恒温箱控制系统的设计毕业设计

1、恒温育种箱的设计与制作在日常生活、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。在木设计中，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岀驱动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

2、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控制第一章绪论0第二章总体方案设计12.1方案一12.2方案二2第三章单元模块设计33.1数字温控芯片DS18B20介绍33.1.1 DS18B20的内部结构43.1.2 DS18B20的外形及引脚说明63.1.3 DS18B20温度传感器的存储器73.4 DS18B20的特性93.5 DS18B20工作原理103.6 DS18B20使用中注意事项133.2预置数143.2.1拨码盘介绍153.3时钟163.4复位电路173.5 LED 显示183.6加热电路19361ULN2003 介绍203

3、.6.2 IGBT 管介绍21第四章PID控制214PID控制原理214.2 PID控制系统框图214.3 PID 算法22第五章单片机软件的设计255.1总体软件设计流程图25参考文献27附录28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。在本设讣中， 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

4、。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，在设汁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

5、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LED 显示心位进拨卸 两十制码热电偶温度检测图21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圧信号，在从单片机读入进行数据处理

6、。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，半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。2.2万案二LEDp显亦“位进按费两十制码单片机系统“DS18B20 温度检测卩P

7、WM波形 输出控制卩图2. 2方案一：用的是热电偶进行温度的测量，热电偶的测量范用和精度要求都符 合本设讣的需要，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, 给厂家大批量的主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敬度增加不少。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

8、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，需要进行电流一一电压的转换，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LE8显不屮1T图3. 13.1数字温控芯片DS18B20

9、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、 适用电压更宽、更经济。DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界 上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总接独特而且经济的特点， 是用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的建构引入全新的概念。DS18B20. DS1822 “一线总线”数字化温度传感器同DS1820 样，DS18B20也支持“一线总 线”接口，测量温度范围为-50C+125C,在-10C+85C范围内，精度为土0. 5C。 DS1822的精度较差为2C。现场温度直接以“

10、一线总线”的数字方式传输，大 大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设 备或过程控制、测量类消费电子产品等。与前一代产品不同，新产品支持3v5. 5v 的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。 DS18B20、DS1822的特性DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为土0.5C。 可选更小的封装方式，更宽的电压适用范圉。分辨率设定，及用户设定的报警温 度存储在EEPR0M中，掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的！ 性能价格比也非常出色！ DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。 省

11、略可存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPR0M,精度降低为2C,适用 于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。DS18B20和DS1822使 电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的、经济的测温系统。3.1.1 DS18B20的内部结构1、DS18B20内部结构主要由四个部分组成：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。光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20 的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位(28H)是产品类型标号，接 着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面

12、56位的循环冗余校检码 (CRC二X8+X5+X4+1)。光刻ROM的作用是使侮一个DS18B20都各不相同，这样就可 以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。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 符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625C/LSB形式表达，其中S为符号位。表3.1232421202(-1)2(2)2(3)2(-4)bitld bitl4 bitl3 bitl2 bitllbitlObit9bit8sSSSS2飞252八4LS BvteMS Bytebit? bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bitl bitO

13、这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个比特的RAM中，二进 制中的前面5位符号，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.例如+125C的数字输出为07D0H, +25. 0625C的数字输出为0191H, -25. 0625 的数字输出为FF6FH, -55C的数字输出为FC90H.表3. 2TEMPERATUREDIGITAL OUTPUT(Binary)DIGITAL OUTPUT(Hex)+125C0000 0111 1101 000

14、007D0h+85 C*0000 0101 0101 00000550h+25. 0625C0000 0001 1001 00010191h+10. 125C0000 0000 1010 001000A2h+0. 5 C0000 0000 0000 10000008hoc0000 0000 0000 00000000h-0. 5 Cmi mi mi 1000FFFSh-10. 125Cmi mi oioi moFF5Eh-25. 0625Cmi mo ono miFE6Fh-55 C1111 1100 1001 0000FC90h*The power-on reset value of the

15、 temperature register is +85C3.1.2 DS18B20的外形及引脚说明外形如图3.1.2所示。图3. 21 (GND)：地2 (DQ)：单线运用的数据输入输出引脚3 (VDD)：可选的电源引脚3、DS18B20内部结构DS18B20的内部结构如图3所示。64位电源检测RDM和接口图3.33.1.3 DS18B20温度传感器的存储器DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的 可电擦的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器.暂存存储器包含了 8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节 的内容是温度的低八

16、位，第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、 TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存的易失性拷贝，这三个字节的内容在每 一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余 检验字节。表3. 3DS1820暂存寄存器分布寄存器内容字节地址温度最低的数字位0温度最高的数字位1高温限值2低温限值3保留4保留5计数剩余值6每度讣数值7CRC校验8该字节各位的意义如下:TM R1 RO 11111低五位一直都是1, TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测 试模式，在DS18B20出厂时该设置为0,用户不要去改动.R1和R0用来设置分辨率, 如下表所示（

17、DS18B20出厂时被设置为12位）表3. 4分辨率设宜R1R0/Vila 涉温度最大转换时间009位93. 75ms0110位187. 5ms1011位375ms1112位750ms根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤: 每一次读写之前都要对DS18B20进行复位,复位成功后发送一条ROM指令,最后发 送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作.复位要求主CPU将数据线下拉 500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待16、60微秒左右,后发出60、240微 秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功.表35指令约定代码功能读R

