恒温烤箱——毕业设计论文

毕 业 设 计 作 品 题 目：恒温烤箱姓 名：专 业：应用电子技术班 级：学 号：校内指导老师：校外指导老师：填表日期：湘潭医卫职业技术学院教务处制湘潭医卫职业技术学院 毕业设计作品二级学院医管学院专 业应用电子技术班 级姓 名学 号校内指导老师毕业设计名称恒温烤箱校外指导老师毕业设计时间 目录1.设计功能32.设计方案33.硬件设计43.1 CPU主控模块设计43.1.1、STC89C52RC单片机简介43.1.2、晶振电路与复位电路的设计 53.2主电源电路设计 53.3温度采集模块设计63.3.1、DS18B20的特点63.3.2、DS18B20与单片机的接口电路63.4继电器模块及工作指示模块设计 73.4.1、继电器模块73.4.2硬件系统原理图73.4.3硬件系统pcb图83.5程序模块 93.5.1、主程序93.5.2、温度传感器驱动子程序93.5.3、键盘扫描处理程序 113.5.4、温度检测与控制子程序 123.6工作原理133.7成品图片134.软件设计144.1工作流程144.2建立数学模型145.系统调试155.1硬件调试方案155.1.1硬件调试155.2软件调试方案165.2.1软硬调试165.3调试结果166.小结177.参考文献181.设计功能设计任务：利用单片机STC89C52RC实现温度的智能控制，使温度能够在60左右实现恒定温度调节，利用数字温度传感器读出温度，并在此基础上将温度调节到通过键盘设定的温度，并通过数码管显示实现时实当前温度。 设计目标：完成毕业设计，按要求达到预期效果。2.设计方案 此方案采用单片机为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，它可达到核心的控制作用，并且可方便实现液晶显示、键盘设定及利用PID算法来控制PWM波形的产生，进而控制电炉的加热来实现恒温控制，其所测结果精度也大大的得到了提高，在利用PID算法来控制PWM波形的产生，是有效的控制数字脉冲的输出宽度，使继电器得到有效和有序的逻辑控制，不会使继电器产生误动作。再加上单片机的软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。它可以通过用数字温度传感器采集到的实际温度直接进行LCD液晶显示，还能用键盘输入设定值，并且内部含有4KB的EEPROM,不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单测试内容：（1）预置时显示设定温度，达到定温度时显示实时温度，精确到0.5。（2）恒温箱温度可预置，在误差范围内恒温控制，温度控制误差1。（3）恒温板由小太阳加热环加热。（4）升降温度可以通过键盘控制（5）启动后有运行指示，温度低于预置温度时进行220V全加热。（6）有较强的抗干扰性能，对升降温过程的线性没有要求。3.硬件设计 3.1 CPU主控模块设计3.1.1、STC89C52RC单片机简介STC89C52RC是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。STC89C52RC是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。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和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的STC89C52RC是一种高效微控制器，STC89C52RC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。AT89C52其引脚图如下;3.1.2、晶振电路与复位电路的设计单片机内部带有时钟电路，只需要在片外通过XTAL1、XTAL2引脚接入定时控制单元（晶体振荡和电容），即可构成一个稳定的自激振荡器。复位电路采用按键电平复位，它通过复位端经电阻与+5V电源实现，只要能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期就可实现复位，其电路如图3-1-1所示。 复位电路 晶振电路 图3-1-1 复位电路和晶振电路图装图3.2主电源电路设计本系统采用双电源输出，分别是+5V、+12V输出。+5V是系统供电电源，12V是继电器工作供电电源。本装置的直流稳压电源采用通常的桥式全波整流、电容滤波、三端固定输出的集成稳压器件进行设计，并且所有的集成稳压芯片均装有充分裕量的散热片。系统的供电电源电路如图3-2-1所示。图3-2-1 主电源电路 3.3温度采集模块设计3.3.1、DS18B20的特点（1）单线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现双向通讯。（2）在使用中不需要任何外围元件。 （3）可用数据线供电，电压范围：+3.0+5.5 V。 （4）测温范围：-55 +125。固有测温分辨率为0.5。 （5）通过编程可实现912位的数字读数方式。 （6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。（7）支持多点组网功能，多个DS18B20可并联在惟一的三线上，多点测温。（8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热烧毁，不能正常工作。3.3.2、DS18B20与单片机的接口电路DS18B20的引脚图及单片机的接口电路如图3-3-1所示。