基于单片机的恒温箱智能控制系统的设计.docx

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基于单片机的恒温箱智能控制系统的设计

清华大学

本科毕业论文

基于单片机的恒温箱智能控制系统的设计

所在学院

专业名称自动化

申请学士学位所属学科工学

年级2008级

学生姓名、学号

指导教师姓名、职称

完成日期

摘要

温度的测量与控制在工业、农业、国防等行业有着广泛的应用。

随着微电子技术的发展，各种高性能的半导体集成温度传感器，在温度测控领域得到了极为广泛的应用。

恒温箱的智能控制系统是用半导体温度传感器做测温器，用单片机控制温度平衡，最终达到恒温的目的。

本文对系统所能实现的功能做了简单介绍，并简单介绍了系统使用的单片机的性能和发展情况；对系统使用的模/数转换芯片TLC2543做了性能方面的简单说明；同时对测量温度在-55℃～+150℃之间的集成型恒流测温元件AD590做了介绍。

本文重点介绍了系统硬件的分析与设计，对硬件各部分的电路一一进行了介绍。

绘制了电路原理图，并进行了电路的焊接，完成了系统的硬件调试。

根据硬件的设计和系统所要实现的功能，本设计对软件也进行了设计，并经过反复的模拟运行、调试，完成了系统的软件设计，最后形成了一套完整的智能温度控制系统。

关键词：

温度传感器；A/D转换；单片机

ABSTRACT

Measurementandcontroloftemperaturehasbroadapplicationinindustrysuchasindustry,agriculture,nationaldefense.Gowiththedevelopmentofthemicroelectronicstechnology,theintegratedvarioushigh-performancesemiconductortemperaturesensorhasgotextremelybroadapplicationinthefieldoftemperaturemeasurementandcontrol.Intheintelligentcontrolsystemofconstanttemperaturebox,semiconductortemperaturesensorisusedtomeasureitstemperature;microcontrollerunitisappliedtocontroltemperaturebalancetoachievetheendofconstanttemperature.

Thisarticleintroducesthefunctionofthesystemandtheperformanceanddevelopingconditionofmicrocontrollerunitusedbythesystemspecifically;theMold/NumbertransformationchipTLC2543whichthesystemusedgivestheperformanceaspectsimpleintroduction;MeanwhileintroducesintegrationconstantflowtemperatureelementAD590whichsurveystemperaturefrom-55℃to+150℃.

Thisarticlemainlyintroducestheanalysesanddesignofthesystemhardwareelectriccircuit.Itcarriesontheintroductiontoeachpartofelectriccircuits.Drawuptheelectriccircuitschematicdiagramandweldthepartofthesystem,completethehardwaredebugging.Accordingtothehardwaredesignandthefunctionwhichthesystemwillrealize,thisdesigncarriesondesignstothesoftware.Andaftertherepeatedlysimulationrun,debuggingandrevision,completesthedesignofsystemsoftware,finallyformsasetofintelligenttemperaturecontrolsystem.

Keywords:

Temperaturesensor；Mold/Number；Microcontrollerunit

1引言

近年来为了保证产品的质量，各个行业行为规范就越来越高，众多机械类、医药类、化工类、建筑类等工业和企业都离不开恒温箱的使用；为了确保恒温箱许多主要技术的指标可以达到国家技术所要求的规定，必须对其进行检测，保证产品的质量[1]。

本系统所设计、研发的数字恒温箱能非常好地解决这些问题。

温度的控制系统是自动控制系统较为复杂的控制，其控制的滞后性是整个系统中最难克服的难题，因为温度的变化是纯滞后环节，而温度的控制也是一个惯性大，应变慢的控制对象[2]。

在温度的控制系统中一般用到的是较为先进的控制系统理论和控制算法。

本系统中采用了PID算法，其算法应用到了系统软件的设计中，对整个加热过程使用模糊PID控制方案，对于加热过程中所产生的各种干扰和恒温箱的惯性问题都进行了分析[3]。

恒温箱的智能控制系统采用半导体集成温度传感器满足温度测量要求，温度传感器将采集的温度信号转换成电流信号，然后再由转换电路将电流信号转换为电压信号，通过放大电路和模/数转换芯片将电压信号转换成数字信号，由单片机处理后，将测量得到的温度值显示于液晶显示器上。

