水箱恒温控制系统的设计.docx
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水箱恒温控制系统的设计
水箱恒温控制系统的设计
[摘 要]恒温控制在工业生产过程中举足轻重，温度的控制直接影响着工业生产的产量和质量。
本设计是基于STC89C521单片机的恒温箱控制系统，系统分为硬件和软件两部分，其中硬件包括：
温度传感器、显示、控制和报警的设计；软件包括：
键盘管理程序设计、显示程序设计、控制程序设计和温度报警程序设计。
编写程序结合硬件进行调试，能够实现设置和调节初始温度值，进行数码管显示，当加热到设定值后立刻报警。
另外，本系统通过软件实现对按键误差、加热过冲的调整，以提高系统的安全性、可靠性和稳定性。
本设计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STC89C52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。
TheDesignofRefrigeratorDoorShellShapingControlSystem
Abstract:
ThesystemmakesuseofthesinglechipSTC89C52asthetemperaturecontrollingcenter,usesnumeralthermometerDS18B20whichtransmitsas1-wirewayasthetemperaturesensor,throughthepressedkey,thenumericalcodedemonstratedcompositeoftheman-machineinteractiveconnection,torealizesetandadjusttheinitialtemperaturevalue.Afterthesystemworks,thedigitaltubewilldemonstratethetemperaturevalue,whentemperaturearrivingtothesettingvalue,thebuzzerwillbeworkimmediately.Inaddition,thesystemthroughthesoftwareadjustingtothepressedkeyerror,andtheexcessivelyhutting.Alloftheseareinordertoenhancethesystem’ssecurity,reliabilityandstability.
第一章·绪论
1.1课题研究的背景
温度是工业上常见的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品加工、机械制造等领域，恒温控制系统被广泛应用于加热炉、热处理炉、反应炉等。
在一些温控系统电路中，广泛采用的是通过热电偶、热电阻或PN结测温电路经过相应的信号调理电路，转换成A／D转换器能接收的模拟量，再经过采样／保持电路进行A／D转换，最终送入单片机及其相应的外围电路，完成监控。
但是由于传统的信号调理电路实现复杂、易受干扰、不易控制且精度不高。
本文介绍单片机通过数字温度传感器检测外部温度对水箱进行恒温控制的设计，通过控制继电器的通断，进而控制电炉的加热来实现恒温控制。
因此，本系统采用一种新型的可编程温度传感器（DS18B20），不需复杂的信号处理电路和A／D转换电路就能直接与单片机完成数据采集和处理，实现方便、精度高，可根据不同需要用于各种场合。
在日常生活中，也经常用到电烤箱、微波炉、电热水器、烘干箱等需要进行温度检测与控制的家用电器。
采用单片机实现温度控制不仅具有控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度地提高被控温度的技术指标，从而大大提高产品的质量，现以恒温水箱控制系统的设计进行介绍。
1.2国内外恒温控制技术发展现状及趋势
1、国外恒温控制的发展现状及趋势
自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外恒温控制系统发展迅速，并在智能化，自适应参数的自整定等方面取得了很大的科技成果。
在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表。
目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。
虽然温度控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器及技术来讲，其总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。
2、国内恒温控制的发展现状及趋势
我国目前在恒温控制技术这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变的温度系统控制。
在适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表领域内，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。
因此，我国在恒温控制等控制仪表行业与国外还有着一定的差距。
从过程量的检测角度出发，温度是最常见的过程变量之一，它是一个非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。
而恒温控制技术在工业领域应用非常广泛，由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求较高。
其温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。
尽管恒温控制很重要，但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难。
随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、适用范围大以及本身的指令系统等诸多优势，在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。
