恒溫箱設(shè)計(jì)報(bào)告

1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告 設(shè)計(jì)名稱： 恒溫箱溫度計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓 名： 陳 衛(wèi) 東 學(xué) 號: 班 級： 自動化0903班 學(xué) 院： 信息工程學(xué)院 任課教師： 聶 詩 良 基于單片機(jī)的恒溫箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 【摘要】 本課程設(shè)計(jì)是基于AT89C52單片機(jī)的恒溫箱控制系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)選取了體積小、精度相對高的數(shù)字式溫度傳感元件DS18B20作為溫度采集器，單片機(jī)AT89C52作為主控芯片，1602液晶顯示器作為顯示輸出，獨(dú)立按鍵作為鍵盤設(shè)置輸入，并用聲光報(bào)警實(shí)現(xiàn)對溫度的實(shí)時(shí)測量與恒定控制?！娟P(guān)鍵詞】 單片機(jī)；溫度傳感器；恒溫；聲光報(bào)警。一、本課題設(shè)計(jì)要求（1）溫度采集傳感器采用熱電阻或熱

2、電偶，或一體化數(shù)字溫度傳感器DS18B20。（2）控制燈泡亮度或發(fā)熱量，采用繼電器開關(guān)控制或用可控硅平滑控制。（3）采用單片機(jī)或PLC作為控制器。（4）采用LED或LCD或PC機(jī)的液晶顯示器作為顯示器，同時(shí)顯示給定溫度和實(shí)際溫度。（5）采用自制按鍵或PC機(jī)的鍵盤作為溫度給定值輸入。（6）恒溫箱實(shí)際溫度達(dá)到給定值時(shí)（誤差要求1）需聲光提示，聲音時(shí)延5秒后停止。（7）恒溫箱最高溫度50。二、總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體框圖如下圖： 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1）溫度傳感器方案一：使用熱敏電阻作為傳感器，用熱敏電阻與一個相應(yīng)阻值電阻相串聯(lián)分壓，利用熱敏電阻阻值隨溫度變化而變化的特性，采集這兩個電阻變化的分壓值，并進(jìn)

3、行A/D轉(zhuǎn)換，此設(shè)計(jì)方案需要A/D轉(zhuǎn)換電路，增加了硬件成本而且熱敏電阻的感溫特性曲線并不是嚴(yán)格性的，會產(chǎn)生較大的測量誤差。方案二：采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，此類傳感器為數(shù)字式傳感器，而且僅需要一條數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，易于與單片機(jī)連接，可以去除A/D模塊，降低了硬件成本，簡化系統(tǒng)電路。另外，數(shù)字式溫度傳感器還具有測量精度高，測量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。綜合以上兩種方案，本設(shè)計(jì)采用第二種方案，利用數(shù)字溫度計(jì)DS18B20作為溫度傳感器。2）顯示部分方案一：溫度的顯示可以用數(shù)碼管，但數(shù)碼管只能顯示簡單的數(shù)字，它有電路復(fù)雜，占用資源較多，顯示信息少等缺點(diǎn)。方案二：1602液晶也叫1602字符型液晶，它

4、是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊。顯示字母和數(shù)字比較方便，控制簡單，成本較低。我們設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要顯示更多的信息，所以考慮顯示功能更好的液晶顯示，要求能顯示更多的數(shù)據(jù)，增強(qiáng)顯示信息的可讀性，看起來更方便。綜合以上兩種方案，本設(shè)計(jì)采用方案二，用1602液晶顯示器來顯示數(shù)據(jù)。3）輸出控制方案一：采用繼電器，易于控制，且實(shí)行比較簡單，但強(qiáng)電和弱電不能很好的隔離，抗干擾能力極差。方案二：采用光電藕合器，控制信號與輸出信號可以很好的隔離，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和抗干擾能力。綜合以上兩種方案，本設(shè)計(jì)采用光電藕合器控制負(fù)載工作。三、硬件電路設(shè)計(jì)及工作原理1、系統(tǒng)功能及工作流程介紹根據(jù)恒溫箱控制