图3-3-1 DS18B20电路 3.4继电器模块及工作指示模块设计3.4.1、继电器模块继电器是一种电控制器件。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。继电器电路3.4.2硬件系统原理图3.4.3硬件系统pcb图3.5程序模块3.5.1、主程序开 中 断调用温度传感器数据采集子程序调用键盘扫描处理子程序调用显示子程序关 中 断开 始初 始 化主程序完成系统的初始化，调用温度模块程序,对其预置值及其合法性进行检查，预置温度的显示,调用键盘扫描模块等。若正常执行完三个子程序，则返回初始化进入到其它的状态，主程序的流程图见图4.-3-1所示。 图4-3-1 主程序流程图3.5.2、温度传感器驱动子程序根据DS18B20的通讯协议，单片机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后再发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求单片机将数据线下拉500us，然后释放，DS18B20收到信号后等待1660us左右，再发出60240us的存在低脉冲，CPU收到此信号表示复位成功。本系统对DS18B20进行的操作主要包括两个子过程：（1）读取DS18B20的序列号。主机首先发一复位脉冲，等收到返回的存在脉冲后，发出搜索器件的序列号命令，读取DS18B20的序列号；（2）启动DS18B20作温度转换并读取温度值。主机在收到返回的存在脉冲后，发出跳过器件的序列号命令，跟着发出温度转换命令，再次复位并收到返回的存在脉冲后，发送DS18B20的序列号，读出数据，程序流程如图4-3-2所示。 发送读暂存器命令读取温度值读取48位ID号启动温度转换开 始返 回初 始 化图4-3-2 温度传感器驱动子程序流程图 3.5.3、键盘扫描处理程序键盘模块的处理是通过对按键进行操作的。具体流程图4-3-3所示。按键扫描开始有相关功能按键按下？设置相关标志位返回主程序否是图4-3-3键盘扫描处理流程图3.5.4、温度检测与控制子程序读取18B20的实时数据与设定值的比较，开始进行加热，在加热的过程中需要进行每2秒一次的跟踪检测，并把检测到的实时数据与设定值比较，根据比较结果进行不同方式的加热，其具体流程如图4-3-4所示。调用按键设定温度值并进行开始加热检测实际温度与设定温度相等否？全加热YPID调整加热N每隔2秒检测1次相差5否？NY图3-5-4 温度检测与控制流程图读18B20,调显示子程序初始化开始3.6工作原理此方案采用单片机为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，它可达到核心的控制作用，并且可方便实现液晶显示、键盘设定及利用PID算法来控制PWM波形的产生，进而控制电炉的加热来实现恒温控制，其所测结果精度也大大的得到了提高，在利用PID算法来控制PWM波形的产生，是有效的控制数字脉冲的输出宽度，使继电器得到有效和有序的逻辑控制，不会使继电器产生误动作。再加上单片机的软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。它可以通过用数字温度传感器采集到的实际温度直接进行LCD液晶显示，还能用键盘输入设定值，并且内部含有4KB的EEPROM,不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单3.7成品图片4.软件设计4.1工作流程此次设计的恒温控制电路主要用于家庭取暖器，恒温烤箱，热水器等等当上电复位后电阻丝先处于停止加热状态，但也可以直接启动运行。运行过程中，系统不断检测当前温度，并送往显示器显示，达到预定值后停止加热；当温度下降到下限（比预定值低5）时再启动加热。这样不断地重复上述过程，使温度保持在预定温度范围之内。运行过程中也可以随时改变设定温度，温度设定好后随即生效，系统按新的设定温度运行。4.2建立数学模型控制算法即控制器的操作方式，是控制器对过程变量的实测值与设定值之间的误差信号的响应。温度控制在工业领域应用非常广泛，由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求较高。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。因此长期以来国内外科技工作者对温度控制器进行了广泛深入的研究，产生了大批温度控制器，如性能成熟应用广泛的PID调节器、智能控制PID调节器、自适应控制等。此处主要对一些控制器特性进行分析以便选择适合的控制方法应用于改造。再加上PID控制具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞后纯滞后”与“二阶滞后纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。其调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、）。它的控制框图如图4-2-1所示。 图4-2-1 PID控制框图5.系统调试5.1硬件调试方案在制作之前，将元器件妥善保管好，制作时对于一些元器件的焊接要多注意，因为在焊接的过程中有些地方难免会出现虚焊和断点的情况，所以本课题的硬件调试，使用了我们平时课上最常用的测试设备进行检查，比如万用表、示波器等，用来检查潜在的故障问题。 第一步：用眼睛目测。检查焊接在外部的各种元器件和电路的连接点是否有断接和虚焊等。 