1.3课题目的及意义
随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的运用，智能化已经成为现在温度测量的主流发展方向。
温度是科学技术中最近本的物理量之一，物理、化学、生物等学科都离不开温度的测量。
在工业生产和实验研究中，温度常常是表征对象和过程的重要参数之一。
例如，某些化学反应要在适当的温度下进行一定的时间才能出现反应现象；分馏的操作也是要有苛刻的温度环境才能正常进行以免产生杂质；生物工程中的培养基的培养等。
此课题的恒温水箱主要是用于实验室的化学反应，对温度的环境要求比较苛刻，对温度控制的先决条件是必须能够精确地掌握实时温度。
通过对恒温水箱的设计，不仅能够满足实验室的实验需求，同时也是让自己对protel等专业软件在电路设计及仿真、51单片机的开发编程又一个深入的学习。
同时也让自己对开发一个完整的系统有了一个更加深入的认识。
1.4技术要求
1.4.1本设计的主要功能
（1）可以对温度进行自由设定，但必须在0～100℃内，设定时可以实时显示出设定的温度值。
（2）根据设定的温度值与实际检测的温度值之差来采取不同的加热制冷方式。
（3）能够保持实时显示水温，显示位数4位，分别为百位、十位、个位和小数位（但由于规定不超过70度，所以百位也就没有实现，默认的百位是不显示的）。
1.4.2本设计的技术指标
（1）可以对温度进行自由设定，并能用液晶显示，显示最小区分度为0.1°C。
（2）可以测量并显示水的温度测量误差在±0.5°C内。
（3）水温控制系统应具有全量程（10°C-70°C）内的升温、降温功能。
第2章系统方案选择和工作原理
2.1系统综述
本文所要研究的课题是基于单片机控制的水箱恒温控制系统主要是介绍了对水箱温度的测控，实现了温度的实时显示及控制。
用DS18B20、STC89C52单片机及LCD的硬件电路完成对水温的实时检测及显示，由DS18B20检测炉内温度并在LCD1602中显示。
控制器是用STC89C52单片机，根据设定的算法计算出控制量，根据控制量通过控制固态继电器的导通和关闭从而控制电阻丝的导通时间，以实现对水温的控制。
DS18B20可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理。
而且每片DS18B20都有唯一的产品号，可以一并存入其ROM中，以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个DS18S20芯片。
从DS18S20读出或写入DS18S20信息仅需要一根口线其读写及其温度变换功率来源于数据总线，该总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，故不需要额外电源。
同时DS18B20能提供九位温度读数，它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。
本设计主要实现温度测控，温度显示，温度门限设定，超过设定的门限值时自动启动相应的功能。
2.2各模块电路的方案选择及论证
根据题目的基本要求，设计任务主要设计一个水温测控系统，控制水箱中水的温度，选择合适的控制规律，使水箱中水的温度按预定规律变化，并且能够进行越限报警。
可通过键盘，显示电路设定目标温度、控制参数、运行等。
2.2.1系统硬件、软件总框图
图2-2-1温度控制系统硬件设计方框图
图2-2-2温度控制系统软件设计方框图
2.3方案论证
2.3.1温度传感器的选择
方案一：
采用热敏电阻，可满足40～90℃的测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性都比较差，其测量温度范围相对较小，稳定性较差，不能满足本系统温度控制的范围要求。
方案二：
采用温度传感器铂电阻Pt1000。
铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件，且此元件线性较好。
在0—100摄氏度时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。
铂热电阻与温度关系是，Rt=R0（1+At+Bt*t）;其中Rt是温度为t摄氏度时的电阻；R0是温度为0摄氏度时的电阻；t为任意温度值，A,B为温度系数。
方案三：
采用模拟温度传感器AD590K，AD590K具有较高精度和重复性（重复性优于0.1℃），其良好的非线性可以保证优于±0.1℃的测量精度。
但其测量的值需要经过运算放大、模数转换再传给单片机，硬件电路较复杂，调试也会相对困难，所以本系统不宜采用此法。
方案四：
采用数字温度传感器DS18B20，DS18B20提供九位温度读数，测量范围-55℃~125℃，采用独特1-WIRE总线协议，只需一根口线即实现与MCU的双向通讯，具有连接简单，高精度，高可靠性等特点。
并且,DS18B20支持一主多从,若想实现多点测温,可方便扩展。
综合以上四种方案，本设计采用第四种方案，利用数字温度计DS18B20作为温度传感器。
2.3.2显示器件的选择
方案一采用三个LED八段数码管分别显示温度的十位、个位和小数位。
数码管具有亮度高、寿命长、耐老化、对外界环境要求低。
但LED八度数码管引脚排列不规则，显示时要加驱动电路，硬件电路复杂。
方案二采用带有字库的12864液晶显示屏。
12864液晶显示屏（LCD）具有功耗低、轻薄短小无辐射危险，平面显示及影像稳定，不闪烁，可视面积大，画面效果好，能显示文字和图像，抗干扰能力强。
但是12864价格昂贵。
方案三1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5×7或者5×11等点阵字符位组成每个点阵字符位都可以显示一个字符。
每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以他不能显示图形但是价格便宜编程简单。
比较以上方案方案三是首选，采用方案三作为显示模块。
2.3.3单片机的选择
所设计控制系统主要用于控制电热丝和制冷片的工作与否、对温度测量信号的接收和处理、控制显示电路对设定温度值、系统实际温度值和温度曲线的实时显示以及控制键盘实现对温度值的设定等。
