水箱的恒温控制系统.docx
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水箱的恒温控制系统
论文分类号：
密级：
无
扬州职业大学
毕业论文（设计）
水箱的恒温控制系统
系别：
汽车与电气工程系
专业：
电气自动化
班级：
08电气
（2）
姓名：
学号：
指导教师：
完成时间：
年月日
目录
目录I
摘要III
AbstractIV
第1章绪论1
1.1课题研究介绍1
1.2国内外发展及趋势1
1.2.1国外恒温控制系统的发展及趋势1
1.2.2国内恒温控制系统的发展及趋势2
1.3课题设计任务2
1.3.1设计目的2
1.3.2系统设计指标3
1.3.3系统的功能3
第2章恒温控制系统总体方案设计4
2.1设计方案4
2.1.1利用PLC实现恒温控制4
2.1.2利用单片机实现恒温控制4
2.2方案论证5
2.3恒温水箱控制系统工作原理5
第3章恒温水箱控制系硬件设计7
3.1主电源模块7
3.2CPU主控模块8
3.2.1AT89C51单片机简介8
3.2.2AT89C51单片机各引脚功能说明8
3.2.3AT89C51单片机主要性能指标9
3.2.4晶振电路与复位电路的设计10
3.3温度采集模块10
3.3.1DS18B20的特点11
3.3.2DS18B20内部结构11
3.3.3DS18B20的内存结构11
3.3.4DS18B20的测温原理12
3.3.5DS18B20的指令集13
3.3.6DS18B20与单片机的接口电路14
3.4按键输入14
3.5继电器模块15
3.5.1固态继电器SSR工作原理15
3.5.2固态继电器SSR的特点16
3.5.3继电器控制电路图16
3.6显示模块17
3.6.1限流电阻计算18
第4章恒温控制系用软件设计19
4.1工作流程19
4.2程序模块19
4.2.1主程序19
4.2.2温度传感器驱动子程序20
4.2.3键盘扫描处理子程序21
4.2.4温度检测与控制子程序22
4.2.5温度显示子程序23
第5章抗干扰的设计25
5.1电源抗干扰措施25
5.1.1采用滤波和屏蔽的供电电源25
5.1.2采用串联开关式稳压电源26
5.1.3采用高抗干扰电压电源和干扰抑制器26
5.2输入输出通道的抗干扰措施26
5.3软件抗干扰措施26
5.3.1设置软件陷阱26
5.3.2增加程序监视系统27
5.3.3软件冗余措施27
参考文献28
致谢29
附录1单片机源程序30
附录2电路原理图36
摘要
本设计以单片机AT89C51为核心部件，采用单总线型数字式的温度传感器DS18B20作为温度采集，以固态继电器作为加热控制的开关器件，设计制作了带键盘输入控制，动态显示的功能的恒温控制系统。
该系统既可以对当前温度进行实时显示，又可以对设定温度进行控制，并使其恒定在某一温度范围。
控制键盘设计使设置温度简单快捷，两位整数一位小数的显示方式具有更高的显示精度。
建立在增量控制理论上的控制算法，使控制精度完全能满足一般的电子产品的生产要求。
通过对系统软件和硬件的合理规划，发挥单片机自身集成多系统功能单元的优势，在不减少功能的前提下有效降低了成本，系统操作简便。
关键词：
AT89C51单片机；DS18B20传感器；恒温控制
Abstract
Thisdesignwithsingle-chipmicrocomputerAT89C51asthecorecomponentwithsinglebus-controldigitaltemperaturesensorDS18B20astemperaturegatheringtosolid-staterelayasheatingcontrolswitchdevice,designandmakethebeltkeyboardinputcontrol,dynamicdisplayofthetemperaturecontrolsystem.Thissystemnotonlycanreal-timedisplayofthecurrenttemperatureofsettemperature,andcancontrol,anditsconstantinatemperaturerange.Controlthekeyboarddesignmakessettemperaturesimpleandquick,twointegeradecimaldisplaymodehashigherprecisionoftheshow.Basedonincrementalcontroltheoryofcontrolalgorithm,makethecontrolaccuracycanbefullymetgeneralelectronicproductsproductionrequirements.Throughthesystemsoftwareandhardwarereasonableplanning,playmicrocontrolleritselfmoresystemfunctionunitintegratedadvantage,innotreducefunctionalitypremisetoreducethecostandsystemeasyoperation.
