片机微型计算机SCMC（SingleChipMicroComputer）,简称单片机，也可以叫做微控制器MCU（MicroControllerUnit）。

它是中央处理器CPU（CentralProcessingUnit）、随机存储器RAM（RamdomAccessMemory）、只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）、中断系统、定时器/计数器以及I/O（Input/Output）口电路等集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

这种微型计算机因其制作在一块芯片上而被称为单片机。

单片机是大规模集成电路技术发展的产物。

单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强等突出优点。

单片机的设计目标主要是增强“控制”能力，满足实时控制（就是快速反应）方面的需要。

因此，它在硬件结构、指令系统、I/O端口、功率消耗及可靠性等方面均有其独特之处，其最显著的特点之一就是具有非常有效的控制功能。

单片机的主要特点如下：

（1）受集成度限制，片内存储器容量较小，一般内ROM：

8KB以下；

（2）内RAM：

256KB以内；

（3）可靠性高；

（4）易扩展；

（5）控制功能强；

（6）易于开发。

目前单片机的型号种类多，在工程上得到了广泛的应用。

单片机的主要分类：

1） 按应用领域可分为：

家电类，工控类，通信类，个人信息终端类等等。

2） 按通用性可分为：

通用型和专用型。

通用型单片机的主要特点是：

内部资源比较丰富，性能全面，而且通用性强，可履盖多种应用要求。

所谓资源丰富就是指功能强。

性能全面通用性强就是指可以应用在非常广泛的领域。

通用型单片机的用途很广泛，使用不同的接口电路及编制不同的应用程序就可完成不同的功能。

小到家用电器仪器仪表，大到机器设备和整套生产线都可用单片机来实现自动化控制。

专用型单片机的主要特点是：

针对某一种产品或某一种控制应用而专门设计的，设计时已使结构最简，软硬件应用最优，可靠性及应用成本最佳。

专用型单片机用途比较专一，出厂时程序已经一次性固化好，不能再修该的单片机。

例如电子表里的单片机就是其中的一种。

其生产成本很低。

3） 按总线结构可分为总线型和非总线型。

如我们常常见到的89C51单片机就是总线结构，在后面讲解单片机的内部结构时，我们就可以看到，89C51单片机内部有数据总线，地址总线，还有控制总线（WR，RD，EA，ALE等）。

我国目前最常用的单片机有如下几家：

●Intel-------（MCS51系列,MCS96系列）

●Atmel-------（AT89系列,MCS51内核）

●Microchip---（PIC系列）

●Motorola-----（68HCXX系列）

●Zilog--------（Z86系列）

●PhiliPS------（87,80系列,MCS51内核）

●Siemens-----（SAB80系列,MCS51内核）

●NEC----------（78系列）

●EPSon--------（系列）

1.2MCS-51系列单片机

MCS51是指由美国INTEL公司（对了，就是大名鼎鼎的INTEL）生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机，而8031是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称。

INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的。

以后我们将用89C51、89S51来完成一系列的实验。

MCS-51系列单片机分为两大系列，即51子系列与52子系列。

51子系列：

基本型，根据片内ROM的配置，对应的芯片为8031、8051、8751、8951

52子系列：

增强型，根据片内ROM的配置，对应的芯片为8032、8052、8752、8952

这两大系列单片机的主要硬件特性如下表：

表1.1单片机的主要硬件特性

片内ROM型式

ROM

大小

RAM

大小

寻址

范围

I/O特性

中断源

数量

无

ROM

EPROM

计数器

并行口

8031

8051

8751

4KB

128B

64KB

2*16

4*8

5

80C31

80C51

87C51

4KB

128B

64KB

2*16

4*8

5

8032

8052

8752

8KB

256B

64KB

3*16

4*8

6

80C32

80C52

87C52

8KB

256B

64KB

3*16

4*8

6

从上表中可以看到，8031、8031、8032、80C32片内是没有ROM的，对应着上表看，我们可以发现，51系列的单片机的RAM大小为128B，52系列的RAM大小为256B，51系列的计数器为两个16位的，52系列的计数器为三个16位计数器。

51系列的中断源为5个，52系列的中断源为6个。

1.2.18051与80C51的区别

80C51单片机是在8051的基础上发展起来的，也就是说在单片机的发展过程中是先有8051，然后才有80C51的。

8051单片机与80C51单片机从外形看是完全一样的，其指令系统、引脚信号、总线等完全一致（完全兼容），也就是说在8051下开发的软件完全可以在80C51上应用，反过来，在89C51下开发的软件也可以在8051上应用。

这两种单片机是完全可移植的。

既然这两种单片机外形及内部结构都一样，那它们之间的主要差别在哪里呢？

8051与80C51单片机的主要差别就在于芯片的制造工艺上。

80C51的制造工艺是在8051基础上进行了改进。

8051系列单片机采用的是HMOS工艺：

高速度、高密度；80C51系列单片机采用的是CHMOS工艺：

高速度、高密度、低功耗；

也就是说80C51单片机是一种低功耗单片机。

1.2.2MCS-51单片机的硬件架构

图1.1MCS51单片机的硬件架构

一.总线

总线指能为多个部件服务的信息传送线，在微机系统中各个部件通过总线相互通信。

（1）地址总线（AB）：

地址总线是单向的，用于传送地址信息。

地址总线的宽度为16位，因此基外部存储器直接寻址64K，16位地址总线由P0口经地址锁存器提供低8位地址（A0~A7），P2口直接提供高8位地址（A8~A15）。

（2）数据总线（DB）：

一般为双向，用于CPU与存储器，CPU与外设、或外设与外设之间传送数据信息（包括实际意义的数据和指令码）。

数据总线宽度为8位，由P0口提供。

（3）控制总线（CB）：

是计算机系统中所有控制信号的总称，在控制总线中传送的是控制信息。

由P3口的第二功能状态和4根独立的控制总线，RESET、EA、ALE、PSEN组成。

二.存储器

用来存放计算机中的所有信息：

包括程序、原始数据、运算的中间结果及最终结果等。

（1）只读存储器（ROM）：

只读存储器在使用时，只能读出而不能写入，断电后ROM中的信息不会丢失。

因此一般用来存放一些固定程序，如监控程序、子程序、字库及数据表等。

ROM按存储信息的方法又可分为以下几种：

a.掩膜ROM

掩膜ROM也称固定ROM，它是由厂家编好程序写入ROM（称固化）供用户使用，用户不能更改内部程序，其特点是价格便宜。

b.可编程的只读存储器（PROM）

它的内容可由用户根据自已所编程序一次性写入，一旦写入，只能读出，而不能再进行更改，这类存储器现在也称为OTP（OnlyTimeProgra