恒温箱控制器

1、 第 0 页 西华大学课程设计说明书 sh 西华大学课程设计说明书 1 1 前言前言.1 2 2温度测控方案设计温度测控方案设计.2 2.1总体方案概述.2 2.2方案论证.3 221 温度传感器 .3 222 显示模块 .3 223 输出控制. 3 3 3 单元模块介绍单元模块介绍.4 31 温度采集传感器 .4 32 电源模块.5 33 数码管显示模块.5 34 单片机模块.6 35 加热模块.8 36 冷却模块.8 4 4 软件设计软件设计.9 41 软件描述 .9 42 键盘管理模块 .9 43 显示模块 .10 44 控制模块 .10 45 主程序和中断服务程序流程 .10 5 5

2、系统仿真与调试系统仿真与调试.12 51系统仿真.12 第 1 页 西华大学课程设计说明书 sh 西华大学课程设计说明书 6 6 总结总结.15 7 7 致谢致谢.16 8 8 参考文献参考文献.17 附录附录 1 1：系统电路图：系统电路图 .18 附录附录 2 2：系统程序：系统程序.19 第 2 页 西华大学课程设计说明书 sh 西华大学课程设计说明书 1 1 前言前言 温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，特别是在冶金、化工、建材、食 品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用，其温度的控制效果直接影响着产品 的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。对于不同场所

3、、不 同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温 度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据 采集的精度和采用的控制算法也不同。因而，对温度的测控方法多种多样。随着电子 技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应 用。利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来 越显示出其优越性。然而现有的温度传感元件大多为模拟器件（热电耦）体积大、应 用复杂、而且不容易实现数字化等缺点，阻碍了应用领域的扩展。本设计从实际应用 出发选取了体积小、精度相对高的数字式温度传感元件 ds18b2

4、0 作为温度采集器，单 片机 at89c51 作为主控芯片，数码管作为显示输出，实现了对温度的实时测量与恒定 控制。 第 3 页 西华大学课程设计说明书 sh 西华大学课程设计说明书 2 2 温度测控方案设计温度测控方案设计 总体方案概述总体方案概述 温度控制器主要实现对恒温箱温度的控制，并满足不同用户的个性需求。因此 一个较完善的控制器应具有以下功能： 温度的测量与显示；用户设定功能(如温度设 定，定时设定等)； 对电加热管的控制功能； 一些功能键(如定时自动加热，恒温控 制，手动加热等)。本系统是基于经典 c51 系列单片机得应用开发，集环境温度的信号 采集、数据的处理及温度的保持控制等等

5、为一体的数字控制系统。同时，该系统设计 有友好的人机交互界面以及简易的设置按键。 系统由如下功能模块组成：mcu 模块，显示模块，电源模块，按键设置模块，温度 采集模块，冷却模块以及加热模块。 整个控制系统又可分为硬件电路设计和软件程序设计两部分 图 1 系统方案框图 第 4 页 西华大学课程设计说明书 sh 西华大学课程设计说明书 2.22.2 方案论证方案论证 2.2.2.2.1温度传感器温度传感器 方案一：采用热敏电阻，可满足 4090的测量范围，但热敏电阻精度、重复性、 可靠性都比较差，其测量温度范围相对较小，稳定性较差，不能满足本系统温度控制 的范围要求。 方案二：采用温度传感器铂电

6、阻 pt1000。铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化 性介质中很稳定，它能用作工业测温元件，且此元件线性较好。在 0100 摄氏度时， 最大非线性偏差小于 0.5 摄氏度。铂热电阻与温度关系是，rt = r0(1+at+bt*t) ;其 中 rt 是温度为 t 摄氏度时的电阻；r0 是温度为 0 摄氏度时的电阻；t 为任意温度 值，a,b 为温度系数。 方案三：采用数字温度传感器 ds18b20，ds18b20 提供九位温度读数，测量范围- 55125，采用独特 1-wire 总线协议，只需一根口线即实现与 mcu 的双向通讯， 具有连接简单，高精度，高可靠性等特点。并且,ds18b20 支持

7、一主多从,若想实现多点 测温,可方便扩展。 综合以上三种方案，本设计采用第三种方案，利用数字温度计 ds18b20 作为温度 传感器。 2.2.22.2.2 显示模块显示模块 方案一：采用 i/o 口直接驱动，需要占用大量可贵的 i/o 口资源，且系统运行后， 更换元件不易，不符合系统设计的可靠性、易扩展性原则。 方案二：采用串行口驱动、静态显示，利用单片机的串行口输出数据，显示多位 数码，可节省大量的 i/o 口，但每个数码管必须有一个驱动芯片，且每位段码须接一 个限流电阻，所须元件多，硬件电路比较复杂。 方案三：采用串行口驱动、动态扫描显示，利用单片机的串行口输出数据，显示 多位数码，多个