Keywords:
AT89C51;DS18B20sensors;Solid-staterelay
第1章绪论
1.1课题研究介绍
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，采用PID算法来控制PWM波形的产生，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国内外发展及趋势
随着计算机控制技术的发展，恒温控制已在工业生产领域中得到了广泛应用，并取得了巨大的经济和社会效益。
在不同的领域内，由于控制环境、目标、成本等因素，需要针对具体情况来设计系统结构和功能，以取得最佳的控制效果。
其中，恒温环境的自动化控制技术在工业生产、商业运营中是一个重要研究课题。
1.2.1国外恒温控制系统的发展及趋势
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。
1.2.2国内恒温控制系统的发展及趋势
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课题设计任务
1.3.1设计目的
设计一个恒温水箱自动调节控制系统，水箱内的水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调节，以保持与设定的温度基本不变。
利用单片机AT89C51实现水温的智能控制，使水温能够在60℃左右实现恒定温度调节，利用数字温度传感器读出水温，并在此基础上将水温调节到通过键盘设定的温度（其方式是加热或降温），并通过数码管显示器实现当前温度与设定温度的显示。
1.3.2系统设计指标
设计一个温度反馈通道的控制系统，主要包括主电路和控制电路。
控制电路又包括巡回检测、跟踪比较、PID调节、执行输出、加热装置等多个环节。
以下为该恒温控制系统的技术指标：
（1）预置时显示设定温度，达到定温度时显示实时温度，显示精确到1℃；
（2）恒温箱温度可预置，在误差范围内恒温控制，温度控制误差≤±1℃；
（3）恒温水箱由1KW电炉加热；
（4）启动后有运行指示，温度低于预置温度5℃时进行220V全加热；
（5）有较强的抗干扰性能，对升降温过程的线性没有要求；
（6）具有相应的保护功能。
1.3.3系统的功能
（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）加热由1台1KW电炉来实现，如果温度不在60℃时，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。
（但由于规定小于100度，所以百位也就没有实现，默认的百位是不显示的）。
第2章恒温控制系统总体方案设计
本章提出了对恒温控制的两种方案，根据恒温水箱控制系统的控制要求及技术指标，结合两种方案的性能特点，最后选定以单片机为主控制器，增量式的PID算法进行调整控制PWM波形产生的方案作为本控制系统的总体方案。
2.1设计方案
对于温度控制的方法也有很多：
如单片机控制、PLC控制、模拟PID调节器和数字PID调节器等等。
2.1.1利用PLC实现恒温控制
这种恒温控制，采用PLC控制实现电热丝加热全通、间断导通和全断加热的自控式方式，来达到温度的恒定。
智能型电偶温度表将置于被测对象中，热电偶的传感器信号与恒定温度的给定电压进行比较，生成温差，自适应恒温控制电路根据差值大小控制电路的断开。
2.1.2利用单片机实现恒温控制
此方案采用单片机为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，它可达到核心的控制作用，并且可方便实现数码显示、键盘设定及利用PID算法来控制PWM波形的产生，进而控制电炉的加热来实现恒温控制，其所测结果精度也大大的得到了提高，在利用PID算法来控制PWM波形的产生，是有效的控制数字脉冲的输出宽度，使固态继电器得到有效和有序的逻辑控制，不会使固态继电器产生误动作。
因此利用PWM技术进行脉宽调制的优点是：
（1）从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换器；
（2）让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小，并且噪声只有在强到足以将逻辑“1”改变为逻辑“0”或将逻辑“0”改变为逻辑“1”时，才能对数字信号产生影响；
（3）对噪声抵抗能力的增强也是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因；
（4）PWM经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。
再加上单片机的软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。
它可以通过用数字温度传感器采集到的实际水温温度直接进行数码管显示，还能用键盘输入设定值，并且内部含有4KB的EEPROM,不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单，其方案的框图如图2.1所示。
2.2方案论证