系统的全部输入输出控制集中由单片机统一管理,各有关运行参数的设定，可通过键盘输入，设定温度、箱温实时值在液晶显示模块上显示，操作方便。

该系统具有实时温度显示和温度设定功能，还具有温度上、下限报警和自动控制功能。

当温度高于或低于设定值一定程度时，发出生光报警，消除由于单片机系统意外失控所造成的危险，提高了恒温箱工作的可靠性和使用安全性。

设计任务为：

用单片机设计一个控制温度范围在30℃～80℃的智能温度控制系统。

设计要求：

完成该系统的软硬件设计，学习掌握单片机采集测控系统的设计方法，提高学习新知识、新技能的能力，培养独立设计的能力。

2系统设计分析

2.1系统功能分析

恒温箱的智能控制系统由核心处理模块、温度采集模块、键盘输入模块、液晶显示模块、及控制执行模块等组成。

本控制系统有以下功能及指标：

·温度控制设定波动范围小于±1%，测量精度小于±1%，控制精度小于±2%；

·实现功能：

可以升温、控温；

·温度实时显示；

·按键输入，设定可控制范围内任意温度值；

·温度上、下限越限报警。

根据以上控制系统要求，可得出恒温箱的智能控制系统的结构框图，如图2-1所示。

图2-1恒温箱的智能控制系统工作框图

2.2系统结构方案确定

恒温箱的智能控制系统采用半导体集成温度传感器对温度进行检测，并将温度信号转换成电流信号，然后通过电流—电压转换电路转换为电压信号，通过放大电路最终通过模/数转换芯片转换成数字信号，经单片机处理后，各个检测信号、控制信号、显示信号通过单片机的I/O接口传输，并显示于液晶显示器上。

2.2.1温度传感器的选择

采用集成半导体温度传感器AD590。

AD590是一种2端集成电路式半导体传感器，输出电流与它所受的温度成线性关系。

温度传感器具有重复性好、精度高等特点，其测量温度范围为：

-55℃～+150℃，线性度±0.3℃，电压范围：

+4V—+30V，低功耗。

AD590具有标准化的输出，固有的线性关系[6]。

对于本系统要求对恒温箱的温度实现实时和快速控制，DS18B20在速度上满足不了要求，所以温度传感器采用AD590。

2.2.2A/D转换器的选择

采用高精度A/D转换器。

TLC2543是11个模拟输入端的12位开关电容逐次逼近模/数转换器，具有转换快、稳定性好、与微处理器接口简单等优点。

TLC2543的主要特性如下：

66ksps的采样速率；最大转换时间为10μS；SPI串行接口；线性度误差最大为±1LSB；低供电电流（1mA典型值）；掉电模式电流为4μA。

本系统要求控制精度较高，且占用单片机的接口较多。

而TLC2543精度高，且与单片机接口简单，所以A/D转换器采用TLC2543。

2.2.3控制元件的选择

恒温箱控制系统的执行元件是电热丝，电热丝的供电电源为市电交流220V，其功率对于单片机来说非常大，单片机不能直接控制的，所以，我们还要解决电热丝的供电的控制方案。

采用晶闸管对电热丝的供电进行控制。

晶闸管的优缺点：

1、优点：

（1）功率放大倍数可达几十万倍；

（2）控制灵敏，反应快；

（3）损耗小，效率高；

（4）体积小，重量轻；

（5）改善了工作条件，维护方便。

2、缺点：

（1）过载能力弱；

（2）抗干扰能力差；

（3）导致电网电压波形畸变；

（4）控制电路比较复杂[8]。

综上所述，选用晶闸管作为电热丝供电的控制元件。

2.2.4单片机的选择

基于系统要求，系统所用的单片机选择了AT89C52。

AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS－51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合，可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案.

