毕业设计（论文）-基于单片机的恒温孵化箱的温度调节器的设计与制作.pdf

i 摘摘 要要 本设计实际上是模拟恒温孵化箱作为实验对象，设计一个温度自动调节系统。 本 设计采用 stc12c5410ad 单片机作为控制核心，利用 ds18b20 数字温度传感器检测恒 温箱内的温度，并用直流加热器对恒温箱加热。此系统是一个单闭环控制系统，控制 核心思想是利用增量式数字 pid 计算 pwm 脉宽调制波形的占空比， 为 irfz44n 场效应 管提供控制信号，达到调压目的。用户可根据不同的孵化过程设定温度，此系统就能 通过 pid 运算，驱动加热器以达到自动恒温。 本设计可运用于某些孵化家禽数量较少的地方，不但操作方便，而且耗能较少， 工作持续时间较长。 关键字：关键字：恒温箱；单片机；ds18b20 温度传感器；led 驱动；pid；pwm 脉宽调制 ii abstractabstractabstractabstract this design is actually simulated temperature incubation boxes used in experiments, to design a temperature automatic control system. this design uses stc12c5410ad mcu as control systems, using ds18b20 digital thermometer to detect the temperature of constant temperature box and heating of the incubator with a dc heating. it is a single-loop control system, this system of control core idea is to use pid pwm waveform duty cycle operation for irfz44n provide control signals to pressure regulator purposes. users can set different incubation temperatures, this system will by pid operation, the drive to achieve the automatic thermostat heater. this design can be applied to some of the small number of poultry hatching place, not only easy to operate, and less energy consumption, continued for a long time. keywords:keywords:keywords:keywords: incubator; mcu; ds18b20 temperature sensor; led driver; pid; pwm pulse width modulation i 目目 录录 1 绪论.1 1.1 设计背景1 1.2 目的和意义1 2 设计的主要内容.2 2.1 系统的主要功能2 2.2 系统方案的确定2 2.2.1 系统方案的提出.2 2.2.2 方案可行性分析.3 2.2.3 其他控制方案.5 3 硬件的设计与制作.6 3.1 单片机系统及温度检测模块的设计6 3.1.1 单片机概述.6 3.1.2 单片机系统及温度检测模块的电路图.7 3.2 显示及键盘输入模块的设计7 3.2.1 zlg7290 概述7 3.2.2 显示及键盘输入模块的电路图.9 3.3 温度控制模块的设计10 3.3.1 irfz44n 概述10 3.3.2 lm393 概述.12 3.3.3 温度控制模块的电路图.13 3.4 系统的总电路原理图13 4 软件设计.14 4.1 显示和键盘输入模块14 4.1.1 显示模块的基本流程.14 4.1.2 键盘输入模块流程.15 4.2 温度采集模块15 4.2.1 初始化.15 4.2.2 写指令和读数据.16 4.2.3 温度采集的流程图.17 4.3 温度控制模块17 4.3.1 pwm 初始化.17 4.3.2 pid 控制算法18 4.3.3 温度控制模块流程图.18 5 系统调试.19 5.1 moc3061 光耦合的调试 19 5.2 lm393 比较器的调试19 5.3 zlg7290 驱动芯片的调试.19 5.4 增量式数字 pid 参数的调试20 6 结论.21 谢 辞22 ii 参考文献23 附录一 系统的主程序24 附录二 系统的程序流程图30 附录三 电路原理图31 附录四 实物图片33 基于单片机的恒温孵化箱的温度调节器的设计与制作 1 1 1 1 1 绪论绪论 1.11.11.11.1 设计背景设计背景 孵化是一个复杂而烦琐，并且环境要求较高的过程。