18、OM33H读DS1820R0M中的编码（即读64位地址）符合ROM55H发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，访问单线总线上与该编码相对应的DS1820使之作出响应，为下一步对该DS1820的读写作准备搜索ROMOFOH用于确定挂接在同一条总线上DS1820的个数和识别64位ROM 地址，为操作各器件作好准备跳过ROMOCCH忽略64位ROM地址,直接向DS1820发温度变换指令，适用于单片工作.告警搜索命令OECH执行后，只有温度超过设定值上限或下限的片子才作出响应.表3.6指令约定代码功能温度变换44H启动DS1820进行温度转换，转换时间最长为500ms （典型为200ms）,结果存

19、入内部9字节RAM中读暂存器OBEH读内部RAM中9字节的内容写暂存器4EH发出向内部RAM的第3, 4字节写上,下限温度数据命令，紧跟该命令之后,是传输两字节数据.复制暂存器48H将RAM中的第3, 4字内容复制到EEPRAM中.重调EEPRAM0B8H将EEPRAM中内容恢复到RAM中的第3, 4字节.读供电方式OB4H读DS18B20的供电模式，寄生供电时DS18B20发送“0” ,外接电源供电,DS18B20发送“1”3.1.4 DS18B20 的特性DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为土0.5C。可选更小的封装 方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度

20、，存储在EEPROM, 掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出 色！DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本，省略了存储用户定义报警温度，分辨率参数的EEPROM,精度降低为2C。适用于对性能要求不高, 成本控制严格的应用，是经济型产品。表37型号工作电压分辨率精度EEPR0M软件兼容性封装采集模块DS18B203. 05. 5V旷12位0.5C有与 DS1820部分兼容SOIC,T0-92LTM-8000系列表3. 8特性指标序号项目指标1温度传感器DS18B20数字温度传感器2温度精度0.5C (-10+85C范围内)3测温范围

21、-55C+125C4温度分辨率12 位(0. 0625C)5测温速度750ms （12位分辨率）6电源要求3旷5. 5V7通讯电缆三芯屏蔽电缆8支持通讯电缆长度300m9运行环境-55C+125C10外型尺寸巾6mm11材质不锈钢3.1.5 DS18B20T作原理DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间山2s减为750mso DS18B20的读写时序如下:PROC WRITEWRITE:WR1:MOVCLRCLRMOVDJNZR2,#8CDQR7,#6 R7,$ADQ,CR7,#23 R7,$ DQR2.WR1 DQ

22、RRCMOVMOVDJNZSETBNOPDJNZSETBRET；读一个字节,出口: A二读入的字节PROC DREADDREAD: MOV R2,#8READL: CLR CSETB DQNOPNOPCLR DQNOPNOPNOPSETB DQ;产生时间片MOV R7,#7DJNZ R7,$MOV C,DQMOV R7,#23DJNZ R7,$RRC ADJNZ R2,READLRET051*20 产生 *4 024 OusDS1820等御156 Ous卜 -HtM Rx Kla 480us -图34 DS18B20工作流程图L XIN 480USVCCNX 90VS 1 _和 RE IBUS

23、3.1.6 DS18B20使用中注意事项DS18B20虽然具有测温系统简单，测温精度高，连接方便，占用口线少等优 点，但实际应用中也应注意以下儿方面的问题：3. 1. 6. 1较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微 处理器间采用串行数据传送。因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严 格地保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M, C等高级语言 进行系统程序设计时，对DS18B20操作部分最好采用汇编语言实现。3. 1.6.2在DS18B20的有关资料中，均未提及单总线上所挂DS18B20数量问 题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20.在实际应

24、用中并未如此。当单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题, 这一点在进行多点测温系统设计时，要加以注意。3. 1.6. 3连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的，试验中，当采用普通 信号电缆传输长度超过50米时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电 缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150米。当采用每米绞合 次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主 要是山总线分布电容使信号波形产生畸变造成地。因此，在使用DS18B20 进行长距离测温系统设计时，要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。3. 1. 6. 4在DS18B20测温程序设

25、计中，向DS18B20发出温度转换命令后, 程序总要等待DS18B20的返回信号，一但某个DS18B20接触不好或断线， 当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进 行DS18B20硕件连接和软件设计时也要给以一定的重视。3.2预置数输入预置数山两个十进制拨码开关来完成，如图7。每一个拨码开关有四位,III 0000到1111,取其中的0000到1010就可以实现十进制中0到10的设定，两 个就可以构成两位的输入，就可以实现0到100的置数。亠咼321拨码盘介绍山于BCD拨码盘方便、直观、实用、易于操作等优点，被广泛应用于参数设 定的监测仪表，机械机床等设备上，具有很大的应用空间。图3. 2.1为拨码盘的 内部原理图，1、2、4、8四个端子为数据端，com为公共端，当拨码盘窗口显示 的数值不为零时，其数据线将有一位或儿位与com端接通。例如：当拨码盘输出为5时，1、4与com端接通。图3.7 BCD拨码盘内部原理图读拨码盘流程图:图3. 8读拨码盘流程图3.3时钟时钟电路用于产生单片机工作时所需的时钟信号。单片机本身就是一个复杂 的同步时序电路，为保证同步工作方式的实现，单片机应该在唯一的时钟信号控 制下工作，严格按照时序执行指令进行工