由于单片机运算功能强，软件编程灵 活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。
因此采用STC89C52作为系统控制器。
2.3.4加热降温装置的选择
要实现任意设定点温度的控制，就必须能控制电加热器/制冷片的工作与否，因此要利用所选定的单片机控制加热器/制冷片电源的通断。
因为加热器/制冷片的工作电压是220V和12V对单片机来说都是“强电”因此要用弱电实现对强 电的控制。
由于可控硅在电路中能够实现交流电的无触点控制，适合在高电压、大电流下工作。
以小电流控制大电流，并且不像继电器那样控制时有火花产生，而且动作快、寿命长、可靠性 好。
在调速、调光、调压、调温以及其他各种控 制电路中都有它的身影。
由于单片制冷片电流在8-10A电流较大，因此本文采用可控硅实现对加热器/制冷控制模块设计。
根据以上分析，结合器件和设备等因素确定如下方案
①采用STC89C52单片机作为控制器，分别对温度采集、LCD显示、温度设定、加热装置进行控制。
②温度测量模块采用DS18B20，此器件的使用可以省去A/D，模数转换部分。
③可控硅实现对加热器/制冷控制模块可以满足设计要求。
④显示用LCD1602显示屏显示温度值和时间用数字键和功能设置键实现温度、时间的设置。
第3章系统硬件设计
3.1STC89C52构成的最小系统
微型计算机即单片机是因工业测控系统数字化，智能化的迫切需求而发展起来的。
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能8k字节Flash512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器内置4KBEEPROM，MAX810复位电路三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。
另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35Mhz。
3.1.1STC89C52单片机基本结构
STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL搞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。
单片机总控制电路如下图
图3.1.1STC89C52单片机控制电路
3.1.2晶振回路
晶振回路主要任务是为STC89C52单片机正常工作需要的时钟电路提供一个稳定的工作频率。
根据STC89C52单片机时钟周期的要求，回路需要选用频率为11.0592MHz的晶振。
晶振回路由电容和陶瓷谐振器晶振组成。
作为单片机的时钟源。
STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，此放大器的输入和输出端分别是引脚XTAL0和XTAL1,在XTAL0和XTAL1端口接上时钟电源即可构成时钟电路。
本设计中采用内部时钟产生方式。
在XTAL0和XTAL1两端跨接晶振，与内部的反相器构成稳定的自激振荡器。
其发出的时钟脉冲直接送入单片机内定时控制部件。
电容C1和C2对频率有微调作用。
电容C1和C2应尽可能的安装在单片机芯片附近，以减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠的工作。
晶振电路如图所示
图3.1.2晶振电路
3.1.3复位电路
为确保温控系统电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分。
复位电路的第一功能是上电复位。
电路正常工作需要供电电源为5V±5%即4.755.25V。
由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。
复位电路第二功能是手动复位。
手动复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平，一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。
当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。
复位电路如图所示
图3.1.3复位电路
3.2按键电路的设计
3.2.1矩阵式键盘的结构与工作原理
在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。
在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。
这样，一个端口如P1口就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键9键。
由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。
矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些。
列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。
这样，当按键没有按下时，所有的输入端都是高电平，代表无键按下。
行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低。
这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。
3.2.2矩阵键盘两种扫描方式
①行扫描法行扫描法又称为逐行或列扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，介绍过程如下
（1）判断键盘中有无键按下。
将全部行线置低电平，然后检测列线的状态。
只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。
若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。
判断闭合键所在的位置。
在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。
