恒温电热杯温度控制器设计

课程设计计算机控制技术课 程 设 计成绩评定表设计课题 恒温电热杯的温度控制器设计 学院名称 ： 专业班级 ： 学生姓名 ： 学 号 ： 指导教师 ： 设计地点 ： 设计时间 ： 2 指导教师意见：成绩: 签名： 年 月 日计算机控制技术课 程 设 计 课程设计名称： 专 业 班 级 ： 学 生 姓 名 ： 学 号 ： 指 导 教 师 ： 课程设计地点： 课程设计时间： 计算机控制技术 课程设计任务书学生姓名专业班级学号题 目恒温电热杯的温度控制器设计课题性质工程设计课题来源自拟指导教师臧海河主要内容（参数）利用89C51设计PLD系列恒温控制系统，实现以下功能：1用电热器加热水壶中的水，用单片机检测水壶内温度，是温度恒定于某一值；2温度控制静态误差1；3用1602显示水的温度； 4由键盘输入设定温度；任务要求（进度）第1天：熟悉课程设计任务及要求，查阅技术资料，确定设计方案。第2天：按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。第3天：软件设计。第4-5天：撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、语言流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅不少于6000字。主要参考资料1 何立民.单片机高级教程及应用设计.北京： 北京航天航空大学出版社，20002 朱定华.单片机原理与接口技术.电子工业出版社,20063 马建伟，李银伢.PID控制设计理论与方法.科学出版社，20084 张毅刚.单片机原理及应用.北京：高等教育出版社，2003.12审查意见系（教研室）主任签字： 年 月 日 目 录1前言42 总体方案设计42.1系统方案42.2总体方案原理的理论分析53 硬件电路设计63.1 AT89S52单片机63.2温度传感器73.3 电源电路93.4 加热控制电路103.5液晶显示模块103.6键盘和DS18B20模块114软件设计说明115总结12参考文献12附录 131 前言 一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构加在被控系统上，控制系统的被控量经过传感器、变送器通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器和执行机构都不一样。比如压力控制系统要采用压力传感器，而温度控制系统要采用温度传感器。 PID 控制技术在现在最为成熟，控制结构简单，参数容易调整，不必求出被控对象的数学模型就可以调节，所以在恒温控制系统中通常采用 PID 算法。PID 是比例（proportional）、积分（intergal）和微分derivative三者的缩写。PID 调 、kd微分系数的选择非常重节器的三个基本参数 kp比例系数、ki（积分系数）要，它将直接影响一个控制系统的准确性。 传统的 PID 控制电路结构复杂，需配合相应的可控硅控制电路来完成功率的调控。针对它具有器件多、生产成本高、电路调试复杂的缺点，本恒温自动控制系统的设计中应用 AT89S52 的单片机进行数字 PID 运算，能充分发挥软件系统的灵活性，在必要时针对 PID 算法进行修正，使其更加完善，固态继电器的功率调节电路，极大地简化了执行电路，与单片机的接口也变得十分的方便。同时，只需要更换不同输出功率的固态继电器，就可满足不同功率加热系统的需要。由于设计的系统对温度动、静态指标要求要求不高，且允许有一定的温度偏差和允许调节的时间较长时，最流行控制方法还是继电接触器控制系统。因此本设计采用继电接触器控制系统。整个设计系统电路简单、调试方便、实际应用可达到理想的精度 。2 总体方案设计2.1系统方案 (1) 温度传感器的选取 采用 DS18B20 温度传感器。DS18B20 是 DALLAS 公司生产的一线式数字温度传感器，具有 3 引脚 TO92 小体积封装形式；温度测量范围为55125可编程为 9 位12 位 A/D 转换精度，测温分辨率可达 0.0625，被测温度用符号扩展的 16 位数字量方式串行输出远端引入。