恒温箱控制器

恒温箱控制器 西华大学课程设计说明书 sh | 1 前言 ............................................................................................................. 1 2温度测控设计 .................................................................................. 2 2.1总体方案概述 .................................................. 2 2.2方案论证.......................................................3 2(2(1温度传感器 ................................................ 3 2(2(2显示模块 .................................................. 3 2(2(3输出控制.................................................. 3 3单元模块介绍 ................................................................................................ 4 3(1温度采集传感器 ................................................. 4 3(2 电源模块 ...................................................... 5 3(3 数码管显示模块 ................................................ 5 3(4 单片机模块 .................................................... 6 3(5 加热模块 ...................................................... 8 3(6 冷却模块 ...................................................... 8 }西华大学课程设计说明书 4软件设计 ....................................................................................................... 9 4(1软件描述 ....................................................... 9 4(2键盘管理模块 ................................................... 9 4(3显示模块 ...................................................... 10 4(4控制模块 ...................................................... 10 4(5主程序和中断服务程序流程 ...................................... 10 5 系统仿真与调试.......................................................................................... 12 5(1系统仿真..................................................... 12 第 0 页 西华大学课程设计说明书 sh | 6 总结 ........................................................................... 错误～未定义书签。15 7 致谢 ........................................................................... 错误～未定义书签。16 8参考文献 ..................................................................... 错误～未定义书签。17 附录1:系统电路图 ....................................................... 错误～未定义书签。18 附录2:系统程序 .......................................................... 错误～未定义书签。19 }西华大学课程设计说明书 第 1 页 西华大学课程设计说明书 sh | 1前言 温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用，其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温以及对温度的控制方法也将不同;产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同。因而，对温度的测控方法多种多样。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。然而现有的温度传感元件大多为模拟器件(热电耦)体积大、应用复杂、而且不容易实现数字化等缺点，阻碍了应用领域的扩展。本设计从实际应用出发选取了体积小、精度相对高的数字式温度传感元件DS18B20作为温度采集器，单片机AT89C51作为主控芯片，数码管作为显示输出，实现了对温度的实时测量与恒定控制。 }西华大学课程设计说明书 第 2 页 西华大学课程设计说明书 sh | 2温度测控方案设计 ,,,总体方案概述 温度控制器主要实现对恒温箱温度的控制，并满足不同用户的个性需求。