5、器的功能要求，并結(jié)合對51系列單片機(jī)的資源分析，即單片機(jī)軟件編程自由度大，可用編程實(shí)現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。所以采用AT89C52作為電路系統(tǒng)的控制核心。恒溫箱控制器的總體布局如圖1所示。按鍵將設(shè)置好的溫度值傳給單片機(jī)，通過溫度顯示模塊顯示出來。初始溫度設(shè)置好后，單片機(jī)開啟輸出控制模塊，使電熱器開始加熱，同時(shí)將從數(shù)字溫度傳感器DS18B20測量到的溫度值實(shí)時(shí)的顯示出來，當(dāng)加熱到設(shè)定溫度值時(shí)，單片機(jī)控制聲光報(bào)警模塊，發(fā)出聲光報(bào)警，當(dāng)超過設(shè)置溫度關(guān)閉加熱器。當(dāng)自然冷卻到設(shè)定溫度以下時(shí)，單片機(jī)再次啟動加熱器，如此循環(huán)反復(fù)，以達(dá)到恒溫控制的目的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)基本硬件電路圖如圖2所示。

6、 圖2 基本硬件電路圖2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)（1）DS18B20測溫電路DS18B20數(shù)字溫度計(jì)是Dallas公司生產(chǎn)的1Wire器件，即單總線器件。與傳統(tǒng)的熱敏電阻有所不同，DS18B20可直接將被測溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號，以供單片機(jī)處理，具有連線簡單、微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，具有電路簡單，在一根通信線上可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分方便。目前已被眾多行業(yè)進(jìn)行廣泛的運(yùn)用（鍋爐、溫控表糧庫、冷庫、工業(yè)現(xiàn)場溫度監(jiān)控、儀器儀表溫度監(jiān)控、農(nóng)業(yè)大棚溫度監(jiān)控等）。通過編程，DS18B20可以實(shí)現(xiàn)912位的溫度讀數(shù)。信息經(jīng)過單線接口送入DS18B20或從

7、DS18B20送出，因此從微處理器到DS18B20僅需連接一條信號線和地線。讀、寫和執(zhí)行溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供，而不需要外部電源。每片DS18B20在出廠時(shí)都設(shè)有唯一的產(chǎn)品序列號，因此多個DS18B20可以掛接于同一條單線總線上，這允許在許多不同的地方放置溫度傳感器，特別適合于構(gòu)成多點(diǎn)溫度測控系統(tǒng)由于DS18B20采用的是1Wire總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對AT89S51單片機(jī)來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時(shí)序來完成對DS18B20芯片的訪問。1Wire總線支持一主多從式結(jié)構(gòu)，硬件上需外接上拉電阻。當(dāng)一方

8、完成數(shù)據(jù)通信需要釋放總線時(shí)，只需將總線置高點(diǎn)平即可；若需要獲得總線進(jìn)行通信時(shí)則要監(jiān)視總線是否空閑，若空閑，則置低電平獲得總線控制權(quán)。 圖3 DS18B20測溫電路（2）輸出控制電路加熱電路中采用MOC3023的目的是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電與弱電的隔離，其在電路中的工作原理是單片機(jī)根據(jù)傳感器和設(shè)定開關(guān)輸入的控制指令，控制電器的電源通斷。BTA16是型小型塑封雙向晶閘管，當(dāng)電源控制電路的輸出管腳送出的開關(guān)控制指令為高電平，MOC3023截止，BTA16截止，電器被關(guān)閉；當(dāng)電源控制電路送出的開關(guān)控制指令為低電平，MOC3023導(dǎo)通，BTA16導(dǎo)通，電器被打開。R4是BTA16的保護(hù)電路。 圖4 光耦控制輸出（3）