8、数码管可共用驱动芯片和限流电阻。这样既可以简化硬件电路，又可 以节省大量的 i/o 口线，为功能扩展留下空间。 综合以上三种方案，本设计采用方案三：串行口驱动、动态显示。根据系统具体 指标要求，可以对每一个具体部分进行分析设计。 2.2.32.2.3输出控制输出控制 方案一：采用继电器，易于控制，且实行比较简单。 方案二：采用光电藕合器，控制信号与输出信号可以很好的隔离，增强了系统的 安全性和抗干扰能力。 综合以上两种方案，本设计采用普通单刀继电器控制负载工作。 第 5 页 西华大学课程设计说明书 sh 西华大学课程设计说明书 3 3 单元模块介绍单元模块介绍 本节主要介绍设计中系统各单元模块

9、的具体功能、核心器件、电路结构、工作原理、以及各个 单元模块之间的联接关系。 31 温度采集传感器温度采集传感器 以单总线操作 ds18b20 温度传感器作为温度采集器。ds18b20 数字温度计是 dallas 公司生产的 1wire 器件，即单总线器件。与传统的热敏电阻有所不同， ds18b20 可直接将被测温度转化成串行数字信号，以供单片机处理，具有连线简单、微 型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、精度高等特点。因此用它来组成一个测温系 统，具有电路简单，在一根通信线上可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。目前 已被众多行业进行广泛的运用（锅炉、温控表粮库、冷库、工业现场温度监控、仪器

10、仪表温度监控、农业大棚温度监控等） 。 通过编程，ds18b20 可以实现 912 位的温度读数。信息经过单线接口送入 ds18b20 或从 ds18b20 送出，因此从微处理器到 ds18b20 仅需连接一条信号线和地线。 读、写和执行温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。 每片 ds18b20 在出厂时都设有唯一的产品序列号，因此多个 ds18b20 可以挂接于 同一条单线总线上，这允许在许多不同的地方放置温度传感器，特别适合于构成多点 温度测控系统。 从温度传感器获取温度值的方法非常简洁，无需接 a/d 转化器，即可实现对温度 测量并将测量数据直接送单片机处理，且可使

11、系统实现温度的巡回测量和显示。其中， 温度传感器的数据管接单片机的 p35 管脚。 图 2 温度传感器 第 6 页 西华大学课程设计说明书 sh 西华大学课程设计说明书 3 32 2 电源模块电源模块 本模块主要用于输出 5v 的直流电源保证单片机的正常运行。输入电压经过整流滤 波，接入稳压芯片 7805 转变为 5v 直流电压（vcc）以供给 mcu 及其外设系统使用。 图 3 电源 电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的 78 系列和负电压输出的 79系列。顾名思义，三端 ic 是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分 别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，

12、to- 220 的标准封装， 也有 9013 样子的 to-92 封装。 用 78/79 系列三端稳压 ic 来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过 流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳 压 ic 型号中的 78 或 79 后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如 7806 表 示输出电压为正 6v，7909 表示输出电压为负 9v。 因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用 3 33 3 数码管显示模块数码管显示模块 该模块主的任务就是利用数码管完成所测量温度的显示。 第 7 页 西华大学课程设计说明书 sh 西华大学课程设

13、计说明书 图 4 数码管显示 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光 二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为 1 位、2 位、4 位等等 数码管。 按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将 所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(com)的数码管。共阳数码管在应用时 应将公共极 com 接到+5v，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点 亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光 二极管的阴极接到一起形成公共阴极(com)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共 极 c

14、om 接到地线 gnd 上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点 亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。 34 单片机模块单片机模块 该模块就 stc89c51 单片机基本外围电路及报警电路作一个简单的介绍。 第 8 页 西华大学课程设计说明书 sh 西华大学课程设计说明书 图 5 单片机基本外围电路 89c51 是 intel 公司生产的一个单片机系列的名称。该公司继 1976 推出 mcs-48 系 列 8 位单片机后，又于 1980 年推出了 89c51 系列高档 8 位单片机。属于这一系列的单 片机芯片有很多种，如 8051，8031，8751，80c51bh

