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恒温箱控制系统的设计毕业设计.doc

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恒温箱控制系统的设计毕业设计.doc

毕业设计(论文)题目恒温育种箱的设计与制作年级专业电气自动化班级学生姓名指导教师二0一0年五月十四日摘要在日常生活、工业生产和实验室中电热恒温箱的应用随处可以见到。在生活中我们保存食物用到恒温箱,工业生产中一些生产原料的保存用到恒温箱,实验室里,特别是生物的培育实验室,恒温箱的应用更是普遍。在本设计中,我们针对培养箱而设计的一个恒温系统,在系统里,通过对恒温箱温度的检测与变送传到单片机,与给定值进行比较,单片机对数据进行处理,根据偏差信号的大小输出驱动PWM输出,通过改变PWM输出的周期和幅值,控制发热丝的功率,从而达到恒温箱内温度控制的目的。本设计的单片机为51系列,对数据进行采集、比较、处理与输出,PWM通过单片机的脉冲输出,通过光电隔离输入放大电路对发热丝进行加温,直接对箱子温度进行提升,最终达到控制温度的目的。关键词单片机PWM数字PID控制目录第一章绪论.........................................................................................1第二章总体方案设计..........................................................................22.1方案一......................................................................................22.2方案二......................................................................................3第三章单元模块设计..........................................................................43.1数字温控芯片DS18B20介绍....................................................43.1.1DS18B20的内部结构.......................................................53.1.2DS18B20的外形及引脚说明............................................73.1.3DS18B20温度传感器的存储器........................................83.1.4DS18B20的特性.............................................................103.1.5DS18B20工作原理.........................................................113.1.6DS18B20使用中注意事项..............................................143.2预置数....................................................................................153.2.1拨码盘介绍....................................................................163.3时钟........................................................................................173.4复位电路................................................................................183.5LED显示................................................................................193.6加热电路................................................................................203.6.1ULN2003介绍.............................................................213.6.2IGBT管介绍...................................................................22第四章PID控制..............................................................................224.1PID控制原理..........................................................................224.2PID控制系统框图...................................................................224.3PID算法..................................................................................23第五章单片机软件的设计................................................................265.1总体软件设计流程图.............................................................26参考文献............................................................................................28附录..............................................................................................29第一章绪论恒定温度的设备,被广泛地应用于生产、生活、实验等领域。在医用、水产、特种工业、工业探伤、照相等行业,都需要有稳定而精确的温度。在本设计中,我们针对培养箱而设计的一个恒温系统,在系统里,通过对恒温箱温度的检测与变送传到单片机,与给定值进行比较,单片机对数据进行处理,根据偏差信号的大小输出驱动PWM输出,通过改变PWM输出的周期和幅值,控制发热丝的功率,从而达到恒温箱内温度控制的目的。本设计是对恒温箱进行的温度控制。从箱内温度的检测、变换到信号的转换和传送这一系列的过程都牵扯到很多的知识,在设计过程中我们也遇到很多困难,比如说温度测量器件的选用,变换成电压信号还是电流信号,相应的怎么传送等,都经过了考虑才选择了这个方案。单片机的设计中,单片机外部线路的设计,端口的分配和选用,复位和内部时钟的配合和电路的驱动等方面也遇到了不少问题,经过讨论我们都基本上解决了。加热电路我们选择了IGBT作为开关器件,IGBT可控而且开关频率很高,适合用在控制频繁通断的场合。这里利用芯片DS18B20作为恒温箱的温度检测元件。DS18B20芯片可以直接把测量的温度值变换成单片机可以读取的标准电压信号。单片机从外部设置两位拨码开关进行预置数,读入的数据与预置数进行比较,根据偏差的大小,单片机执行程序对PWM进行控制,经过对PWM的输出脉冲进行放大,也就是对恒温箱内电阻丝的驱动,对恒温箱进行加热,使箱内温度升高,热电偶连续对恒温箱进行温度检测,当偏差存在时单片机就继续驱动后继电路进行加热,直到偏差为零。第二章总体方案设计2.1方案一图2.1利用热电偶作为恒温箱的温度检测元件,应用桥式电路对热电偶作为补偿。热电偶出来的电流信号通过转换变成电压信号,再进行A/D转换变换成单片机可以接受的电压信号,在从单片机读入进行数据处理。单片机从外部设置两位拨码开关进行预置数,读入的数据与预置数进行比较,根据偏差的大小,单片机执行程序对PWM进行控制,经过对PWM的输出脉冲进行放大,也就是对恒温箱内电阻丝的驱动,对恒温箱进行加热,使箱内温度升高,热电偶连续对恒温箱进行温度检测,当偏差存在时单片机就继续驱动后继电路进行加热,直到偏差为零。在控制过程中,存在着检测信号与控制信号之间的滞后关系,因此,在单片机的控制程序里加入了数字PID控制算法,是控制更加的准确。单片机的设计包括外部时钟和上电复位电路计。单片机对温度的检测可以通过两个LED进行显示。2.2方案二图2.2方案一用的是热电偶进行温度的测量,热电偶的测量范围和精度要求都符合本设计的需要,在不同的环境下所需要的补偿是不一样的,而且输入单片机要进行模数转换,增加了转换电路即增加了成本,转换还需要时间,那往往就给控制带来了很多麻烦,而且给恒温巷的使用带来一定的局限性,使保温箱不能得到推广,给厂家大批量的生产也带来了很多不便。线性化的处理往往是应用热电偶的约束。而在方案二中,应用的是测量温度的专用芯片,避免了上述的一些问题,而且应用方案二的芯片使测量的灵敏度增加不少。在方案一中,热电偶测量出来的信号是电流信号,电流信号适合远距离传输,而到单片机的距离不大,电流信号容易受外界的干扰而影响了测量信号,导致测量的误差增加,就算可以用其他方法消除干扰信号,也麻烦。而在方案二中,测量出来的是电压信号,能直接输入单片机,方便而且准确,不容易受外界干扰。在方案一中,需要进行电流电压的转换,在经过A/D转换,在经过标准化处理才能的到标准的数字电压向输入单片机,而方案二中却可以直接输入。综上所述方案二比方案一有更大的优越性,而且方案二只用一个芯片就可以达到目的,而方案一却要经过多个步骤,从经济角度看,方案二更加经济实惠,且使用性强。因此这个设计决定起用方案二来进行综合设计。第三章单元模块设计图3.13.1数字温控芯片DS18B20介绍在本设计中,选用的是温度测量的专用芯片DS18B20。DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20为新的一线器件体积更小、

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