在整个孵化过程中，温度是 最关键的参数。孵化过程的适宜温度是 3539。温度过高或过低都会影响胚胎 的发育。如高于正常温度，会使胚胎过快地发育，出壳早，雏鸡软弱不易成活。如超 过 43胚胎便可能死亡。如果低于正常温度，胚胎发育缓慢，出壳晚而不齐，甚至 死亡。如果低于 32胚胎便会停止发育以至死亡。因此，在孵化过程中应根据胚胎 不同的发育时期合理地调节孵化温度。一般在孵化初期，胚胎的物质代谢处于低级阶 段，自身产热少，温度应稍高，可以刺激碳水化合物的代谢，促进胚胎的发育；在孵 化中期物质代谢渐渐增强而复杂，胚胎增大，自身能产生一部分热量，外界供给的温 度应稍低于前期； 孵化后期脂肪代谢处于旺盛阶段，胚胎本身产生的大量热量要散发 出来，如外界温度过高，妨碍热量的散发，体内分解有毒产物也排不出来，会导致胚 胎中毒或闷死壳内。故后期的温度要低，但是到出壳时应稍稍升高，便于出壳整齐。 随着经济和科学技术的迅猛发展，以及自动化技术的逐渐成熟，母鸡孵小鸡的原 始技术逐渐地被新型的自动孵化设备所代替。在这些现代的设备中，环境的控制更加 智能、准确、快速。 1.21.21.21.2 目的和意义目的和意义 虽然自动孵化设备越来越先进，而且能准确、快速地调节温度，非常适用于养 鸡厂，但成本较高，能耗也比较高，并不适用于家用。 本设计就是一个适用于家用的简易恒温箱。它具有以下特点： 体积小，能耗小，成本低廉； 操作方便，可自定义恒温箱内温度； 能在数码管或 lcd 上显示当前温度，进行实时监控； 采用简易的 pid 控制算法，可以保证胚胎发育的温度条件。 909573362 本科毕业设计（论文） 2 2 2 2 2 设计的主要内容设计的主要内容 2.12.12.12.1 系统的主要功能系统的主要功能 能用键盘任意设置给定温度； 能实时显示恒温箱内的温度，测量范围为-55至+125，并且保留一位小数； 采用 pid 算法控制恒温箱内的温度，控制精度为0.7； 2.22.22.22.2 系统方案的确定系统方案的确定 2.2.12.2.12.2.12.2.1 系统方案的提出系统方案的提出 本系统将用一个体积不大的纸箱来模拟恒温箱主体，用单片机作为主控器，用数 码管作为显示设备。 本系统主要是对恒温箱内的温度进行监视并控制。首先应用键盘设置合适的温 度，然后才能启动系统。在孵化过程中，温度传感器将温度传回单片机中，并显示在 数码管上，同时进行 pid 运算出合适的 pwm 波形作为控制信号。 本设计将采用 mos 管（irfz44n）来驱动直流加热器(24v 或 15v)。由于 irfz44n 的门极电压为 020v， 而 pwm 输出电压为 05v，所以可用 393 比较器将输出电压放 大到 020v，再输入到 irfz44n 的 g 极实现调压驱动加热器来控制恒温箱中的温度。 图 2.1单片机温度控制系统框图 基于单片机的恒温孵化箱的温度调节器的设计与制作 3 2.2.22.2.22.2.22.2.2 方案可行性分析方案可行性分析 1、 显示部分的设计 采用四位 led 数码管动态扫描显示，电路设计简单，容易实现编程。并且亮 度较高，便于操作员读取温度。 图 2.2四位共阴极 led 数码管 2、 温度传感器的选择 ds18b20 数字温度计是一种数字类集成温度传感器，能提供 9 位温度读数。 它具有以下特性： 独特的单线接口，只需 1 个接品引脚即可通信 多点能力使分布式温度检测应用得以简化 不需要外部元件，不需要备份电源，用数据线供电 测量测量范围从-55至+125，增量值为 0.5 在 1 秒内把温度变换为数字 应用范围包括恒温控制 909573362 本科毕业设计（论文） 4 图 2.3ds18b20 3、 控制部分的设计 本设计选用一个 24v 的加热器作为控制器，可以将恒温箱加热到 50，加热时 间适中，便于控制。再采用 pid 算法更容易实现恒温，控制精度也较高。调压选用 irfz44n 作为驱动，可实现 024v 的调压，而且快速、精确。 图 2.4pwm 直流调压电路图 基于单片机的恒温孵化箱的温度调节器的设计与制作 5 2.2.32.2.32.2.32.2.3 其他控制方案其他控制方案 方案一：方案一： 采用 moc3061 光耦合和 bt136 双向可控硅来实现 220v 交流电的调压。