因此一个较完善的控制器应具有以下功能: 温度的测量与显示;用户设定功能(如温度设定，定时设定等); 对电加热管的控制功能; 一些功能键(如定时自动加热，恒温控制，手动加热等)。本系统是基于经典C51系列单片机得应用开发，集环境温度的信号采集、数据的处理及温度的保持控制等等为一体的数字控制系统。同时，该系统设计有友好的人机交互界面以及简易的设置按键。 系统由如下功能模块组成:MCU模块，显示模块，电源模块，按键设置模块，温度采集模块，冷却模块以及加热模块。 整个控制系统又可分为硬件电路设计和软件程序设计两部分 }西华大学课程设计说明书 图1系统方案框图 第 3 页 西华大学课程设计说明书 sh | 2.2方案论证 2.2.1 温度传感器 方案一:采用热敏电阻，可满足40,90?的测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性都比较差，其测量温度范围相对较小，稳定性较差，不能满足本系统温度控制的范围要求。 方案二:采用温度传感器铂电阻 Pt1000。铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件，且此元件线性较好。在 0—100 摄氏度时， 最大非线性偏差小于 0.5 摄氏度。铂热电阻与温度关系是，Rt = R0(1+At+Bt*t);其中 Rt 是温度为 t 摄氏度时的电阻;R0 是温度为 0 摄氏度时的电阻;t 为任意温度值，A,B 为温度系数。 方案三:采用数字温度传感器DS18B20，DS18B20提供九位温度读数，测量范围-55?~125?，采用独特1-WIRE 总线，只需一根口线即实现与MCU 的双向通讯，具有连接简单，高精度，高可靠性等特点。并且,DS18B20支持一主多从,若想实现多点测温,可方便扩展。 综合以上三种方案，本设计采用第三种方案，利用数字温度计DS18B20作为温度传感器。 2.2.2 显示模块 方案一:采用I/O口直接驱动，需要占用大量可贵的I/O口资源，且系统运行后，更换元件不易，不符合系统设计的可靠性、易扩展性原则。 }西华大学课程设计说明书 方案二:采用串行口驱动、静态显示，利用单片机的串行口输出数据，显示多位数码，可节省大量的I/O口，但每个数码管必须有一个驱动芯片，且每位段码须接一个限流电阻，所须元件多，硬件电路比较复杂。 方案三:采用串行口驱动、动态扫描显示，利用单片机的串行口输出数据，显示多位数码，多个数码管可共用驱动芯片和限流电阻。这样既可以简化硬件电路，又可以节省大量的I/O口线，为功能扩展留下空间。 综合以上三种方案，本设计采用方案三:串行口驱动、动态显示。根据系统具体指标要求，可以对每一个具体部分进行设计。 2.2.3 输出控制 方案一:采用继电器，易于控制，且实行比较简单。 方案二:采用光电藕合器，控制信号与输出信号可以很好的隔离，增强了系统的安全性和抗干扰能力。 综合以上两种方案，本设计采用普通单刀继电器控制负载工作。 第 4 页 西华大学课程设计说明书 sh | 3单元模块介绍 本节主要介绍设计中系统各单元模块的具体功能、核心器件、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系。 3(1温度采集传感器 以单总线操作DS18B20温度传感器作为温度采集器。DS18B20数字温度计是Dallas公司生产的1,Wire器件，即单总线器件。与传统的热敏电阻有所不同，DS18B20可直接将被测温度转化成串行数字信号，以供单片机处理，具有连线简单、微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、精度高等特点。因此用它来组成一个测温系统，具有电路简单，在一根通信线上可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。目前已被众多行业进行广泛的运用(锅炉、温控表粮库、冷库、工业现场温度监控、仪器仪表温度监控、农业大棚温度监控等)。 通过编程，DS18B20可以实现9,12位的温度读数。信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，因此从微处理器到DS18B20仅需连接一条信号线和地线。读、写和执行温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。 每片DS18B20在出厂时都设有唯一的产品序列号，因此多个DS18B20可以挂接于同一条单线总线上，这允许在许多不同的地方放置温度传感器，特别适合于构成多点温度测控系统。 从温度传感器获取温度值的方法非常简洁，无需接A/D转化器，即可实现对温度测量并将测量数据直接送单片机处理，且可使系统实现温度的巡回测量和显示。其中，温度传感器的数据管接单片机的p3~5管脚。 }西华大学课程设计说明书 图2温度传感器 第 5 页 西华大学课程设计说明书 sh | 3(2 电源模块 本模块主要用于输出5V的直流电源保证单片机的正常运行。输入电压经过整流滤波，接入稳压芯片7805转变为5v直流电压(vcc)以供给MCU及其外设系统使用。 图3电源 电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78 ×× 系列和负电压输出的79××系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。 用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、}西华大学课程设计说明书 过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。 因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用 3(3 数码管显示模块 该模块主的任务就是利用数码管完成所测量温度的显示。 第 6 页 西华大学课程设计说明书 sh | 图4数码管显示 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元(多一个小数点显示);按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管。 