采用的PLC实现恒温控制，由于其PLC成本高，且PLC外围系统配置复杂，不利于我们的设计。
由于数字调节和运算量大，相反对于AT89C52单片机只要选择合适的参数对于温度的控制精度往往能达到比较好的效果。
采用单片机为控制核心的控制系统，利用PID控制原理和PWM技术实现对水箱内水温的控制。
基于这样的控制原理和PWM技术的优越性，在对温度控制的系统中，它可达到采用其他控制系统所达不到的控制效果，并且可方便实现数码实时显示、键盘设定、直接可以驱动固态继电器，其测量结果的准确性和精度是非常高的
综合各方面的意见，本设计采用单片机来实现温度的控制。
2.3恒温水箱控制系统工作原理
根据恒温水箱控制系统的设计任务和要求，确定了系统总体方案之后，现对该方案的具体原理进行详细介绍，它是采用闭环控制结构进行控制的，其具体控制图如图2.2所示。
本系统是采用闭环负反馈的控制方式进行控制的，它通过数字温度传感器检测水箱内的水温温度，把采集到的数据直接送到单片机进行处理，由于数字式温度传感器能在极短时间内把采集到的模拟量转换成数字量，这样被它处理的数据直接送到数字PID模块进行调整和控制PWM波形的产生。
然后，把检测到的数据与预先设定的温度值进行比较，根据不同的差值去控制固态继电器的通断，以采取不同的加热方式进行加热升温。
另外，还设置了温度实时显示的装置，可以同时显示预先设定的温度值和实际检测到的温度值。
第3章恒温水箱控制系硬件设计
恒温水箱控制系统主要由六部分组成：
主电源模块、CPU主控制模块、键盘处理模块、温度采集模块、继电器控制模块及LED显示模块。
本章对各模块的硬件电路设计作了详细说明。
3.1主电源模块
为防止电源之间的相互干扰，需对电路进行独立供电，本系统采用双电源输出，一个正常之用，一个应急备用。
因此电源电路设计输出两路为+5V的稳压电源，同时主电路的开关元件为固态继电器，其直流侧的供电电源可选择为+5V。
由于固态继电器内部带有光耦，其直流侧与交流侧相互隔离，因此其直流侧的供电电源可与数字电路的+5V电源共用，另外DS18B20也用+5V的稳压电源供电，另外一个+5V的稳压电源用来备用，当遇到系统断电时可以把那个备用的稳压电源来应急，这样可以给系统增加了一道应急保险。
本装置的直流稳压电源采用通常的桥式全波整流、电容滤波、三端固定输出的集成稳压器件进行设计，并且所有的集成稳压芯片均装有充分裕量的散热片。
系统的供电电源电路如图3.1所示。
图3.1主电源电路
3.2CPU主控模块
CPU主控制模块采用AT89C51芯片，把数字温度传感器采集到的温度信号与原预先设定值进行比较，然后根据其差值通过PID调节整定，控制继电器的通断进行不同加热方式，能用键盘进行输入数据的处理以及温度信号的实时显示。
3.2.1AT89C51单片机简介
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高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。
由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[2]。
3.2.2AT89C51单片机各引脚功能说明
（1）VCC：
供电电压；
（2）Vdd：
接地；
（3）P0口：
8位双向I/O口。
在访问外部存储器时，P0口用于分时传送低8位地址（地址总线）和8位数据信号（数据总线）。
P0口能驱动8个LSTTL门；
（4）P1口：
P1口是一个内部提供拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个LSTTL门电流；
（5）P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收输出4个LSTTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入；
（6）P3口：
8位准双向I/O。
可做一般口用，同时P3口每一引脚还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）；
（7）RST：
复位输入；
（8）ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低8位字节；
（9）/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期/PSEN两次有效输出；
（10）/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间只访问外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器；当/EA端保持高电平时，从内部程序存储器开始读取；
（11）XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
图3.240引脚双列直插封装图
3.2.3AT89C51单片机主要性能指标
（1）与MCS—51产品指令系统完全兼容；
（2）4K字节可重复擦写Flash闪速存储器；
（3）1000次擦写周期；
（4）全静态操作：
0Hz～24MHz；