这个方案 应用比较困难， moc3061 和 bt136 都是半控型可控硅， 不能控制它们的关断。 而且 220v 加热器加热比较快，不容易到达较高的控制精度。 图 2.5moc3061 光耦合应用电路图 方案二：方案二： 采用普通光耦合和 igbt 实现 220v 交流电的调压。igbt 是全控型可控硅，可实 现开断，便于实现调压。光耦合也是全控型的，可用 pwm 控制它的开断来提供 igbt 的控制信号。但是光耦合和 igbt 不易实现同步，而且 220v 加热器加热比较快，不容 易到达较高的控制精度。 图 2.6应用 igbt 交流调压电路图 909573362 本科毕业设计（论文） 6 3 3 3 3 硬件的设计与制作硬件的设计与制作 3.13.13.13.1 单片机系统及温度检测模块的设计单片机系统及温度检测模块的设计 3.1.13.1.13.1.13.1.1 单片机概述单片机概述 stc12c5410ad 单片机是一片 28 脚封装的增强型 51 单片机。它有以下特点： 高速：可到达 8051 的 812 倍； 时钟：内部有 rc 振荡器可提供时钟脉冲，也可接外部晶振； 10 位 8 通道 adc，4 路 pwm 输出； 4 路捕获/比较单元（pwm/pca/ccu） ； 硬件看门狗（wdt） 通用 i/o 口 24 个。可设置成四种模式：准双向口/弱上拉；推挽/强上拉； 仅 为输入/高阻；开漏，每个 i/o 口驱动能力达到 20ma。 图 3.1stc12c5410ad 引脚图 基于单片机的恒温孵化箱的温度调节器的设计与制作 7 3.1.23.1.23.1.23.1.2 单片机系统及温度检测模块的电路图单片机系统及温度检测模块的电路图 图 3.2stc12c5410ad 系统及温度检测电路图 3.23.23.23.2 显示及键盘输入模块的设计显示及键盘输入模块的设计 3.2.13.2.13.2.13.2.1 zlg7290zlg7290zlg7290zlg7290 概述概述 本设计采用四位 led 数码管动态扫描显示。为减少与单片机引脚的联接，本设计 选用 zlg7290 驱动 led 和键盘，只需 3 个 i/o 口就能实现。 zlg7290 具有以下特点： i2c 串行接口提供键盘中断信号方便与处理器接口； 可驱动 8 位共阴数码管或 64 只独立 led 和 64 个按键； 可控扫描位数、可控任一数码管闪烁； 提供数据译码和循环移位段寻址等控制； 8 个功能键可检测任一键的连击次数； 909573362 本科毕业设计（论文） 8 无需外接元件即直接驱 led 可扩展驱动电流和驱动电压； 提供工业级器件 多种封装形式 pdip24 so24； 它的引脚说明如下： 图 3.3zlg7290 引脚图 表 3.1 zlg7290 引脚说明 引脚号引脚属性引脚名称引脚描述 13,12,21,22,36dig7 dig0输入/输出 led 显示位驱动及键盘扫 描线 107,2,1,24,23seghsega输入/输出 led 显示段驱动及键盘扫 描线 20sda输入/输出 i2c 总线接口数据/地址 线 19scl输入/输出i2c 总线接口时钟线 14/int输出中断输出端,低电平有效 15/res输入复位输入端,低电平有效 17osc1输入 连接晶体以产生内部时钟 18osc2输出 16vcc电源电源正(3.35.5v) 11gnd电源电源地 基于单片机的恒温孵化箱的温度调节器的设计与制作 9 3.2.23.2.23.2.23.2.2 显示及键盘输入模块的电路图显示及键盘输入模块的电路图 图 3.4显示和键盘输入模块电路图 909573362 本科毕业设计（论文） 10 3.33.33.33.3 温度控制模块的设计温度控制模块的设计 3.3.13.3.13.3.13.3.1 irfz44nirfz44nirfz44nirfz44n 概述概述 由于恒温箱温度不高，只需 36左右，所以本设计选用 24v 直流加热器加热。 采用 irfz44n 驱动调压。以下是 irfz44n 的引脚图和主要参数。 当 g 级从 020v 变化时，id也在线性变大，负载两端的电压也从 0vdss变化， 从而实现负载调压。 