15、等等，它们的基本组成、基本性 能和指令系统都是相同的。为了叙述方便，今后如不作说明，则常用 89c51 代表 mcs51 系列单片机。 89c51 的体系结构是冯-诺依曼结构：冯-诺依曼结构的数据总线和指令总线是分时 复用的，在同一总线上，有时传送的是数据有时是指令，因此它取指令和访问数据是 无法同时进行的。哈弗结构中程序存储器和数据存储器地址编码分开，因而有相互独 立的指令总线和数据总线。访问指令和访问数据可以同时进行的。 单片机有如下功能部件组成： 1）微机处理器（cpu） 它是一个 8 位的 cpu，不仅可以处理字节数据，还可以 进行位变量的处理。 2）数据存储器（ram） 片内为 12

16、8b，片外最多可外扩 64kb。数据存储器来存 储单片机运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标专位等。 3）程序存储器（rom/eprom） 用来存储程序。如果片内只读存储器的容量不够， 第 9 页 西华大学课程设计说明书 sh 西华大学课程设计说明书 则需用扩展片外只读存储器，片外最多可外扩至 64k。 4）4 个并位 8 位 i/o 口（p0 口、p1 口、p2 口、p3 口） 5）1 个全双工串行口 可用来串行通信，扩展并行 i/o 口，甚至与多个单片机相连 构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。 6）2 个 16 位定时器/计数器 在单片机的应用中，往往需要精

17、确的定时，或对外部 事件进行计数，因而需在单片机内部设置定时器/计数器部件。 7）中断系统 89c51 单片机有 5 个中断源，2 个中断优先权。采用中断系统可以提 高单片机的工作效率，而且有实时处理的优势。 8）特殊功能寄存器（sfr） 特殊功能寄存器共有 21 个，用于 cpu 对片内各功能 部件进行管理、控制、监视。实际上是片内各功能部件的控制寄存器和状态寄 存器，是一个具有特殊功能的 ram 区。 35 加热模块加热模块 主要根据设定恒温值与采样温度值的比较结果进行工作，即，采样温度值大于设 定值时，继电器闭合并接通电阻加热，否则断开。jd1，jd2 分别接串联水泥电阻及交 流电源的一

18、端，该继电器由单片机得 p24 管脚控制。 图 6 加热模块 36 冷却模块冷却模块 安装了小型风扇，以 5v 直流电压供电，以继电器控制风扇的工作状态，以实 现智能化控制。主要根据设定恒温值与采样温度值的比较结果进行工作。即当采样温 度值大于设定值时，继电器闭合并启动风扇冷却，否则断开，该继电器由单片机的 p23 控制。 第 10 页 西华大学课程设计说明书 sh 西华大学课程设计说明书 4 4 软件设计软件设计 4.14.1 软件描述软件描述 在软件设计时，必须先弄清恒温控制系统的操作过程和工作过程。加热器开始时 处于停止状态，首先设定温度，显示器显示温度，温度设定后则可以启动加热。温度

19、检测系统不断检测并显示系统中的实时温度，当达到设定值后停止加热，当温度下降 到下限(小于设定值 3)时再自动启动加热，这样不断的循环，使温度保持在设定范围 之内。启动加热以后就不能再设定温度，因为温度的设定可以根据实验要求改变。若 要改变设定的温度，可以先按复位停止键再重复上述过程。 根据以上对操作和工作过程的分析，程序的主要任务是： （1）初始化系统。主要完成相关单片机寄存器的配置，初始化全局变量等 （2）判断“设置按键是否按下” 。若按下，则转让设置处理，并定时 10s，若 10s 后仍没有按键按下，则跳出设置处理。 （3）采集温度并处理数据。主要对 ds18b20 复位并读取数值，对所取

20、得数据作 相关处理并最终转入为十进制数以便数码管显示。 4.24.2 键盘管理模块键盘管理模块 键盘管理子程序流程如图所示。 图 7 键盘处理程序流程 当通电或复位以后，系统进入键盘管理状态，单片机只接收设定温度和启动。当 检测到有键闭合时先去除抖动，这里采用软件延时的方法，延时一段时间后，再确定 第 11 页 西华大学课程设计说明书 sh 西华大学课程设计说明书 是否有键闭合，然后将设定好的值送入预置温度数据区，并调用温度合法检测报警程 序，当设定温度超过最大值如 90时就会报警，最后当启动键闭合时启动加热。 键盘设定：用于温度设定。共三个按键。 key1（p1.1）: 状态切换；温度设置确

21、认；温度重新设置。 key2（p1.2）: 设置温度“+” 。 key3（p1.3）: 设置温度“-” 。 系统上电后，数码管全部显示为零，根据按 key1 次数,决定显示的状态，根据 相应的状态，利用 key2、key3 进行加减，当温度设定好之后，再按 key1 确定，系 统开始测温，开启加热器。 4.34.3 显示模块显示模块 显示子程序的功能是将缓冲区的二进制数据先转换成 3 个 bcd 码，再将其分别存 入百位、十位、个位 3 个显示缓冲区，送往串行口，利用单片机的 p2 口进行扫描，让 数据动态的显示出来，可显示设置温度和测量温度。 4.44.4 控制模块控制模块 温度控制子程序流