3系统硬件的分析与设计

单片机系统的硬件和软件的结合是一个非常严格的过程，对于一个系统，硬件的设计不是一成不变的，不一定只有一种方案才能实现，但是每个模块都有一个最佳的设计方案，我们要综合考虑如何搭配各个方案，选择哪一种方案更好，不仅要考虑一个系统的精度，还要从成本上考虑等很多方面的问题。

恒温箱以AT89C52为CPU组成单片机系统，负责输入信号的处理和输出信号的控制。

用温度传感器检测箱内温度，由于温度传感器的输出信号很微弱，需经过放大电路放大，再由模/数转换电路将模拟信号转换成数字信号，经单片机处理，将温度值显示在液晶显示器上。

为了确保恒温箱工作可靠和使用安全，在输出中设置报警接口。

3.1直流稳压电源的设计

1、直流稳压电源电路原理

电子设备一般都需要直流电源供电。

这些直流电大多数都采用把交流电（AC）转变成直流电（AD）的稳压电源的方法。

直流的稳压电源有电源变换的电路、整流的电路、滤波的电路、稳压的电路和负载的电路五部分组成，其原理框图如图3-1所示。

电网提供的交流电压U1（220V，50Hz）经变压器的降压后，得到电路所需的电压U2，然后用整流电路转换成大小随时间变化、方向不变脉动电压U3，接着用滤波器过滤去交流分量，就得到了比较平直直流电压U4。

但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。

在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定，这样就得到了比较稳定直流电压U0。

图3-1直流稳压电源电路原理框图

电源变换电路一般由变压器或阻容分压电路来完成；整流电路主要是利用二极管的单向导电性的原理，将交流电压变化为单向脉动电压；滤波电路是利用电容的充放电储能原理，将波动变化大的脉动电压滤波成较平滑的电压；稳压电路是直流稳压电源的核心，因为整流滤波之后的电压虽然已是直流电压，但它还是随输入电网的波动而变化，是一种电压值不稳定的直流电压，而且纹波系数也比较大，所以须加入稳压电路才能输出稳定的直流电压。

2、稳压电源电路原理图

由于OP07采用5V供电线性区太小，放大倍数太小，所以采用12V电源供电；晶闸管作为电热丝供电的控制元件，所以触发电压采用9V电源供电；而单片机则采用5V供电。

因此，电源变压器采用双15V变压器，输入220V，50Hz交流电，经过单相桥式整流电路进行整流，滤波，在分别经过L7812、L7809和L7805进行稳压后得到12V、9V和5V电压分别给OP07、晶闸管和单片机进行供电，电路原理图如图3-2所示。

图3-2直流稳压电源电路原理图

3.2温度采集电路的设计

输入电路部分主要是温度的采集，通过半导体集成温度传感器AD590检测温度，并将温度传感器输出的电流信号转换成电压信号，经放大电路放大后，再经模/数转换芯片，将模拟信号转换成数字信号。

3.2.1温度传感器AD590的概述

AD590是一种2端恒流集成电路式半导体传感器，输出电流与它所受的温度成线性关系。

AD590温度传感器具有重复性好、精度高等特点，其测量温度范围为：

-55℃～+150℃，线性度±0.3℃，电压范围：

+4V—+30V，低功耗。

AD590具有标准化的输出，固有的线性关系，因而便于使用。

AD590输出电流值和它所测绝对温度有精确的线性关系，由于生产厂家生产时采用激光微调来校正集成电路内的薄膜电阻，使其在摄氏零度（对应绝对温度为273.2K），输出电流为273.2uA，灵敏度为1uA/℃。

当其感受的温度升高或者降低时，则其电流就以1uA/℃的速率增大或减小，因而在应用中将电流转换为电压，即可以用电压来表示温度大小。

AD590的输出电流是以摄氏零度（对应绝对温度为273K）为基准，每增加1℃，它会增加1μA输出电流，因此在室温25℃时，其输出电流Iout=（273+25）=298μA。

AD590基本应用电路如图3-3所示。

图3-3AD590基本应用电路

注意事项：

1、Vo的值为Io乘上10K，以室温25℃而言，输出值为10K×298μA=2.98V

2、测量Vo时，不可分出任何电流，否则测量值会不准[6]。

3.2.2放大电路的设计

由于AD590的输出信号微弱，为μA级，所以需要把信号放大，再输入到模/数转换芯片，完成模拟信号到数字信号的转换。

本设计的放大电路采用高精度集成运放OP07做放大元件，OP07的电源电压范围为：

3～18V，输入电压范围为：

0～14V。

根据系统工作特性及精度要求，设计的放大电路如图3-4所示。

图3-4AD590放大电路

电路分析：

1、AD590的输出电流I=（273+T）μA（T为摄氏温度），因此测量的电压V为（273+T）μA×10K=（2.73+T/100）V。

为了测量电压需要使输出电流I不分流出来，使用电压跟随器，其输出电压V2等于输入电压V。

2、然后使用差动的放大器，其输出Vo为（100K/10K）×（V2-V1）=T/10，假设温度为摄氏28℃，则输出电压是2.8V，输出的电压接A/D转换器，那么A/D转换器输出的数字值就与摄氏温度成比例线性关系。

