单片机恒温箱的设计课题论文.docx
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单片机恒温箱的设计课题论文
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引言
温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等，常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同，在工业企业中，如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题，开发出性能较好的温度控制系统对于测控技术的发展具有很大的意义。
采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。
数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。
由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。
更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行多范围的温度检测。
由于单片机功能强大，可大大加快系统的开发与调试速度，并具有控制方便、简单、灵活等特点，因此本设计硬件电路以80C51单片机为核心来实现温度控制，具有实用性强、可靠性强等特点。
第1章绪论
1.1课题研究的背景
二十一世纪是科技高速发展的信息时代，电子技术、微型单片机技术的应用更是空前广泛，是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的。
由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、军事装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化。
智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。
它迅猛的发展到了各个领域，人们也越来越感到应用单片机技术的优越性，因而单片机也得到了广泛的应用。
同时，它也不断地完善和发展。
智能恒温箱的温度是医疗、工业生产和食品加工等领域的关键，因此对温度的测量及控制始终占据着重要的地位。
市场上常见的温度传感器以电压输出为主要形式，不同的的传感器其非线性曲线也各不相同，缺乏一个产品应具备的通用性和互换性。
温度传感器应用范围很广、使用数量很大，但是在常规的环境参数中由于温度受其它因素影响较大，而且难以校准，因此，温度也是最难准确测量的一个参数。
常规方法测量温度误差大、准确度低、测量滞后的时间长。
今年来，国内传感器正向着集成化、智能化、网络化和单片机的方向发展，为开发新一代温度测量系统创造了有利条件。
在智能恒温箱控制系统的设计中，用数字传感器将温度信号以数字信号的方式传送给单片机，经单片机处理后的温度数值，一方面送LED数码管显示；另一方面与给定值经行比较，判断温度高低，从而采取相应的措施：
加热或者制冷。
使温度达到设定值。
智能恒温箱主要是用来控制温度，他为农业研究、生物技术、测试提供所需的各种环境模拟条件，因此可广泛适用于药物、纺织、食品加工等无菌试验、稳定性检查以及工业产品的原料性能、产品包装、产品寿命等测试。
随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控制对象控制日益广泛，具有体积小、功能强、性价比高等特点，把单片机应用于温度控制系统中可以起到更好的控温作用，智能恒温箱是使用单片机进行温度控制的典型应用，采用单片机做主控单元可完成对温度的采集和控制等的要求。
1.2课题研究的意义
智能恒温箱的性能在很大程度上取决于对温度的控制性能，本课题采用单片机为主控制器，通过数字传感器测得箱内温度，再将温度信号送入主控制器，来完成恒温箱的温度控制系统的硬件。
箱内温度可保持在设定的温度范围内，当设置的温度低于实时温度时，单片机送出加热信号；当设置的温度低于实时温度时，单片机不送出加热信号，自然制冷。
1.3课题研究的内容
本次课题只设计温度采集，温度显示，和温度控制信号的送出部分，对于如何保温，如何加热和制冷不在此次设计的范围内。
本系统采用模块化设计智能恒温箱，系统上电后默认设定的恒温温度为25℃，使用时可以自行调节预期的恒温温度，调节范围为0~99℃。
调节好后系统会将采集来的实时温度与设定的预期温度进行比较，如果实时温度比设定温度高就不开启加热设备，如果实时温度比预期温度低就开启加热设备。