此器件具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点其各方面特性都满足此系统的设计要求。(2) 键盘显示 控制与显示电路是反映电路性能、外观的最直观部分，所以此部分电路设计的好坏直接影响到电路的好坏。单片机 AT89C52 与 4X4 矩阵组成控制和扫描系统，并用 89C52的 P1 口对键盘进行扫描，并用总线的方式在 P0 口接 1602 液晶来显示水温和设定值，这种方案既能很好的控制键盘及显示，又为主单片机大大的减少了程序的复杂性，而且具有体积小，价格便宜的特点。（3） 控制电路部分 采用 AT89C52 单片机，其内部有 4KB 单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器，而且它的 I/O 口也足够本次设计的要求。2.2总体方案原理的理论分析（1） 系统模块 DS18B20 模块，1602 液晶显示模块，继电器模块，键盘输入模块和声光报警模块，DS18B20 可以被编程，所以箭头是双向的，CPU（89C52）首先写入命令给 DS18B20，然后 DS18B20 开始转换数据，转换后通 89C 52 来处理数据。数据处理后的结果就显示到 1602 液晶上。系统结构框图如图2.1所示。 图2.1系统结构框图(2)系统模块总关系 本系统的执行方法是循环查询执行的，键盘扫描也是用循环查询的办法，由于本系统对实时性要求不是很高，所以没有用到中断方式来处理。系统总流程图如下图2.2所示。 图2.2系统总流程图3 硬件电路设计 考虑到尽量降低成本和避免过于复杂的电路，此系统所用到的元器件均为常用的电子器件。主控器采用单片机 AT89S52；温度传感器采用 DALLAS 公司生产的单总线数字温度传感器 DS18B20；采用控制端 TTL 电平，即可实现对继电器的开关，使用时完全可以用 NPN 型三极管接成电压跟随器的形式驱动；单片机所需要的5V工作电源是通过 220V 交流电压通过变压、整流、稳压、滤波得到。实时控制的显示器、键盘通过单片机来完成键盘扫描与输出动态显示。下面对硬件电路作具体的设计。3.1 AT89S52 单片机3.1.1 AT89S52 单片机功能简介(1)该芯片具有如下功能1)有 1 个专用的键盘/显示接口；2)有 1 个全双工异步串行通信接口；3)有 2 个 16 位定时/计数器。这样，1 个 89S52，承担了 3 个专用接口芯片的工作；不仅使成本大大下降，而且优化了硬件结构和软件设计，给用户带来许多方便。 89S52 有 40 个引脚，有 32 个输入端口（I/O），有 2 个读/写口线，程序存储器可以反复擦除。（2） 主要功能图特性1）兼容 MCS51 指令系统2）32 个双向 I/O 口线3）3 个 16 位可编程定时/计数器中断4）2 个串行中断口5）2 个外部中断源6）2 个读写中断口线7）低功耗空闲和掉电模式8）8k 可反复擦写gt1000 次Flash ROM9）256x8 bit 内部 RAM 10）时钟频率 0-24MHz11）可编程 UART 串行通道12）共 6 个中断源13）3 级加密位14）软件设置睡眠和唤醒功能。3.1.2 AT89S52 单片机时钟和复位电路（1）时钟电路 图3.1时钟电路(2)复位电路 图3.2 按键复位电路3.2 温度传感器 温度测量转换部分是整个系统的数据来源，直接影响系统的可靠性。传统的 温度测量方法是：例如 AD590，将测量的温度转换成模拟电信号，再经过 A/D 转换 器把模拟信号转换成数字信号，单片机再对采集的数字信号进行处理。这种模拟 数字混合电路实现起来比较复杂，滤波消噪难度大系统稳定性不高，鉴于这些考 虑，本设计采用数字式温度传感器 DS18B20。 DS18B20 支持“一线总线”接口，测量温度的范围为-55C125C，现场 温度直接以“一线总线”的数字式传输，大大的提高了系统的抗干扰性。DS18B20 为 3 引脚， DQ 为数字信号输入/输出端；GND 为电源地；VDD 为外接供电电源输入 端。温度采集电路模块如图 3.3示。DS18B20 的 3 脚接系统中单片机的 P1.4 口 线，用于将采集到的温度送入单片机中处理，2 脚和 3 脚之间接一个 4.7K 上拉电 阻，即可完成温度采集部分硬件电路。