其方法是：
依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。
在确定某根行线位置为低电平后再逐行检测各列线的电平状态。
若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。
②高低电平翻转法，首先让P1口高四位为1，低四位为0，若有按键按下，则高四位中会有一个1翻转为0，低四位不会变，此时即可确定被按下的键的行位置。
然后让P1口高四位为0，低四位为1。
若有按键按下，则低四位中会有一个1翻转为0，高四位不会变，此时即可确定被按下的键的列位置。
最后将上述两者进行或运算即可确定被按下的键的位置。
方法②程序更简洁这里使用第二种方法“高低电平翻转法”。
硬件连接图如图所示
图3.2.2矩阵键盘电路
3.3温度采集模块的硬件设计
3.3.1温度传感器DS18B20概述
温度传感器是将温度信号转换为电信号的装置型号有很多数字式温度传感器常用的有DS18B20、DS1820等。
此设计采用的是DS18B20。
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器,在其内部使用了在板（ON-BOARD）专利技术。
具有3引脚TO92小体积封装形式温度测量范围为55℃-125℃,可编程为9位到12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。
DS18B20内部结构如图所示，主要由4部分组成，64位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。
DQ为数字信号输入∕输出端，GND为电源地，VCC为外接供电电源。
图3.3.1DS18B20内部结构框图
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，每个DS18B20的64位序列号均不相同。
64位ROM的排的循环冗余校验码，CRC=X8X5X41。
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中的温度传感器完成对温度的测量，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。
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。
DS18B20主要特性如下
①适应电压范围更宽,电压范围3.0V-5.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电。
②独特的单线接口方式,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与的双向通讯。
③DS18B20支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,实现组网多点测温。
④DS18B20在使用中不需要任何外围元件,全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
⑤温度范围-55℃+125℃,在-10-85℃时精度为±0.5℃。
⑥可编程的分辨率为9-12位,对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃,可实现高精度测温。
⑦在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字。
⑧测量结果直接输出数字温度信号,以“一线总线”串行传送给CPU,同时可传送CRC校验码,具有极强的抗干扰纠错能力。
⑨负压特性电源极性接反时,芯片不会因发热而烧毁,但不能正常工作。
3.3.2温度采集模块的硬件设计
当DS18B20正在执行温度转换或从高速暂存器EPPROM传送数据时，工作电流可达1.5mA，这个电流可能会引起连接单总线的弱上拉电阻的不可接受的压降这需要更大的电流，而此时Cpp寄生电源储能电容无法提供，为了保证DS18B20有充足的供电，当进行温度转换或拷贝数据到EEPROM操作时，必须给单总线一个上拉电阻，般为4.7K的上拉电阻，根据距离远近可以适当调节阻值，距离近时减小阻值，但不能低于2.1K，否则DS18B20将无法复位。
其数据线DQ端接单片机P2.2。
硬件电路如图所示。
图3.3.2DS18B20接线图
在外部电源供电方式下,DS18B20工作电源由VCC引脚接人,不存在电源电流不足的问题,可以保证转换精度,同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器,组成多点测温系统。
注意在外部供电的方式下,DS18B20的GND引脚不能悬空,否则不能转换温度,读取的温度总是85°C。
3.4报警电路的设计
目前智能化的测试仪表设计都自带有报警电路。
设计报警电路也是为了更完善系统的功能。
本设计采用由发光二极管和压电式蜂鸣器为核心的声光报警电路。
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器采用直流电压供电广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹器及共鸣箱、外壳等组成。
有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。
多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。
当接通电源后，1.5-15V直流工作电压,多谐振荡器起振,输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。
在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。
报警电路的功能是在STC89C52单片机的控制下实现声光报警或解除报警。
当STC89C52单片机检测实时温度超过设定报警温度时，通过报警电路向报警器发出有
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