22、程如图 10 所示，将当前温度与设定好的温度比较，当当前温度 小于设定温度时，开启电热器；当当前温度大于设定温度时，关闭电热器；当二者相 等时，电热器保持这一状态。 图 8 控制模块程序流程 4.5 主程序和中断服务程序流程主程序和中断服务程序流程 主程序采用中断嵌套方式设计，各功能模块可直接调用。主程序完成系统的初始 第 12 页 西华大学课程设计说明书 sh 西华大学课程设计说明书 化，温度预置及其合法性检测，预置温度的显示及定时器 0 设置。定时器 0 中断服务 子程序是温度控制体系的主体，用于温度检测、控制和报警（包括启动温度转换、读 入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、输出

23、控制脉冲等） 。中断由定时器 0 产生，根据需要每隔 15 s 中断一次，即每 15 s 采样控制一次。但系统采用 6 mhz 晶 振，最大定时为 130 ms，为实现 15 s 定时，这里另行设了一个软件计数器。 图 9 主程序流程图 图 10 中断服务程序流程图 第 13 页 西华大学课程设计说明书 sh 西华大学课程设计说明书 5系统调试系统调试 5.1 系统仿真系统仿真 因本系统是利用单片机进行系统控制，所以需采用单片机仿真工具 proteus 进行 仿真。proteus 软件是来自英国 labcenter electronics 公司的 eda 工具软件， proteus 软件有十多

24、年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它 eda 工具一样的原 理布图、pcb 自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的电路仿真 是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实 现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合 系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，proteus 为使用者建立了完备的电子设 计开发环境！ proteus 产品系列也包含了革命性的 vsm 技术8,用户可以对基于微控制 器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真，是一款非常优秀的单片机仿真软件。可 以使用 keil c51 和 proteus

25、 进行联调，使调试、仿真更为方便。 首先画好仿真图，将程序的二进制文件调入单片机对话框的 program file 栏内 图 11 仿真开始时，仿真图如图 12 所示，数码管都显示为零，只有红色“未加热状态灯”d1 亮。 第 14 页 西华大学课程设计说明书 sh 西华大学课程设计说明书 图 12 系统启动加热一段时间后，达到设定的温度值，系统停止加热，状态灯 d1 重 新点亮 第 15 页 西华大学课程设计说明书 sh 西华大学课程设计说明书 6 6 结论结论 本文利用 at89c51 对温度进行控制，采用单总线传输方式的 ds18b20 作为温度传 感器，与按键、数码显示等外部辅助硬件共同

26、组成一个温度控制系统。设计中用到了 keil c51 v8.01、protel99se、proteus6.7 等设计与仿真软件，作者本着安全性、可 靠性、稳定性和易扩展性等设计原则，对各方案进行了细心的比较，并对设计中使用 的芯片进行了仔细的分析，力求设计出一个安全、稳定、可靠的温度控制系统。因此， 本系统的安全性和可扩展性都比较好。在仿真过程中，由于仿真软件库内没有 ds18b20 这个元件，并且动态显示在仿真时数码显示不稳定，所以仿真时采用了静态显示，并 利用软件来模拟温度的变换，从而仿真得到系统工作的整个过程。 第 16 页 西华大学课程设计说明书 sh 西华大学课程设计说明书 致谢致谢

27、 在此，我要感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我的同学，他们在我成长过程 中给予了我很大的帮助。本文能够成功的完成，要特别感谢我的指导老师对我的精心 指导，让我获得了丰富的理论知识，极大地提高了实践能力。在本次课程设计过程中， 郭老师对该设计的构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导，使我和我的同伴 最终得以顺利完成本次课程设计。在此我致上诚挚的谢意。 在设计过程中所涉猎的各种软件（如 visio、protel、protuse 、keil）也使我的知识 构架更为丰富。同时，通过这次做课程设计我也及时发现自己知识点上的漏洞，真正 起到了查漏补缺的效果。 这次课程设计能够顺利完成，我也非常感谢在我身边默默帮助与支持的朋友。因 为从他们身上我不仅学得了很多实用的专业知识，同时也学到了团队合作精神的重要 性获得了更为坚实的友谊，学会了从不同的角度去思考和看待问题。 在学习中,郭老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精 的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，导师的高深精湛的造诣与 严谨求实的治学精神，将永远激励着我。在此，感谢郭老师的支持和帮助，致以衷心 的感谢和崇高的敬意。 第