如果温度一样则不开启加热。
在显示电路上显示的是当前温度和预设温度，当前即传感器采集来的温度。
本论文章节的结构和内容如下：
第1章：
绪论。
简要介绍了智能恒温箱的发展现状，说明了课题研究的内容。
第2章：
智能恒温箱的概述。
说明了恒温箱的工作过程和主要功能，介绍了设计中需要用的单片机的基础知识，确定了本课题要达到的设计目标。
第3章：
智能恒温箱的硬件电路设计。
详细描述了本课题各个组成电路单元的设计。
第4章：
智能恒温箱的软件设计。
编写程序。
第5章：
总结。
总结本次设计，指出设计中的一些问题，提出改善意见，并展望未来的设计。
第2章智能恒温箱的系统概述
2.1系统的主要功能
本系统是借用单片机采用模块化设计的智能恒温箱，包括温度设定按钮，温度显示，温度调节，实时温度显示和预定温度显示，温度采集等。
显示系统除了显示实时的温度还能显示设定的温度，也就是想要保持的温度。
系统的主要功能模块方框图如图2-1所示。
图2-1系统主要功能模块方框图
本系统是采用模块化设计的智能恒温箱，在生活中有广泛的应用，系统上电后默认设定的恒温温度为25℃，使用时可以自行调节预期的恒温温度，调节范围为0~99℃。
调节好后系统会将采集来的实时温度与设定的预期温度进行比较，如果实时温度比设定温度高就不开启加热设备，如果实时温度比预期温度低就开启加热设备。
如果温度一样则不开启设备。
在显示电路上显示的是实时的温度和预设温度。
单片机整个恒温箱的核心，内部电路设计用C语言编写。
它完成了温度参数设定，温度采集计算，温度显示，温度比较，温度调节等功能。
2.2系统需求分析
1.在使用中可以将采集来的温度数据计算转换为我们熟悉的摄氏温度。
2.在0~99℃的范围内，人们可以自由调节预期达到的温度。
3.可以将实时温度与预期温度进行比对，以正常调节温度。
4.将设定的预期温度和实时温度能显示出来。
2.3智能恒温箱的工作流程
智能恒温箱的基本工作原理：
在使用恒温箱时，系统会将从温度传感器采集来的温度转化为摄氏度的形式，与事先设定的预期温度进行比对，然后根据比对的结果采取相应的措施来不断地接近以至于达到预期的温度。
并且系统能够显示实时的温度和设定的预期温度。
恒温箱的工作流程如图2-2所示：
图2-2恒温箱工作流程
2.4恒温箱的工作过程
1.设定预期温度。
调节预期的温度，按键进入调节状态，此时会显示设定的温度值（设定温度闪动），如果想加一摄氏度就按下“加1℃”键，如果想减一摄氏度就按一下“减1℃”键，温度LCD显示器上会显示改变后的温度，调整范围为0~99℃。
要退出调节状态，断开“温度设定”开关即可。
2.温度采集和计算。
单片机通过与温度传感器进行通信，获取实时温度信息，并将所获取的温度信息数据转化为摄氏温度的形式存储起来。
3.温度比较和温度调节。
将存储的实时摄氏温度与设定的预期温度经行比较。
如果实时温度高于设定温度，则不点亮灯泡，自然冷却；如果实时温度低于设定温度，则点亮灯泡。
4.实时温度显示。
温度传感器将实时温度采集的数据通过单片机显示在LCD显示器上。
总而言之，利用STC89C52RC单片机及外围接口实现的温度控制系统设计了恒温箱，该恒温箱提高了系统的可靠性，简化了电路结构，节约了成本，是一个实用的工程设计。
2.5本章小结
本章主要讲述了恒温箱的工作原理和本设计系统的工作流程。
在说明工作原理的过程中，突出了电路的组成单元以及这些单元如何实现温度采集和温度控制等功能。
在说明系统流程时，结合本设计的内容，指出了参数设置的方法和意义。
第3章智能恒温箱的硬件设计
3.1硬件电路设计概述
本设计分为硬件设计和软件设计，这两者相互结合，不可分离：
从时间上看，硬件设计的绝大部分工作量是在最初阶段，到后期往往还要做一些修改。
只要技术准备充分，硬件设计的大量返工是比较少的，软件设计的任务是贯彻始终的，到中后期基本上都是软件设计任务，随着集成电路计数器的飞速发展，各种功能很强的芯片不断出现，使硬件电路的集成度越来越高，硬件设计的工作量在整个项目中所占的比重逐渐下降，为使硬件电路设计尽可能合理，应注意以下几个方面：
1.尽可能采用功能强的芯片，以简化电路。
功能强的芯片可以代替若干个普通芯片，随着生产工艺的提高，新型芯片的价格在不断下降，并不一定比若干个普通芯片价格总和高。
2.留有设计余地。
在设计硬件电路时，要考虑到将来修改扩展的方便。
因为很少有一锤定音的电路设计，如果现在不留余地，将来可能要为一点小小的修改或扩展而被迫进行全面返工。
3.程序空间。
选用片内程序空间足够大的单片机，本设计采用80C51单片机。
4.RAM空间，80C51单片机内部RAM不多，当要增强软件数据处理功能时，往往觉得不足。
如果系统配置了外部RAM，则建议多留一些空间。
如果选用8155作I/O接口，就可以增强256字节RAM。