DS18B20 内部结构主要由四部分组成：64 位光刻 ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。 图3.3 温度采样电路DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量，以 12 位转化为例:用 16 位符 以 号扩展的二进制补码读数形式提供， 0.0625/LSB 形式表达，其中 S 为符号位。 数据转换如下表 3.1。 LS ByteBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit084211/21/41/81/16MS ByteBit15Bit141Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8SSSSS643216表3.1这是 12 位转化后得到的 12 位数据，存储在 DS18B20 的两个 8 比特的 RAM 中， 二进制中的前面 5 位是符号位，如果测得的温度大于 0，这 5 位为 0，只要将测到 的数值乘于 0.0625 即可得到实际温度；如果温度小于 0，这 5 位为 1，测到的数 值需要取反加 1 再乘于 0.0625 即可得到实际温度。 3.3 电源电路 电源电路可分为三大块：变压部分、整流滤波部分、稳压部分。电源电路如 图 3.4所示。 3.4 电源电路3.3.1 电源变压器 变压部分其实就是一个变压器，变压器作用是将 220V 的交流电压变换成我们 所需的电压 9V。然后再送去整流和滤波。3.3.2 整流滤波电路 整流电路将交流电压变成单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单 向脉动电压中的交流成份，合之成为平滑的直流电压。滤波电路常见的有电容滤 波电路、电感滤波电路。一般的整流有全波整流、单相半流整流、桥式整流、及变压整流。3.3.3 稳压电路 在稳压电路中使用的是“三端固定输出集成稳压器”，稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。集成稳压器、使用方便、性能稳定、更重要的是考虑到它的价格低廉。3.4加热控制电路 加热控制电路如图3.5所示。用于在闭环控制系统中对被控对象实施控制，假若被控对象为电热杯，采用对加在电热杯两端的电压进行通断的方法进行控制，以实现对水加热功率的调整，从而达到对水温控制的目的。对电炉丝通断的控制采用 SSR-40DA 固态继电器。它的使用非常简单，只要在控制端 TTL 电平，即可实现对继电器的开关，使用时完全可以用 NPN 型三极管接成电压跟随器的形式驱动。当单片机的 P1.3 为高点平时，三极管驱动固态继电器工作接通加热器工作，当单片机的 P1.3 为低电平时固态继电器关断，加热器不工作。 图3.5 加热控制电路3.5.液晶显示模块 下图3.6是 1602 液晶显示模块的图，按照总线接法来连接，1602 数据口接单片机的 P0 口。3.89C51 单片机最小系统模块 89C51 单片机最小系统模块如下，P0 口接 10K 的上拉电阻以便与显示模块通讯。 图3.6 液晶显示电路3.6.键盘和 DS18B20 模块 键盘和 DS18B20 模块如下图3.7，采用 4X4 矩阵键盘接单片机 P1 口，DS18B20模块对水温进行采样，并与单片机通讯来实现对水温的控制。 图3.7 44键盘4.软件设计说明 本系统采用的是循环查询方式，来显示和控制温度的。具体设计思路如下：（1） 单片机接受来自键盘的初始设置并保存；（2） 定时对检测装置进行型号回收；（3） 把得到的实时温度与预设温度进行比较；（4） 若实时温度与预设温度有差异则插入控制程序对加热电路进行控制，使实时温度与预设温度保持近似相等；（5） 若实时温度与预设温度无差异，则返回（2）继续对实时温度进行监测监控。 总流程图如下图4.1所示。 图4.1 系统总流程图5 总结 由于在许多工艺生产中，温度起到了很重要的作用。一次本设计做的是恒温检测控制系统。通过理论分析表明，PID控制能较好地满足很稳控制的各种要求，在这种理论指导下，采用At89S52单片机实现PID控制，最终实现恒温控制。 从总体上来看，这次电路设计制