课程设计说明书恒温箱

2015 毕业论文专题百手起驾 整理为您目 录摘 要.- 3 -1 引 言.- 4 -1.1 问题的提出.- 4 -1.2 所在研究领域的历史和现状，前沿的主要问题及遇到的问题 .- 4 -1.3 论文研究意义 .- 5 -1.4 研究成果 .- 5 -1.5 任务与分析 .- 5 -2 方案设计 .- 6 -2.1 总体设计和方案论证 .- 6 -2.1.1 系统硬件结构图 .- 6 -2.1.2 总体方案论证 .- 7 -2.1.3 温度采集模块方案论证 .- 8 -3 系统硬件电路设计.- 9 -3.1 89C51 单片机 .- 9 -3.2.1 DS18B20 的内部结构 .- 12 -3.2.2 DS18B20 的外形及引脚说明 .- 13 -3.2.3 DS18B20 内部结构 .- 14 -3.2.4 DS18B20 温度传感器的存储器 .- 14 -3.2.5 DS18B20 的特性 .- 16 -3.2.6 DS18B20 工作原理 .- 17 -3.2.7 DS18B20 与单片机的连接图： .- 17 -3.2.8 DS18B20 使用中注意事项 .- 18 -3.3 恒压恒流桥式 2A 驱动芯片 L298N 介绍 .- 19 -3.3.1 L298N 的内部结构 .- 19 -3.3.2 L298N 的引脚图 .- 20 -3.3.4 L298N 与单片机的连接图 .- 20 -3.4 时钟电路： .- 21 -3.5 复位电路： .- 21 -3.6 LED 显示电路： .- 22 -4 系统软件设计.- 22 -4.1 Proteus 软件环境介绍 .- 22 -4.2 Protel 软件环境介绍 .- 23 -4.3 程序流程图：. - 24 -前言- 1 -百手起驾 整理为您5 系统调试过程.- 25 -结 论.- 27 -参考文献.- 29 -附录 A 程序代码 .- 30 -附录 B 电路原理图 .- 36 -附录 C 电路 PCB 图 .- 37 -附录 D 电路仿真图 .- 38 -前言- 2 -百手起驾 整理为您摘 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，通过对恒温系统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，当温度达到报警的上、下限 值时，即触 发报警器报警，同时驱动电机转动。电机与调压器相连，当温度高于 25 度的时候， 电机顺时针旋转，电压变小；当温度低于 15 度时，电机逆时针旋转， 电压变大；当温度值在此之间时电机不转动，蜂 鸣器不报警，与此同时数码管显示各种状态下的温度值，并可随之改变。如此反复以达到恒温控制的目的。关键词：单片机 恒温控制，电机，蜂 鸣器； 前言- 3 -百手起驾 整理为您1 引 言 1.1 问题的提出 温度控制，在工业自动化控制中占有非常重要的地位。单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，自动化、智能化均离不开单片机的应用1。将单片机控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严重滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。现代自动控制越来越朝着智能化发展，在很多自动控制系统中都用到了工控机，小型机、甚至是巨型机处理机等，当然这些处理机有一个很大的特点，那就是很高的运行速度，很大的内存，大量的数据存储器。但随之而来的是巨额的成本。在很多的小型系统中，处理机的成本占系统成本的比例高达 20%，而对于这些小型的系统来说，配置一个如此高速的处理机没有任何必要，因为这些小系统追求经济效益，而不是最在乎系统的快速性，所以用成本低廉的单片机控制小型的，而又不是很复杂，不需要大量复杂运算的系统中是非常适合的。课题基于 AT89C51 单片机，以 PID 控制算法为核心算法，设计了恒温控制系统，实现了系统的温度控制。1.2 所在研究领域的历史和现状，前沿的主要问题及遇到的问题不同的产品需要通过不同温度的控制来生产，这就要求有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。在日常人们的生活中，温度控制系统的应用和作用也体现到了各个方面，随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的服务于社会。随着电子技术的发展，特别是大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么单片机技术的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。目前，单片机在工业控制系统诸多领域得到了极为广泛的应用。特别是其中的 C51 系列单片机的出现，由于它具有极好的稳定性，更快和更准确的运算精度。因此，它的出现不但推动了工业的生产，也影响着人们的工作和学习。采用单片机来对它们进行控制不仅具有前言- 4 -百手起驾 整理为您控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。