如果有大批数据需要处理，则应配置足够的RAM，如6264、62256等。
随着软件设计水平提高，往往只要改变或者增加软件中的数据处理算法，就可以使系统功能提高很多，而系统的硬件不必做任何更换就使系统升级换代。
只要在硬件电路设计初期考虑到这一点，就应该为系统将来升级留有足够的RAM空间，哪怕多设计一个RAM插座，暂时不插芯片也好。
I/O端口，在样机研制出来后进行现场试用时，往往会发现一些被忽视的问题，而这些问题不是靠单纯的软件措施来解决的。
如果有些新的信号需要采集，就必须增加输入检测端：
有些物理量需要控制，就必须增加输出端。
如果在硬件电路设计就预留出一些I/O端口，虽然当时空着没用，那么要用的时候就能派上用场了。
3.2总体硬件原理图
总体硬件原理图如图3-1所示，图中主要部分U1芯片为80C51单片机，U2为温度传感器DS18B20。
温度传感器接到单片机的P1.2口。
两个发光二极管“HEAT”和“COOL”分别表示传送给加热器和制冷器的启动信号，分别接到单片机的P1.0，P1.1口。
如果“HEAT”灯点亮表示加热器在工作；如果“COOL”灯点亮表示制冷器在工作。
按键“温度显示切换”是用于切换显示预设的温度的按键，接单片机的P2.7口。
还有两个发光二极管分别是“实时温度”和“设定温度”，表示当前数码管显示的是实时温度还是设定温度，若“实时温度”的发光二极管点亮表示数码管显示的实时温度，若“设定温度”的发光二极管点亮则
图3-1总体硬件原理图
则表示数码管当前显示的是设定温度。
两个数码管分别接单片机的P2.6，P2.5口。
图中有两个七段共阴数码管，它的字段码信号端口接到单片机的P0.0~P0.6口，公共端接单片机的P2.0和P2.1口。
开关“温度设定”接单片机的P2.2口，按钮“加1℃”和“减1℃”分别接单片机的P2.3和P2.4口。
按闭合“温度设定”开关进入预期温度的设定，按“加1℃”，“减1℃”按钮来加减温度。
3.3时钟频率电路设计
单片机必须在时钟的驱动下才能工作，在单片机内部有一个时钟振荡电路，只需要外接一个振荡源就能产生一定周期的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决定单片的工作频率，时钟电路如图3-2所示。
图3-2外部振荡电路
一般选用石英晶体振荡器。
此电路大约延迟10ms后振荡器起振，在XTAL2引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号，其振荡频率主要有石英晶体的频率确定。
电路中两个电容C1、C2的作用有两个：
一是帮助振荡器起振；二是对振荡器的频率进行微调。
C1、C2的典型值为30pF。
单片机工作时，由内部振荡器产生或由外直接输入的送至内部控制逻辑单元的时钟信号的周期称为时钟周期，其大小是时钟信号频率的倒数，时钟信号频率常用fosc表示。
图中时钟频率为12MHz，即fosc=12MHz，则时钟周期为1/12μs。
3.4复位电路设计
单片机的第9脚RST为硬件复位电路，只要在该端加上持续4个机器周期的高电平即可实现复位，复位后单片机的各个状态都恢复到初始化状态，其电路图如图3-3所示。
图3-3中由按键以及电容C1、电阻R1、R2构成上电复位及手动电路。
由于单片机是高电平复位，所以上电复位时，接通电源即可，当上电后，由于电容C1开始缓缓充电，则图中电路由5V电源到电容到电阻R1和地之间形成一个通路，由于在R1上产生电压降，则单片机的RST脚上为高电平，经过一段时间后电容的电充满，此时C1处可视为断路，单片机RST脚处电压逐渐降为0V，即处于稳定的低电平状态，此时单片机完成上电复位，程序从0000H开始执行。
手动复位时，按一下图中的按钮即可，当按键按下的时候，单片机的9脚RST管脚处于高电平，此时单片机处于复位状态。
值得注意的是，在设计当中使用到了硬件复位电路和软件复位两种功能，由上面所述的硬件复位之后的各状态可知，寄存器的值都恢复到了初始值，而前面的功能介绍中提到了倒计时时间的记忆功能，该功能实现的前提条件就是不能对单片机进行硬件复位，所以设定了软件复位功能。
软件复位实际上就是当程序执行完毕之后，将程序指针通过一条跳转指令让它跳转到程序执行的起始地址。
图3-3硬件复位电路
3.5显示电路的设计
3.5.1显示电路概述
示功能与硬件关系极大，在这里我们使用的是七段数码管显示，通常在显示上我们采用的方法一般包括两种：
一种是静态显示，一种是动态扫描。
其中静态显示的特点是显示稳定不闪烁，程序编写简单，但占用端口资源多；动态扫描的特点是显示稳定程度没有静态显示好，程序编写复杂，但是相对静态显示而言最大的优点是占用端口资源少。
由于本设计需要较多的端口用于其它的功能因此采用占用端口少的动态扫描显示的办法。