第二步：用万用表检测。在没有通电之前可以用万用表进行反复检测之前在目测中，还存在有疑问的地方，然后再检查自动板上电源线和地线之间有没有存在短路虚焊或者断接的现象。 第三步：上电检测。给做好的自动板通电，然后对照原理图检查各个元器件的电源脚是否符合要求的值。 第四步：使用示波器检测。假如单片机不工作或者是不正常工作的话，则很有可能是元器件的问题，因此首先各个元器件必须要正常工作，有些元器件虽然工作了，但还是会存在着一些值的误差或者是信号的干扰，因此这时候就要用到示波器来检测各个元器件的波形，来确定元器件是否是正常的工作状态。 完成以上调试后，假如还存在其他的问题，我们可以使用去元件的办法，也就是换新的元器件，对照电路图一个模块一个模块的调试下去，这样做的目的是找到存在故障的元件。5.1.1硬件调试1、系统测试环境（1）环境温度28摄氏度；（2）测试仪器: 数字万用表；（3）数字温度计0-100；2、测试方法（1）打开控制电源，系统工程进入准备工作状态。（2）用温度计标定测温系统，分别使温度稳定在40、50、60、70、80、90，观察系统测量温度值与实际温度值，校准系统使测量误差在1以内。（3）动态测试：设定温度为60，系统由低温开始进入升温状态。开始记录数据，观察超调量、调节时间和稳态误差；系统进入稳态后，用电风扇吹凉，观察系统的抗扰能力。设定温度为90系统由低温开始进入升温状态。开始记录数据，观察超调量、调节时间和稳态误差；系统进入稳态后，用电风扇吹凉，观察系统的抗扰动能力。（4）检验系统的显示、恒温控制、设定等功能。3、继电器测试（1）测触点电阻用万能表的电阻档，测量常闭触点与动点电阻，其阻值应为“0”；而常开触点与动点的阻值就为无穷大。由此可以区别出那个是常闭触点，那个是常开触点。（2）测线圈电阻可用万能表R10档测量继电器线圈的阻值，从而判断该线圈是否存在着开路现象。（3）测量吸合电压和吸合电流找来可调稳压电源和电流表，给继电器输入一组电压，且在供电回路中串入电流表进行监测。慢慢调高电源电压，当继电器一闭合导通时，立即记下该吸合电压和吸合电流。为求准确，可以试多几次而求平均值。（4）测量释放电压和释放电流也是像上述那样连接测试，当继电器发生吸合后，再逐渐降低供电电压，当继电器一进入断开状态时，记下此时的电压和电流，亦可尝试多几次而取得平均的释放电压和释放电流。一般情况下，继电器的释放电压约在吸合电压的1050，如果释放电压太小（小于1/10的吸合电压），则不能正常使用了，这样会对电路的稳定性造成威胁，工作不可靠。5.2软件调试方案本选题的软件调试中，首先通过对程序的编写、运行，以及仿真来发现程序中存在的一些错误，例如程序的语法错误和程序的逻辑错误，然后再进行剔除和改正。其次，还可以使用编程软件，修改程序中的设定值来进行检查，这样做的目的是尽可能的减少在程序设计过程中存在的差错。5.2.1软硬调试通过对系统的硬件、软件调试，基本上达到了该控制系统原设定的要求，数字温度传感器读温度并进行数码管显示。能够在10分钟之内通过控制继电器的通断进行加热达到预定温度值。当温度差大于5时，通过PID调整控制数字脉冲的宽度使继电器产生有效的动作，进行220V交流电加热以达到预定温度，如果温度差小于5时，则进行PID调整加热达到原预定温度。实验数字如表5-1-1所示、如表5-1-2所示。表5-1-1实验数字水量/L设置温度/实际温度/误差/使用时间/S23030.40.45324040.50.512625050.40.418826060.30.325527070.40.433728080.20.238629090.50.5445表5-1-2实验数字水量/L设置温度/实际温度/误差/使用时间/S33030.50.57534040.40.414835050.40.420736060.50.527337070.30.334638080.30.340539090.40.44735.3调试结果 对软/硬件进行系统调试，确认没有异常后，进行通电检测，测试过程中电路板元器件正常，各功能显示与控制正常，能达到预期效果。 6.小结本次设计的新型PID调节恒温温度，是基于单片机为控制中心的恒温系统，利用温度传感变送器，将采样到的温度信号输入到单片机中，再由单片机作为核心控制器，根据测量温度与设定温度的差值和增量式的PID算法生成控制信号，控制继电器的通电与断电。整个系统结构紧凑、所用芯片少、控制精度高、响应速度快，体积小，成本低。系统在硬件上采用以单片机为中心的结构，充分利用单片机片上及扩展的硬件资源，在满足技术要求的前提下最大限度地减小硬件系统的体积，并具备一定的扩展升级能力。在键盘、显示电路上都采用了串行方式，从而减小了单片机口线的使用，也使使用口线小的单片机成为可能，减小了成本开支。主电源电路采用流行的开关稳压电源，经济实惠，性能稳定。在软件上，本系统实现了传感器自动识别、故障自动诊断、PID控制参数自整定以及自动调整等高级功能，极大地方便了用户使用，为了全面达到技术要求，设计过程中对软硬件作了大量优化设计。实际应用表明，经过标定的新型PID恒温控制器的控温准确性、重复性以及可靠性均达到了设计指标。并且在此次设计中基于PID算法的温度控制系统采用了经典的增量式PID算法，从某个角度上说这种算法优于传统的控制算法，具有更稳定、控制精度更高等优点，而在控制量的输出上采用了数字式的PWM变换，免去了D/A转换器，减小了成本，且简单易行。在程序的编写过程中特别注意了人机的交互性及各种功能的实现，如键盘控制管理程序和增量式PID运算程序都是经过深思熟虑而精心设计，使系统的操作界面更容易让人理解，同时使用键盘输入控制温度，虽然一定程度上增加