图 3.5irfz44n 封装 基于单片机的恒温孵化箱的温度调节器的设计与制作 11 下图是 irfz44n 调压曲线： 图 3.6vds 与 id 对应曲线 图 3.7 vgs 与 id 对应曲线 909573362 本科毕业设计（论文） 12 3.3.23.3.23.3.23.3.2 lm393lm393lm393lm393 概述概述 由于 irfz44n 的门极电压为 020v，所以本设计采用 lm393 比较器将 pwm 输出 电压由 05v 转换为 015v。下图为它的内部结构图。 图 3.8lm393 比较器内部结构 主要引脚说明（如图 3.8 ） ：1 脚为输出电压；2 脚为基准电压（可接 2v 左右）； 3 脚为输入电压。 比较原理（如图 3.9 ） ：当 3 脚输入电压高于 2 脚的基准电压时，1 脚输出高电 平（若 3 脚接有上拉电阻，则输出 vcc） ；否则输出低电平。 图 3.9lm393 典型应用电路 基于单片机的恒温孵化箱的温度调节器的设计与制作 13 3.3.33.3.33.3.33.3.3 温度控制模块的电路图温度控制模块的电路图 图 3.10温度控制模块电路图 3.3.3.3.4 4 4 4 系统的总电路原理图系统的总电路原理图 此系统的总电路原理图见附录三。 909573362 本科毕业设计（论文） 14 4 4 4 4 软件设计软件设计 4.14.14.14.1 显示和键盘输入模块显示和键盘输入模块 4.1.14.1.14.1.14.1.1 显示模块的基本流程显示模块的基本流程 zlg7290 有 sda 和 scl 两个引脚。sda 是数据口，连接在单片机的 p1.7；scl 是 时钟输入口，连接在单片机的 p1.6。当 p1.7 发送一个数据给 zlg7290 时，同是 p1.6 输出时钟信号给 zlg7290。这时 zlg7290 就启动 i 2c 总线接受数据，再进行编码，并 通过动态扫描的方式输出给 led 显示数据，最后再释放 i 2c 总线。 下图为单片机向 zlg7290 发送一个数据并显示的时序图： 图 4.1zlg7290 时序图 zlg7290 显示流程图如下： 图 4.2显示模块流程图 基于单片机的恒温孵化箱的温度调节器的设计与制作 15 4.1.24.1.24.1.24.1.2 键盘输入模块流程键盘输入模块流程 zlg7290 的 int 引脚接在单片机的 p3.2（外部中断） 。在 zlg7290 中有一个 key 寄存器用于寄存按下的键值。本设计设置了 5 个按键，键值分别为 key=15。这个 5 个按键分别表示进入设置、左移、加、减和 ok，主要用于设置设定温度。设置温度 的流程图如下： 图 4.3键盘输入流程图 4.24.24.24.2 温度采集模块温度采集模块 4.2.14.2.14.2.14.2.1 初始化初始化 首先将 ds18b20 的数据口置高，然后置低 15-60s，最后置高等待操作。如下 909573362 本科毕业设计（论文） 16 图： 图 4.4ds18b20 初始化时序图 4.2.24.2.24.2.24.2.2 写指令和读数据写指令和读数据 写指令：首先将数据口置高稍作延时，然后拉低并延时 60-120s，再写指令 （wire bus=data/计数溢出位标志 cmod=0x82;/空闲停止工作，内部时钟 1/2 ccapm0=0x42;/pca 用于 pwm 模式 epca_lvd=1;/pca 中断 cl=0;/计数初值 ch=0; 909573362 本科毕业设计（论文） 18 ccap0h=0;/比较值，可用于调节占空比 pca_pwm0=0;/第九位为 0，=0x03,则输出 0 4.3.24.3.24.3.24.3.2 pidpidpidpid 控制算法控制算法 增量式数字 pid 算式： e_u= kp*(ek-ek_1)/10+ ki*ek/10+ kd*(ek-2*ek_1+ek_2)/10;（4.1） u=u+e_u;（4.2） pwm=255- (51*u);（4.3） 其中 e_u 为电压变化值，ek 为当前的温度差，kp 为 p 参数，ki 为 i 参数，kd 为 d 参数。只要设置好 kp、ki、kd 三个参数，就可以通过上面的式子计算出合适的 pwm（占空比） 。 4.3.34.3.34.3.34.3.3 温度控制模块流程图温度控制模块流程图 图 4.7温度控制模块流程图 基于单片机的恒温孵化箱的温度调节器的设计与制作 19 5 5 5 5 系统调试系统调试 5.15.15.15.1moc3061moc3061moc3061moc3061 光耦合的调试光耦合的调试 1、 出现的问题 如图 2.5，无论 p3.7 是置高还是置低，电路 moc3061 和 bt136 都是导通的，不 会截止，只有断电后才能截止。 