以下将对显示电路的各个部件及整体设计做详细的介绍。
3.5.2七段LED数码管的原理
LED数码管显示器由8个发光二极管中的7个长条发光二极管（称七笔段）按a、b、c、d、e、f、g顺序组成“8”字形，另一个点形的发光二极管放在右下方，用来显示小数点。
数码管按内部连接方式又分为共阳极数码管和共阴极数码管两种。
若内部8个发光二极管的阳极连在一起接电源正极，就成为共阳极数码管；若8个发光二极管的阴极连在一起接地，测称为共阴极数码管。
本次设计所用的到的共阴极数码管的引脚如图3-4所示，外部有10个引脚，其中1和6引脚连通，作为公共端接地。
图3-4一位共阴极数码管引脚图
从LED数码的结构可以看出，不同笔段的组合就何以构成不同的字符，例如笔段b、c被点亮时，就可以显示数字1：
当笔段a、b、c被点亮时，就可以显示数字7；只要控制7个发光二极管按一定要求亮与灭，就能显示出十六进制字符0~F。
将控制数码管显示字符的各字段代码称为显示代码或字段码。
数码管显示码是表述二进制数与数码管所显示字符的对应关系的，如表3-1所示。
对于共阴极数码管，由于8个发光二极管的阴极已连在一起接地，所以，只要控制各字段的正极，就可以控制发光二极管的亮与灭。
表3-1七段显示译码器的真值表及段码表
字符
hgfedcba
字段码
0
11000000
00111111
共阳字码段C0H
共阴字码段3FH
1
11111001
00000110
共阳字码段F9H
共阴字码段06H
2
10100100
01011011
共阳字码段A4H
共阴字码段5BH
3
10110000
01001111
共阳字码段B0H
共阴字码段4FH
4
10011001
01100110
共阳字码段99H
共阴字码段66H
5
10010010
01101101
共阳字码段92H
共阴字码段6DH
6
10000010
01111101
共阳字码段82H
共阴字码段7DH
7
11111000
00000111
共阳字码段F8H
共阴字码段07H
8
10000000
01111111
共阳字码段80H
共阴字码段7FH
9
10010000
01101111
共阳字码段90H
共阴字码段6FH
A
10001000
01110111
共阳字码段88H
共阴字码段77H
B
10000011
01111100
共阳字码段83H
共阴字码段7CH
C
11000110
00111001
共阳字码段C6H
共阴字码段39H
D
10100001
01011111
共阳字码段A1H
共阴字码段5EH
E
10000110
01111001
共阳字码段86H
共阴字码段79H
F
10001110
01110001
共阳字码段8EH
共阴字码段71H
3.5.3显示电路整体设计
显示电路如图3-5所示：
图3-5显示电路
图中RP1为电阻盒，相当于8个独立的电阻的一端接在一起并接电源，另外一端分别接出引线，在显示电路中作为上拉电阻。
图中有2个七段LED数码管，它们的公共端1、2分别接到单片机的P2.0、P2.1口，单片机的这2个I/O口输出位选信号用于动态扫描。
而所谓动态扫描就是指我们采用分时的方法，轮流控制各个LED数码管的公共端，使各个显示器轮流点亮。
在轮流点亮扫描过程中，每位数码管的点亮时间是极为短暂的（约1ms），但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。
而单片机的P0.0~P0.6口则负责将字段码数据传送给LED数码管。
3.6开关键盘设计
3.6.1指拨开关
指拨开关面板上通常会标有“ON”或其他记号，若将开关拨到“ON”的一边，则接点接通（on），拨到另一边则为断开（off）。
若要以开关作为输入电路，通常会接一个电阻到Vcc或GND，做上拉电阻或下拉电阻，如图3-6所示有两种开关电路可供选择。
a）b）
图3-6开关电路
本设计的温度设定允许和退出按键是选用如图3-6中a）所示的设计，低电平为进入温度设定，高电平为退出温度设定。
3.6.2按键开关
按键开关为机械弹性开关，当按下键帽时，按键内的复位弹簧片被压缩，动片触电与静片触电相连，键盘的两个引脚被接通；松手后，复位弹簧将动片弹开，使动片与静片脱离接触，键盘的两个引脚被断开。
由于机械接触点的弹性作用，一个按键从开始接上至接触稳定要经过5~10ms的抖动时间，在此期间，有抖动发生。
按键抖动波形如图3-7所示。
图3-7按键抖动电压波形
按键开关输入需要解决的两个主要问题是判断是否有按键按下和消除按键抖动的影响。
按键的确认反映在电压上，就是和按键相连的引脚呈现出高电平还是低电平。
消除按键的抖动通常有硬件、软件两种消除方法。