按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。}西华大学课程设计说明书 当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。 3(4 单片机模块 该模块就STC89C51单片机基本外围电路及报警电路作一个简单的介绍。 第 7 页 西华大学课程设计说明书 sh | 图5 单片机基本外围电路 89C51是Intel公司生产的一个单片机系列的名称。该公司继1976推出MCS-48系列8位单片机后，又于1980年推出了89C51系列高档8位单片机。属于这一系列的单片机芯片有很多种，如8051，8031，8751，80C51BH等等，它们的基本组成、基本性能}西华大学课程设计说明书 和指令系统都是相同的。为了叙述方便，今后如不作说明，则常用89C51代表MCS51系列单片机。 89c51的体系结构是冯-诺依曼结构:冯-诺依曼结构的数据总线和指令总线是分时复用的，在同一总线上，有时传送的是数据有时是指令，因此它取指令和访问数据是无法同时进行的。哈弗结构中程序存储器和数据存储器地址编码分开，因而有相互独立的指令总线和数据总线。访问指令和访问数据可以同时进行的。 单片机有如下功能部件组成: 1)微机处理器(CPU) 它是一个8位的CPU，不仅可以处理字节数据，还可以进 行位变量的处理。 2)数据存储器(RAM) 片内为128B，片外最多可外扩64KB。数据存储器来存储 单片机运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标专位等。 3)程序存储器(ROM/EPROM) 用来存储程序。如果片内只读存储器的容量不够， 则需用扩展片外只读存储器，片外最多可外扩至64K。 第 8 页 西华大学课程设计说明书 sh | 4)4个并位8位I/O口(P0口、P1口、P2口、P3口) 5)1个全双工串行口 可用来串行通信，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连 构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。 6)2个16位定时器/计数器 在单片机的应用中，往往需要精确的定时，或对外部事 件进行计数，因而需在单片机内部设置定时器/计数器部件。 7)中断系统 89C51单片机有5个中断源，2个中断优先权。采用中断系统可以提 高单片机的工作效率，而且有实时处理的优势。 8)特殊功能寄存器(SFR) 特殊功能寄存器共有21个，用于CPU对片内各功能 部件进行管理、控制、监视。实际上是片内各功能部件的控制寄存器和状态寄存 器，是一个具有特殊功能的RAM区。 3(5 加热模块 主要根据设定恒温值与采样温度值的比较结果进行工作，即，采样温度值大于设定值时，继电器闭合并接通电阻加热，否则断开。Jd1，jd2分别接串联水泥电阻及交流电源的一端，该继电器由单片机得p2~4管脚控制。 }西华大学课程设计说明书 图6加热模块 3(6 冷却模块 安装了小型风扇，以5v直流电压供电，以继电器控制风扇的工作状态，以实现智能化控制。主要根据设定恒温值与采样温度值的比较结果进行工作。即当采样温度值大于设定值时，继电器闭合并启动风扇冷却，否则断开，该继电器由单片机的p2~3控制。 第 9 页 西华大学课程设计说明书 sh | 4软件设计 4.1软件描述 在软件设计时，必须先弄清恒温控制系统的操作过程和工作过程。加热器开始时处于停止状态，首先设定温度，显示器显示温度，温度设定后则可以启动加热。温度检测系统不断检测并显示系统中的实时温度，当达到设定值后停止加热，当温度下降到下限(小于设定值3?)时再自动启动加热，这样不断的循环，使温度保持在设定范围之内。启动加热以后就不能再设定温度，因为温度的设定可以根据实验要求改变。若要改变设定的温度，可以先按复位,停止键再重复上述过程。 根据以上对操作和工作过程的分析，程序的主要任务是: (1)初始化系统。主要完成相关单片机寄存器的配置，初始化全局变量等 2)判断“设置按键是否按下”。若按下，则转让设置处理，并定时10s，若10s ( 后仍没有按键按下，则跳出设置处理。 (3)采集温度并处理数据。主要对DS18B20复位并读取数值，对所取得数据作相关处理并最终转入为十进制数以便数码管显示。 4.2键盘管理模块 键盘管理子程序流程如图所示。 }西华大学课程设计说明书 图7键盘处理程序流程 当通电或复位以后，系统进入键盘管理状态，单片机只接收设定温度和启动。当检测到有键闭合时先去除抖动，这里采用软件延时的方法，延时一段时间后，再确定是否有键闭合，然后将设定好的值送入预置温度数据区，并调用温度合法检测报警程序，当 第 10 页 西华大学课程设计说明书 sh | 设定温度超过最大值如90?时就会报警，最后当启动键闭合时启动加热。 键盘设定:用于温度设定。共三个按键。 KEY1(P1.1): 状态切换;温度设置确认;温度重新设置。 KEY2(P1.2): 设置温度“+”。 KEY3(P1.3): 设置温度“-”。 系统上电后，数码管全部显示为零，根据按 KEY1 次数,决定显示的状态，根据相应的状态，利用KEY2、KEY3进行加减，当温度设定好之后，再按KEY1确定，系统开始测温，开启加热器。 4.3显示模块 显示子程序的功能是将缓冲区的二进制数据先转换成3个BCD码，再将其分别存入百位、十位、个位3个显示缓冲区，送往串行口，利用单片机的P2口进行扫描，让数据动态的显示出来，可显示设置温度和测量温度。 4.4控制模块 温度控制子程序流程如图10所示，将当前温度与设定好的温度比较，当当前温度小于设定温度时，开启电热器;当当前温度大于设定温度时，关闭电热器;当二者相等时，电热器保持这一状态。 }西华大学课程设计说明书 图8控制模块程序流程 4.5主程序和中断服务程序流程 主程序采用中断嵌套方式设计，各功能模块可直接调用。主程序完成系统的初始化，温度预置及其合法性检测，预置温度的显示及定时器0设置。定时器0中断服务子程序 第 11 页 西华大学课程设计说明书 sh | 是温度控制体系的主体，用于温度检测、控制和报警(包括启动温度转换、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、输出控制脉冲等)。