2、 问题分析 moc3061 和 bt136 都是半控型可控硅， 一旦导通， 就只有当过零的时候才能截止。 并且电阻 r3 不能太小，以避免反向端电压经过 r3 为 bt136 提供门槛电压。 5.25.25.25.2lm393lm393lm393lm393 比较器的调试比较器的调试 1、 出现的问题 如图 3.10，lm393 第一脚（out）输出的高电平只有 5v，没有到达 vcc（15v） 。 2、 问题分析 当第一脚（out）没有上拉电阻时，即没有与 vcc（15v）相连时，输出的为电平 只有 0v 和 5v；当有上拉电阻（1k）时，输出的电平就与 vcc 有关，而且为 0v 和 vcc。 5.35.35.35.3zlg7290zlg7290zlg7290zlg7290 驱动芯片的调试驱动芯片的调试 1、 出现的问题 在使用 zlg7290 进行显示调试时，led 数码管上显示的是乱码。不是所要显示的 数据。 2、 问题分析 zlg7290 是采用类似于串口方式传输数据的，所以在传输数据的过程中，必须注 意时序。而 zlg7290 使用时不需要编写程序，只需到它的官网上下载打包程序，使用 时将其添加到工程文件，再调用内部函数就可以了。但是有一个条件，单片机的晶振 必须小于 12m。因为只有这样才能满足 zlg7290 打包程序的时序，才能显示正确的数 909573362 本科毕业设计（论文） 20 据。 5.45.45.45.4增量式数字增量式数字 pidpidpidpid 参数的调试参数的调试 1、 在 pid 参数的调试中，应注意以下几个问题： pid 的 p 参数既决定输出电压初值，也决定了输出电压变化的快慢，从而影 响到系统的静态误差。p 参数越大电压初值也越大，电压变也越快，但是带 来的静态误差就越大。为了使电压初值较大，同时静态误差较小，就必须选 择适中的 p 参数。 pid 的 i 参数就决定了系统的静态误差。i 参数越大静态误差就越小，但又不 能过大，否则影响系统的稳定性。 利用 d 参数可以减少系统响应时间，但会引起系统振荡。 2、 pid 参数调节如下表： 表 5.1 pid 参数调节 pid 参数超调量稳态误差调节时间 i=0 d=0 p=138.8%+90.3约 8s p=0.1无-4.70.2约 15s p=0.5无-20.2约 10s i0 d0 p=0.5 i=0.01 d=2 5.56%1约 10s p=0.5 i=0.003 d=2 4.17%0.2约 10s 结论：当 p=0.5、i=0.003、d=2 时温度调节最合适。 基于单片机的恒温孵化箱的温度调节器的设计与制作 21 6 6 6 6 结论结论 本设计完全到达了任务书的基本要求，并取得了以下成果： 能准确地对恒温箱内的温度进行检测并显示； 能够任意设置设定温度； 能够根据用户设置的设定温度进行自动恒温控制，精度到达0.7。 同时本设计有以下可改进之处： 本设计可使用的是 15v 或 24v 直流加热器控温， 没有使用 220v 交流加热器控 温，所以电源提供不方便； 控制精度还有待提高； 没有进行远程检测和控制； 没有应急处理系统； 外表设计不美观。 909573362 本科毕业设计（论文） 22 谢谢 辞辞 参考文献参考文献 1李建忠.单片机原理及应用.西安电子科技大学出版社 2王兆安、黄俊.电力电子技术. 机械工业出版社 3何立民.单片机应用系统设计.北京航空航天大学出版社 4马忠梅等.单片机的 c 语言应用程序设计.北京航空航天大学出版社 5何道清编.传感器与传感器技术. 北京科学出版社 6ds18b20 温度传感器 7zlg7290 i2c 接口键盘及 led 驱动器使用手册 基于单片机的恒温孵化箱的温度调节器的设计与制作 23 附录一附录一 系统的主程序系统的主程序 #include “reg52.h“ #include “stc12c5410ad.h“ #include “intrins.h“ #include “absacc.h“ #include “viic_c51.h“ #include “zlg7290.h“ #include “ds18b20.h“ #include “ds18b20_user.h“ #define uchar unsigned char #define uintunsigned int #define kp 0.5/定义 pid 参数 #define ki 0.003 #define kd 2 sbit key_int=p32;/定义热键 sbit p2_1=p21; int pwm=0; i