9、顯示電路1602液晶也叫1602字符型液晶 它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊 它有若干個5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個字符。顯示電路采用LCD1602液晶顯示，如圖(7)所示，圖中只畫出了其相應(yīng)的接口，3腳用于調(diào)節(jié)LCD1602的背光,4、5、6為LCD1602的控制口，用于控制其寫入或是讀出指令，7至14腳為LCD1602的數(shù)據(jù)口，將數(shù)傳送到LCD1602中。 圖5 LCD1602顯示電路LCD1602的特性：+5V電壓，對比度可調(diào)；內(nèi)含復(fù)位電路；提供各種控制命令,如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能；有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲

10、器DDRAM；內(nèi)建有160個5X7點(diǎn)陣的字型的字符發(fā)生器CGROM,8個可由用戶自定義的5X7的字符發(fā)生器CGRAM；基本操作時(shí)序： 讀狀態(tài)：輸入：RS=L，RW=H，E=H；輸出：DB0DB7=狀態(tài)字 ；寫指令：輸入：RS=L，RW=L，E=下降沿脈沖，DB0DB7=指令碼 ；輸出：無。讀數(shù)據(jù)：輸入：RS=H，RW=H，E=H；輸出：DB0DB7=數(shù)據(jù) ；寫數(shù)據(jù)：輸入：RS=H，RW=L，E=下降沿脈沖，DB0DB7=數(shù)據(jù) ；輸出：無。LCD1602的各種指令不再一一說明。（4）溫度越線報(bào)警電路報(bào)警電路如圖8所示，該電路采用一個小功率三極管Q1驅(qū)動蜂鳴器BELL,當(dāng)單片機(jī)接收到超額溫度信號或

11、危險(xiǎn)信號時(shí),輸出腳BELL輸出高點(diǎn)平,Q1導(dǎo)通，致使蜂鳴器BELL得電工作，發(fā)出報(bào)警聲。同時(shí)，電路中的發(fā)光二極管指示出電路的工作狀態(tài)。 圖5 報(bào)警電路 四、系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)1、軟件描述在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，必須先弄清恒溫控制系統(tǒng)的操作過程和工作過程。停止加熱，當(dāng)溫度下降到下限(小于設(shè)定值)時(shí)再自動啟動加熱，這樣不斷的循環(huán)，使溫度保持在設(shè)定范圍之內(nèi)。啟動加熱以后就不能再設(shè)定溫加熱器開始時(shí)處于停止?fàn)顟B(tài)，首先設(shè)定溫度，顯示器顯示溫度，溫度設(shè)定后則可以啟動加熱。溫度檢測系統(tǒng)不斷檢測并顯示系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)溫度，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值后度，因?yàn)闇囟鹊脑O(shè)定可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求改變。若要改變設(shè)定的溫度，可以按設(shè)置鍵再重復(fù)上述過程。根

12、據(jù)以上對操作和工作過程的分析，程序應(yīng)分為兩個階段：一是通電或復(fù)位后到啟動加熱，程序主要是按鍵設(shè)定、顯示器顯示設(shè)定溫度；二是檢測并顯示系統(tǒng)的實(shí)時(shí)溫度，并根據(jù)檢測的結(jié)果控制電熱器，這時(shí)系統(tǒng)不接收鍵盤的輸入。因此，程序可以分為以下幾個功能模塊：溫度設(shè)定和啟動；顯示；溫度檢測；溫度控制以及報(bào)警。（1）鍵盤管理模塊當(dāng)通電以后，系統(tǒng)進(jìn)入鍵盤管理狀態(tài)，單片機(jī)只接收設(shè)定溫度和啟動。當(dāng)檢測到有鍵閉合時(shí)先去除抖動，這里采用軟件延時(shí)的方法，延時(shí)一段時(shí)間后，再確定是否有鍵閉合，然后將設(shè)定好的值送入預(yù)置溫度數(shù)據(jù)區(qū)，并調(diào)用溫度合法檢測報(bào)警程序，當(dāng)設(shè)定溫度超過最大值時(shí)就會報(bào)警，最后當(dāng)啟動鍵閉合時(shí)啟動加熱。鍵盤設(shè)定：用于溫度