3.3AD的选择及接口电路

A/D、D/A转换器是过程控制及仪器仪表、工控设备等检测与控制装置中应用非常广泛的器件。

由于大规模集成的电路技术发展，各种高精度的、低功耗的、可编程的、低成本的A/D转换器不停推出，这促使微机控制的系统电路更加的简洁，更高可靠性。

3.3.1TLC2543的介绍

TLC2543是11个输入端的12位开关电容逐次逼近模/数转换器，具有转换速度快、稳定性好、分辨率高、与微处理器接口简单等优点。

3.3.2TLC2543与单片机接口电路

TLC2543与单片机接口电路如图3-5所示。

图3-5TLC2543与单片机接口电路

3.4AT89C52最小系统设计

3.4.1单片机系统概述

AT89C52是一种高性能低功耗的采用CMOS工艺制造的8位微控制器，它提供下列标准特征：

片内含8k的可反复擦写的ROM和256×8bit内部RAM，32条I/O线，3个16位可编程定时/计数器中断，2个外部中断源，共8个中断源，片上震荡器和时钟电路。

·P0口：

双向8位三态I/O口，可驱动8个LS型TTL负载。

当P0口访问外部程序存储器或数据存储器时，它还可设定成地址数据总线复用的形式。

在这种模式下，P0口具有内部上拉电阻。

在EPROM编程时，P0口接收指令字节，同时输出指令字节在程序校验时需要外接上拉电阻。

·P1口：

内部带有上拉电阻的8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。

当对P1口写1时，它们被内部的上拉电阻拉升为高电平，此时可以作为输入端使用。

当作为输入端使用时，P1口因为内部存在上拉电阻，所以当外部被拉低时会输出一个低电流（IIL）。

·P2口：

内部带有上拉电阻的8位双准向I/O口，与地址总线（高8位）复用，能驱动4个LS型TTL负载。

P2口在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。

在这种情况下，P2口使用强大的内部上拉电阻功能。

当利用8位地址线访问外部数据存储器时，P2口输出特殊功能寄存器的内容。

·P3口：

内部带有上拉电阻的8位准双向I/O口，双功能复用口，能驱动4个LS型TTL负载。

当向P3口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。

作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。

•RST：

复位输入，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位。

•ALE/

：

ALE为地址锁存允许信号，当访问外部存储器时，ALE输出信号的负跳沿用于单片机发出的低8位地址经外部锁存器的锁存控制信号；

位本脚第二功能，在对内EPROM编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。

•

：

程序存储允许时外部程序存储器的读选通信号。

当AT89C52执行外部程序存储器的指令时，每个机器周期两次有效，除了当访问外部数据存储器时，将跳过两个信号。

•

/VPP：

功能为内外程序存储器选择控制端，当

=0时，则只使用片外ROM；当

=1时，则允许使用片内ROM。

VPP为本脚的第二功能，当执行内部编程指令时，应该接到VCC端。

3.4.2硬件接口电路的设计

复位是单片机的初始化操作。

单片机应用系统在上电启动运行是，都需要先复位。

其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

因而，复位是很重要的操作方式。

但由于本身是不能自动进行复位的必

须配合相应的外部复位电路才能实现。

3.4.3液晶显示电路

大多数的数字系统都有人机接口模块，本系统也不例外，本系统的显示部分使用的是TM240128A液晶显示模块，TM240128A是内藏T6963C控制器的240×128点阵图形液晶显示模块，在LCD板中还有行列驱动器，8KB随机存储器，控制电路和时序电路等，通过对T6963C的编程，可以实现点阵式LCD的各种应用。