1.3 论文研究意义近年来，随着计算机技术的发展，各企业对温度检测技术提出了更高的要求，希望制造出适应性更强、精度更高、性能更稳定、并具有智能功能的新一代温度检测仪表。单片微处理器具有高精确度、高灵敏度、高响应速度，以及耗能少、机构小、可以连续测量、自动控制、安全可靠等优点。同时，其逻辑控制运算是由软件来进行的,可以容易的实现各种控制规则，甚至是比较复杂的控制算法的实现，而且不受外界的工作环境的影响。因此，基于单片机的温度控制器可以安全可靠地运行，智能地控制环境温度稳定在某一给定值，或者给定值附近，可以大幅度提高被测温度的技术指标。1.4 研究成果系统按软硬件独立配合完成，在参阅大量文献资料，总结吸取前人的经验，经过设计，焊接，调试，成功地实现了系统的各个功能，达到了以下技术指标：1.通过键盘控制，输入要控制的温度值。2.正常运行时，能根据输入值控制输出。3.系统的控制温度可以通过键盘任意控制（在允许的范围内） 。4.数据掉电不丢失。1.5 任务与分析 本设计是对恒温系统进行的温度控制。从系统内温度的检测、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，经过讨论我都基本上解决了。前言- 5 -百手起驾 整理为您这里利用芯片 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 DS18B20 读入的数据与预置数进行比较，当达到温度上下限值即驱动电机转动，调节电压器的值，进而对温度进行调节。2 方案设计 2.1 总体设计和方案论证 系统总体设计分为硬件和软件两个部分，文章主要为软件方面的设计。总体结构包括 AT89C51 的主控芯片，温度采集电路，电机驱动电路，数码管显示电路，蜂鸣器报警电路。2.1.1 系统硬件结构图 单片机系统温度传感器LED显示电机驱动模块蜂鸣器报警图 2-1 温度控制结构框图前言- 6 -百手起驾 整理为您如上图所示，系统以 AT89C51 为控制核心，在基于外围采集，控制电路的配合下，完成对温度的控制。主要的软件模块为，温度采集模块，数码管显示模块，电机控制模块，蜂鸣器报警控制模块。2.1.2 总体方案论证方案一：采用传统的模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器设定给定值，采用上下限比较电路将实测的温度值与给定的温度值进行比较，决定加热或者降温。由于采用模拟控制方式，系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法使控制精度做得较高，而且不能用液晶显示和键盘设定。方案一系统框图如图 2-2 所示：AT89C51温度传感器LED显示电机驱动模块蜂鸣器报警比较电路放大电路A D 转换图 2-2 方案一系统框图方案二：采用单片机为控制核心。采用了 DS18B20 芯片对温度进行采集（芯片内部会进行 AD 转换）通过单片机处理后去控制温度，使其达到稳定。使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。方案二系统框图如图 2-3 所示：前言- 7 -百手起驾 整理为您AT89C51温度传感器D S 1 8 B 29LED显示电机驱动模块蜂鸣器报警图 2-3 方案二系统框图对比方案一，方案二明显的改善了方案一的不足及缺点，并具有控制简单、控制温度精度高的特点，因此设计电路采用方案二。2.1.3 温度采集模块方案论证方案一：采用热敏电阻，可满足测量范围，但热敏电阻精度、重复性和可靠性都比较差，对于检测精度小于 1的温度信号是不适用的。方案二：采用温度传感器 AD590K。AD590K 具有较高精度和重复性，良好的非线性保证0.1的测量精度。加上软件非线性补偿可以实现高精度测量。AD590 将温度转化为电流信号，因此要加相应的调理电路，将电流信号转化为电压信号，送入 A/D 转换器，最终送往单片机。方案三：采用数字温度传感器 DS18B20。DS18B20 为数字式温度传感器，无需其他外加电路，直接输出数字量，转换速度快，精度高，可靠性高。可直接与单片机通信，读取测温数据，电路简单。前言- 8 -百手起驾 整理为您3 系统硬件电路设计3.1 89C51 单片机AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能 CMOS 8位微处理器，俗称单片机。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 和闪烁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。如图 3-1 所示为单片机引脚图：图 3-1 89C51 单片机引脚图89C51 单片机与早期 Intel 的 8051/8751/8031 芯片的外部引脚和指令系统完全兼容，只不过用 Flash ROM 替代了 ROM/EPROM 而已。89C51 单片机内部结构如图 3-2 所示：前言- 9 -百手起驾 整理为您图 3-2 89C51 单片机内部结构示意图各引脚的功能如下：VCC：供电电压。GND：接地。P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的