13、設(shè)定。共兩個按鍵。 KEY1（P3.6）: 設(shè)置溫度“+”。KEY2（P3.7）: 設(shè)置溫度“-”。 （2）顯示模塊顯示子程序的功能是將緩沖區(qū)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)換成3個BCD碼，再將其分別存入百位、十位、個位3個顯示緩沖區(qū)，送往串行口，利用單片機(jī)的P0口進(jìn)行掃描，讓數(shù)據(jù)動態(tài)的在1602上顯示出來，可顯示設(shè)置溫度和測量溫度。（3）控制模塊溫度控制子程序流程如圖7所示，將當(dāng)前溫度與設(shè)定好的溫度比較，當(dāng)當(dāng)前溫度小于設(shè)定溫度時(shí)，開啟電熱器；當(dāng)當(dāng)前溫度大于設(shè)定溫度時(shí)，關(guān)閉電熱器；當(dāng)二者相等時(shí)，電熱器保持這一狀態(tài)。圖6 控制模塊程序流程（4）溫度報(bào)警模塊根據(jù)設(shè)計(jì)要求，當(dāng)檢測到當(dāng)前溫度值高于設(shè)定溫度值時(shí)報(bào)警，

14、報(bào)警的同時(shí)關(guān)閉電熱器。為了防止誤報(bào)，設(shè)置了報(bào)警允許標(biāo)志，只有在允許報(bào)警的情況下，溫度值高于設(shè)定溫度值時(shí)才報(bào)警。（5）主程序和中斷服務(wù)程序流程主程序采用中斷嵌套方式設(shè)計(jì)，各功能模塊可直接調(diào)用。主程序完成系統(tǒng)的初始化，溫度預(yù)置及其合法性檢測，預(yù)置溫度的顯示及定時(shí)器0設(shè)置。定時(shí)器0中斷服務(wù)子程序是溫度控制體系的主體，用于溫度檢測、控制和報(bào)警（包括啟動溫度轉(zhuǎn)換、讀入采樣數(shù)據(jù)、數(shù)字濾波、越限溫度報(bào)警和越限處理、輸出控制脈沖等）。 圖7 主程序流程圖 圖8 中斷服務(wù)程序流程圖五、系統(tǒng)調(diào)試與仿真1、硬件調(diào)試時(shí)，可先檢查印制板及焊接的質(zhì)量是否符合要求，有無虛焊點(diǎn)及線路間有無短路、斷路。然后用萬用表檢測，檢查無

15、誤后，可通電檢查 LCD 液晶顯示器亮度情況，一般情況下取背光電壓為 45.5V 即可得到滿意的效果，再依次檢查各部分結(jié)構(gòu)安裝是否牢固。 2、軟件調(diào)試是在proteus編譯器下進(jìn)行，源程序編譯及仿真調(diào)試應(yīng)分段或以子程序?yàn)閱挝恢饌€進(jìn)行，最后結(jié)合硬件實(shí)時(shí)調(diào)試。 子程序調(diào)試包括： 1).LCD1602顯示程序； 2).延時(shí)函數(shù)子程序； 3).DS18B20讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、計(jì)算溫度子程序、顯示數(shù)據(jù)刷新子程序。六、設(shè)計(jì)心得這次課程設(shè)計(jì)是對過去所學(xué)的知識的一次回顧與鞏固，也是一次特別的實(shí)踐能力。通過該次課程設(shè)計(jì)，不但培養(yǎng)了我們實(shí)踐動手的能力，而且也學(xué)到了很多東西。在制作課程設(shè)計(jì)的這幾天