中断由定时器0产生，根据需要每隔15 s中断一次，即每15 s采样控制一次。但系统采用6 MHz晶振，最大定时为130 ms，为实现15 s定时，这里另行设了一个软件计数器。 图9主程序流程图 }西华大学课程设计说明书 图10中断服务程序流程图 5系统调试 第 12 页 西华大学课程设计说明书 sh | 5.1 系统仿真 因本系统是利用单片机进行系统控制，所以需采用单片机仿真工具Proteus进行仿真。Proteus软件是来自英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件，Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，Proteus为使用者建立了完备的电子设计开发环境～ [8]Proteus产品系列也包含了革命性的VSM技术,用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真，是一款非常优秀的单片机仿真软件。可以使用Keil c51和 Proteus进行联调，使调试、仿真更为方便。 首先画好仿真图，将程序的二进制文件调入单片机对话框的Program File栏内 }西华大学课程设计说明书 图11 仿真开始时，仿真图如图12所示，数码管都显示为零，只有红色“未加热状态灯”D1亮。 第 13 页 西华大学课程设计说明书 sh | 图12 系统启动加热一段时间后，达到设定的温度值，系统停止加热，状态灯D1重新 点亮 }西华大学课程设计说明书 第 14 页 西华大学课程设计说明书 sh | 6结论 本文利用AT89C51对温度进行控制，采用单总线传输方式的DS18B20作为温度传感器，与按键、数码显示等外部辅助硬件共同组成一个温度控制系统。设计中用到了KEIL C51 V8.01、PROTEL99SE、PROTEUS6.7等设计与仿真软件，作者本着安全性、可靠性、稳定性和易扩展性等设计原则，对各方案进行了细心的比较，并对设计中使用的芯片进行了仔细的分析，力求设计出一个安全、稳定、可靠的温度控制系统。因此，本系统的安全性和可扩展性都比较好。在仿真过程中，由于仿真软件库内没有DS18B20这个元件，并且动态显示在仿真时数码显示不稳定，所以仿真时采用了静态显示，并利用软件来模拟温度的变换，从而仿真得到系统工作的整个过程。 }西华大学课程设计说明书 第 15 页 西华大学课程设计说明书 sh | 致谢 在此，我要感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我的同学，他们在我成长过程中给予了我很大的帮助。本文能够成功的完成，要特别感谢我的指导老师对我的精心指导，让我获得了丰富的理论知识，极大地提高了实践能力。在本次课程设计过程中，郭老师对该设计的构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导，使我和我的同伴最终得以顺利完成本次课程设计。在此我致上诚挚的谢意。 在设计过程中所涉猎的各种软件(如visio、protel、protuse 、keil)也使我的知识构架更为丰富。同时，通过这次做课程设计我也及时发现自己上的漏洞，真正起到了查漏补缺的效果。 这次课程设计能够顺利完成，我也非常感谢在我身边默默帮助与支持的朋友。因为从他们身上我不仅学得了很多实用的专业知识，同时也学到了团队合作精神的重要性获得了更为坚实的友谊，学会了从不同的角度去思考和看待问题。 在学习中,郭老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，导师的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。在此，感谢郭老师的支持和帮助，致以衷心的感谢和崇高的敬意。 }西华大学课程设计说明书 第 16 页 西华大学课程设计说明书 sh | 参考文献 [1] 《单片微型计算机原理及应用》西安:西安电子科技大学出版社( [2] 《单片机外围电路设计》北京:北京电子工业出版社 [3] 《基于单片机8051的嵌入式开发指南》电子工业出版社，2003(胡大可等( [4] 《单片机应用系统开发实例导航》求是科技靳达编著人民邮电出版社 2003年10月 [5] 《51系列单片机高级实例开发指南(附CD-ROM光盘一张)》李军 等编著 北京航空航天大学出版社2004年06月 }西华大学课程设计说明书 第 17 页 西华大学课程设计说明书 sh | 附录1 }西华大学课程设计说明书 第 18 页 西华大学课程设计说明书 sh | 附录2 主程序 void() { init(); while(1) { if(flag)//按键标志。按下为“1”;未按下为“0”。 { //设置状态下显示设置温度值 set_tmp();//设置处理 display(balance_tmp); } else {//正常状态下显示采样温度值; display(current_tmp); tead_es18b20(); setjdq(); } }西华大学课程设计说明书 } } 数码管显示程序; voiddisplay(unit shu) { ucharbaishige; uinttemp; temp=shu; //十进制分别分离出白、十、个位 bai=temp/100; shi=(temp%100)/10; 第 19 页 西华大学课程设计说明书 sh | ge=temp%10; weil=0; p1=table[bai];//显示百位上的数 delay(5); wei1=1; wei2=0; p1=table_daidian[shi]; delay(5); wei2=1; wei3=0; p1=table[ge]; delay(5); wei3=1; } 温度控制子程序; void set_jdq() { //控制继电器从而判断是否加热 if(current_tempbalance_tmp+3) //采样温度(实际温度)大于所设恒温值 jdq2=0;//启动继电器2风冷 else jdq2=1;//关闭继电器2 } 第 20 页