（5）三级加密程序存储器；
（6）128×8字节内部RAM；
（7）32个可编程I/O接口；
（8）2个16位定时/计数器；
（9）6个中断源；
（10）可编程串行UART通道；
（11）低功耗空闲和掉电模式。
3.2.4晶振电路与复位电路的设计
单片机内部带有时钟电路，只需要在片外通过XTAL1、XTAL2引脚接入定时控制单元（晶体振荡和电容），即可构成一个稳定的自激振荡器。
振荡器的工作频率一般在1.2~12MHz之间，当然在一般情况下频率越快越好，可以保证程序运行速度即保证了控制的实时性。
一般采用石英晶振作定时控制元件，在不需要高精度参考时钟时，也可以用电感代替晶振，有时也可以引入外部时钟脉冲信号。
接在晶振上的电容虽然没有严格要求，但电容的大小会影响振荡器的稳定性和起振的快速性。
因此，通常选择在10~30pF左右，在此次设计时钟电路时，晶振频率选用（12MHz），电容选用（20pF），并且它们应尽可能靠近芯片，以减小分布电容，保证振荡器振荡的稳定性。
复位电路采用按键电平复位，它通过复位端经电阻与+5V电源实现，只要能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期就可实现复位，其时钟电路和复位电路如图3.3所示。
图3.3时钟电路和复位电路
3.3温度采集模块
由于在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。
而且一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。
因此，在本设计中的温度测量系统中，采用美国Dallas半导体公司的DS18B20温度芯片对水箱内的水温进行采集温度数据，并且由于它抗干扰能力强，是解决这些问题的最有效方案。
另外数字温度传感器（DS18B20）具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果和广泛的应用[4]。
3.3.1DS18B20的特点
（1）独特的单线接口方式：
与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现双向通讯；
（2）在使用中不需要任何外围元件；
（3）可用数据线供电，电压范围：
+3.0～+5.5V；
（4）测温范围：
-55～+125℃。
固有测温分辨率为0.5℃；
（5）通过编程可实现9～12位的数字读数方式；
（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值；
（7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温；
（8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
3.3.2DS18B20内部结构
主要由4部分组成:
64位光刻R0M、温度传感器、非易失性的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器，DS18B20的内部结构图如图3.4所示。
图3.4DS18B20内部结构图
3.3.3DS18B20的内存结构
DSI8B20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除的EEPROM，后者存放高温和低温触发器TH，TL和结构寄存器。
高速暂存RAM包含了9个连续字节（0～8），前两个字节是测得的温度信息，字节0的内容是温度的低8位，字节1是温度的高8位，字节2是TH（温度上限报警），字节3是TL（温度下限报警），字节4是配置寄存器，用于确定输出分辨率9到12位。
第5、6、7个字节是预留寄存器，用于内部计算。
字节8是冗余检验字节，校验前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。
DS18B20中的温度传感器对温度的测量结果用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供。
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（见图3.5）。
LSBLSB
2
2
2
2
2
2
2
2
LSBLSB
S
S
S
S
S
2
2
2
图3.5温度传感器12位数据在RAM中的存储
这是12位转化后得到的16位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中。
二进制中的前面5位是符号位，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。
3.3.4DS18B20的测温原理
DS18B20的测温原理用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。
计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定,每次测量前,首先将-55℃所
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