TM240128A主要技术和性能如下：

1、电源：

VDD：

＋5V±10%；模块内可自带-10V负压，用于LCD的驱动电压；

2、显示内容：

240（列）×128（行）点；

3、全屏幕点阵；

4、带8K外部数据存储器（其地址由软件设定）；

5、其接口适配8080系列和Z80系列MPU的控制时序；

6、驱动方式：

1/128DUTY，1/9BIAS；

7、工作温度：

－10℃～＋60℃；存储温度：

－20℃～＋70℃；

8、模块可带LED或EL背光；背光电流≤100mA；

9、60’CLOCK显示。

TM240128A与单片机接口电路如图3-6所示。

图3-6TM240128A与单片机接口电路

其内部没有中文字库，所以在显示中文时，对其进行图形方式写屏，其取模方式如图3-7TM240128A字模所示。

图3-7TM240128A字模

其取模的方式为：

左上－左下－右上－右下。

共十六个字符串型代码，因此这样程序的代码会很长，所以在本系统的设计中，由于AT89C52的内部存储器容量有限，不可以用过多的汉字显示。

还因为单片机的处理速度不是很高，所以汉字要尽量使用静态显示，在程序运行时只对动态的数据进行刷新。

3.4.4键盘接口电路

对于数字系统，其输入部分大多为键盘，键盘的形式有很多种，一般分为两类，独立式和矩阵式。

矩阵键盘由一组排列成矩阵形式的按键开关组成，通常有编码键盘和非编码键盘两种类型。

在键盘数目较多的系统中，还要使用键盘专用芯片。

（1）编码键盘

编码键盘中某个键按下后，能够提供与该键相对应的编码信息。

它的缺点是硬件设备随着键数的增加而增加。

（2）非编码键盘

它是用较为简单的硬件和一套专用程序来识别按下键的位置，并提供与按下键相对应的中间代码，然后再把中间代码转换成要对应的编码。

由于键盘通常排列成矩阵格式，因此可以用硬件或软件的方法对行、列分别进行扫描去查找按动的键。

常用的方法有：

（1）行反转法

（2）行扫描法

（3）行列扫描法

本文所设计的智能控制系统还要有数据的选择，设定值的增加、减少，本系统信息输入量小，所以采用三键式的输入，其电路图如图3-8按键电路图所示。

图3-8系统按键电路

本系统使用P1口，不使用上拉电阻，其工作原理是：

按键在没有按下时，I/0口出现的是高电平，当按下时I/O口会出现低电平，为了减少硬件资源，在硬件中没有使用消抖电路，在程序中，可以使用软件编程的方法进行消抖。

其中，“SEL”键为系统的选择按钮，“ADD”为设定值加键，“DEC”为设定值减键。

当按下“SEL”键时，系统对设定温度、上限报警温度、下限报警温度进行选择。

当按下“ADD”键时，系统设定值加一，当按下“DEC”键时，系统设定值减一。

3.4.5报警电路设计

报警电路采用一个小功率三极管Q1驱动蜂鸣器，当单片机接收到超过上限温度信号或下限温度信号时，单片机输出高电平，Q1导通，是蜂鸣器通电工作，发出报警声。

同时，液晶显示出此时的实时温度。

报警电路如图3-9所示。

图3-9系统报警电路

3.5强电控制及过零检测电路

3.5.1电热丝的控制电路

在本系统中，因为被控制电路为市电220V强电，所以在微电控制强电的电路中，要用到隔离电路对开关信号进行隔离，较为常用的是光电耦合器。

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电—光—电转换的器件。

光电耦合器的测试可用万用表判断好坏，断开输入端电源，用R×1k档测1、2脚电阻，正向电阻为几百欧，反向电阻几十千欧，3、4脚间电阻应为无限大。

1、2脚与3、4脚间任意一组，阻值为无限大，输入端接通电源后，3、4脚的电阻很小。

调节RP，3、4间脚电阻发生变化，说明该器件是好的。

注：

不能用R×10k档，否则导致发射管击穿。

在本系统中用到的是TLP521-1光耦，其控制电路如图3-10所示。

图3-10光耦控制电路

由于光电耦合器的受控端的驱动电流不是很大，而晶闸管的导通电流比较大，所以在光电耦合器的输出端接入一个三极管，来增加晶闸管的驱动电流。

3.5.2过零检测电路

工频电压是一个交流电压，所以每个0.01秒也就是半个周期后都有一个0V的电压，而我们要控制晶闸管的方法也就是以此处为切入点，来控制晶闸管的导通角，达到控制加在电热丝两端的电压