一般在按键较多时，采用软件的方法消除抖动，即在第一次检测到有按键按下时，执行一段延时12~15ms的子程序后，再确认该键电平是否任保持为闭合状态电平，如果保持为闭合状态电平就可以确认真有按键按下，从而消除抖动的影响。
一般电子装置中都设计有按键输入，用以控制程序执行时数据的输入或是特殊功能的设置及操作。
在控制电路中，如果按键数不多是可以使用一个按键对应一条输入位线控制，即独立式按键。
这种接法，一根输入线上的按键是否被按下，不会影响其他输入线上的工作状态。
因此，通过检测输入线的电平状态就可以很容易判断哪个键按下了。
独立式按键可以用单稳态锁存器消除抖动。
如果监控程序中的读键操作安排在主程序（后台程序）或键盘中断（外部中断）子程序中，则该延时子程序便可直接插入读键过程中。
如果读键过程安排在定时中断子程序中，就可省去专门的延时子程序，利用两次定时中断的时间间隔来完成抖动处理。
3.7指示灯电路
在实时温度和设定温度切换时，为了明白LED数码管显示的是哪种温度，可以用两个发光二极管来指示，如果标有“实时温度”标记的发光二极管点亮，则表示数码管显示的是实时温度，如果标有“设定温度”标记的发光二极管点亮，则表示数码管显示的是设定温度。
这样就不至于混淆了。
如图3-9所示为温度指示灯电路。
图3-9温度指示灯电路
图中两个发光二极管分别与单片机的P2.6，P2.5口相连，单片机把显示何种温度的信号送给这两个口，对应的发光二极管就会点亮，信号为低电平有效。
3.8温度采集电路
温度采集电路如图3-10所示：
图3-10温度采集电路
图中U2为温度采集电路的核心部件，温度传感器DS18B20，下面将详细介绍它的参数和用法。
DS18B20内部的低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度变化很小的振荡器，为计数器1提供一频率稳定的计数脉冲。
高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的振荡器，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。
初始时，温度寄存器被预置成-55℃，每当计数器1从预置数开始减计数到0时，温度寄存器中寄存的温度值就增加1℃，这个过程重复进行，直到计数器2计数到0时便停止。
初始时，计数器1预置的是与-55℃相对应的一个预置值。
以后计数器1每一个循环的预置数都由斜率累加器提供。
为了补偿振荡器温度特性的非线性性，斜率累加器提供的预置数也随温度相应变化。
计数器1的预置数也就是在给定温度处使温度寄存器寄存值增加1℃计数器所需要的计数个数。
DS18B20内部的比较器以四舍五入的量化方式确定温度寄存器的最低有效位。
在计数器2停止计数后，比较器将计数器1中的计数剩余值转换为温度值后与0.25℃进行比较，若低于0.25℃，温度寄存器的最低位就置0；若高于0.25℃，最低位就置1；若高于0.75℃时，温度寄存器的最低位就进位然后置0。
这样，经过比较后所得的温度寄存器的值就是最终读取的温度值了，其最后位代表0.5℃，四舍五入最大量化误差为±1/2LSB，即0.25℃。
温度寄存器中的温度值以9位数据格式表示，最高位为符号位，其余8位以二进制补码形式表示温度值。
测温结束时，这9位数据转存到暂存存储器的前两个字节中，符号位占用第一字节，8位温度数据占据第二字节。
DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术。
DS18B20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号；同样的，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号。
当计数门打开时，DS18B20进行计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。
芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性度加以补偿。
测量结果存入温度寄存器中。
一般情况下的温度值应该为9位，但因符号位扩展成高8位，所以最后以16位补码形式读出。
DS18B20工作过程一般遵循以下协议：
初始化——ROM操作命令——存储器操作命令——处理数据
①初始化
单总线上的所有处理均从初始化序列开始。
初始化序列包括总线主机发出一复位脉冲，接着由从属器件送出存在脉冲。
存在脉冲让总线控制器知道DS1820在总线上且已准备好操作。
②ROM操作命令
一旦总线主机检测到从属器件
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