恒温箱控制系统的设计.docx

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恒温箱控制系统的设计

恒温育种箱的设计与制作

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，我们针对培养箱而设计的一个恒温系统，在系统里，通过对恒温箱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，根据偏差信号的大小输出驱动PWM输出，通过改变PWM输出的周期和幅值，控制发热丝的功率，从而达到恒温箱内温度控制的目的。

本设计的单片机为51系列，对数据进行采集、比较、处理与输出，PWM通过单片机的脉冲输出，通过光电隔离输入放大电路对发热丝进行加温，直接对箱子温度进行提升，最终达到控制温度的目的。

关键词：

单片机；PWM；数字PID控制

第一章绪论

恒定温度的设备，被广泛地应用于生产、生活、实验等领域。

在医用、水产、特种工业、工业探伤、照相等行业，都需要有稳定而精确的温度。

本设计是对恒温箱进行的温度控制。

从箱内温度的检测、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，经过讨论我们都基本上解决了。

加热电路我们选择了IGBT作为开关器件，IGBT可控而且开关频率很高，适合用在控制频繁通断的场合。

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。

单片机从外部设置两位拨码开关进行预置数，读入的数据与预置数进行比较，根据偏差的大小，单片机执行程序对PWM进行控制，经过对PWM的输出脉冲进行放大，也就是对恒温箱内电阻丝的驱动，对恒温箱进行加热，使箱内温度升高，热电偶连续对恒温箱进行温度检测，当偏差存在时单片机就继续驱动后继电路进行加热，直到偏差为零。

第二章总体方案设计

2.1方案一

图2.1

利用热电偶作为恒温箱的温度检测元件，应用桥式电路对热电偶作为补偿。

热电偶出来的电流信号通过转换变成电压信号，再进行A/D转换变换成单片机可以接受的电压信号，在从单片机读入进行数据处理。

在控制过程中，存在着检测信号与控制信号之间的滞后关系，因此，在单片机的控制程序里加入了数字PID控制算法，是控制更加的准确。

单片机的设计包括外部时钟和上电复位电路计。

单片机对温度的检测可以通过两个LED进行显示。

2.2方案二

图2.2

方案一：

用的是热电偶进行温度的测量，热电偶的测量范围和精度要求都符合本设计的需要，在不同的环境下所需要的补偿是不一样的，而且输入单片机要进行模数转换,增加了转换电路即增加了成本,转换还需要时间,那往往就给控制带来了很多麻烦，而且给恒温巷的使用带来一定的局限性，使保温箱不能得到推广，给厂家大批量的生产也带来了很多不便。

线性化的处理往往是应用热电偶的约束。

而在方案二中，应用的是测量温度的专用芯片，避免了上述的一些问题，而且应用方案二的芯片使测量的灵敏度增加不少。

在方案一中，热电偶测量出来的信号是电流信号，电流信号适合远距离传输，而到单片机的距离不大，电流信号容易受外界的干扰而影响了测量信号，导致测量的误差增加，就算可以用其他方法消除干扰信号，也麻烦。

而在方案二中，测量出来的是电压信号，能直接输入单片机，方便而且准确，不容易受外界干扰。

在方案一中，需要进行电流——电压的转换，在经过A/D转换，在经过标准化处理才能的到标准的数字电压向输入单片机，而方案二中却可以直接输入。

综上所述：

方案二比方案一有更大的优越性，而且方案二只用一个芯片就可以达到目的，而方案一却要经过多个步骤，从经济角度看，方案二更加经济实惠，且使用性强。

因此这个设计决定起用方案二来进行综合设计。

第三章单元模块设计

图3.1

3.1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。

3.1.1DS18B20的内部结构

1、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。

表3.1

bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0

LSByte

2^3

2^2

2^1

2^0

2^（-1）

2^（-2）

2^（-3）

2^（-4）

bit15bit14bit13bit12bit11bit10bit9bit8

MSByte

2^6

2^5

2^4

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3.2

TEMPERATURE

DIGITALOUTPUT

（Binary）

DIGITALOUTPUT

（Hex）

+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

*Thepower-onresetvalueofthetemperatureregisteris+85℃

3.1.2DS18B20的外形及引脚说明

外形如图3.1.2所示。

图3.2

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、DS18B20内部结构

DS18B20的内部结构如图3所示。

图3.3

3.1.3DS18B20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。

表3.3DS1820暂存寄存器分布

寄存器内容字节地址

温度最低的数字位0

温度最高的数字位1

高温限值2

低温限值3

保留4

保留5

计数剩余值6

每度计数值7

CRC校验8

该字节各位的意义如下:

TMR1R011111

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）

表3.4分辨率设置

分辨率

温度最大转换时间

9位

93.75ms

10位

187.5ms

11位

375ms

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.

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