16、當(dāng)中，我首次體會到了生活的艱辛，也培養(yǎng)了吃苦耐勞的精神，在課程設(shè)計(jì)當(dāng)中，整天都與電路和程序打交道，的確是非常無聊和痛苦的，但是最終等到我發(fā)泄完后，冷靜的想想，如果我現(xiàn)在連這一關(guān)都過不了，那么我如何的走上社會，如何的面對社會中各種各樣的更加復(fù)雜更加繁瑣的事情，我必須做好，不僅僅只是為了得到好的分?jǐn)?shù)，也是為了我今后踏入社會打下基礎(chǔ)?？吹酵瓿傻恼n程設(shè)計(jì)時(shí)，我知道還有一些不足，很多地方需要更進(jìn)一步的改進(jìn)，但是我仍然很高興，因?yàn)槲冶M心盡力的將它全部都完成了，我盡到自己最大的努力。雖然還是有很多不懂之處，但是在同學(xué)的幫助下也弄懂了不少?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】【1】 郭天祥，新概念51單片機(jī)c語言教程，電子工業(yè)出版社

17、，2009【2】 陳躍東，DS18B20集成溫度傳感器原理與應(yīng)用J，安徽教育出版社，2002（4）5-23【3】 李廣弟，單片機(jī)基礎(chǔ)M，北京航空航天大學(xué)出版社，1994，1-56【4】 譚浩強(qiáng)，C程序設(shè)計(jì)（第二版）M，清華大學(xué)出版社,2003 【5】 付家才，單片機(jī)控制工程實(shí)踐技術(shù)M，化學(xué)工業(yè)出版社,2004附錄一 源程序代碼#include #includeintrins.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar i;long int set; /設(shè)置溫度long int num;long int DeltaValu

18、e = 0;long int Sum = 0;int nP = 300;int nI =1;long int angle = 3000;int flag;sbit lcdrs=P35; /數(shù)據(jù)命令選擇控制sbit lcden=P34; /使能信號sbit dula=P26;/申明U1鎖存器的鎖存端sbit wela=P27;/申明U2鎖存器的鎖存端uchar code t0=set: 20.0 C ;uchar code t1=Act: C ;uchar code wendu=; /利用一個溫度表解決溫度顯示亂碼sbit key1=P37;sbit key2=P36;sbit DS=P20;

19、/定義溫度DS18B20接口，詳情見原理圖sbit DEK=P21; / 控制腳sbit LED=P10; /光sbit bell=P23; /聲 void delay_key(uint aa) uint m,n; for(m=aa;m0;m-) for(n=110;n0;n-); void delay(uchar z)uchar x,y;for(x=1000;x1;x-)for(y=z;y1;y-);void init_timer1()TMOD |= 0x10; /使用模式1，16位定時(shí)器，使用|符號可以在使用多個定時(shí)器時(shí)不受影響 TH1=(65535-angle)/256; /給定初值，這

20、里使用定時(shí)器最大值從0開始計(jì)數(shù)一直到65535溢出。 TL1=(65535-angle)%256; EA=1; /總中斷打開 ET1=1; /定時(shí)器T1允許中斷 TR1=1; /定時(shí)器T1開始工作void init_wbzd()/外部中斷0DEK = 1;EA=1;/首先開啟總中斷EX0=1; /開啟外部中斷 0IT0=1; /設(shè)置成下降沿觸發(fā)，0為低電平觸發(fā)void Get_angle(long int Expect,long int Feedback,int Kp,int Ki) long int temp_angle; DeltaValue = Expect - Feedback; Su

21、m += DeltaValue; temp_angle = Kp*DeltaValue + Ki*Sum;if(temp_angle = 8000) temp_angle = 8000; angle = 10000 - temp_angle;void write_com(uchar com) /寫指令lcdrs=0;P0=com;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void write_date(uchar date) /寫數(shù)據(jù)lcdrs=1;P0=date;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void init_lcd() du

22、la=0; wela=0;lcden=0;/lcdrw=0;write_com(0x38);write_com(0x01);write_com(0x0c);write_com(0x06);write_com(0x80);for(i=0;i16;i+)write_date(t0i);delay(0);write_com(0x80+0x40);for(i=0;i0;i-)DS = 0; / 給脈沖信號dat=1;DS = 1; / 給脈沖信號if(DS)dat|=0x80;tmpDelay(4);return(dat);void WriteOneChar(unsigned char dat)/寫一個字節(jié)unsigned char i=0;for (i=8; i0; i-)DS =