可控制硅恒温箱报告

1、基于51单片机的恒温箱控制系统设计摘 要：本设计是基于AT89C52单片机的恒温箱控制系统，系统分为硬件和软件两部分，其中硬件包括：电源、温度传感器、显示、控制、晶闸管驱动和报警的设计；软件包括：键盘管理程序设计、显示程序设计、PID控制程序设计和温度报警程序设计。编写程序结合硬件进行调试，能够实现设置和调节初始温度值，进行液晶显示，当加热到设定值后立刻报警。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DS18B20作为温度采集器，单片机AT89C52为主控芯片，液晶作为显示输出，实现了对温度的实时测量与恒定控制。 关键词：恒温箱、晶闸管、单片机、PID引言：温度控制是工业

2、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、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

3、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DS18B20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。正文：1.自制恒温箱要求 如下图所示，恒温箱采用木箱或纸箱（外形尺寸不大于30cm×30cm×30cm），内置白炽灯泡（功率不大于100W）用于加热。30cm30cm木箱或纸箱白炽灯泡100W 自制恒温箱要求（1）温度采集传感器采用热电阻或热电偶，或一体化数字温度传感器DS18B20。（2

4、）控制灯泡亮度或发热量，采用继电器开关控制或用可控硅平滑控制。（3）采用单片机或PLC作为控制器。（4）采用LED或LCD或PC机的液晶显示器作为显示器，同时显示给定温度和实际温度。（5）采用自制按键或PC机的键盘作为温度给定值输入。（6）恒温箱实际温度达到给定值时（误差要求±1）需声光提示，声音时延5秒后停止。（7）恒温箱最高温度50。2.总体设计思路首先是电源模块，利用变压器把220V的交流电转为正负12V的交流电，再用二极管桥式整流电路，整流出直流电。之后用大电容平波，小电容滤波，之后在用7805稳压芯片稳出5V的直流电，供给各个部分。其次是单片机的外围电路，其中包括有单片机最

5、小系统、LCD显示、按键、晶闸管控制电路以及温度采集电路。总体框图如下：图13.论证 3.1 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

6、 为任意温度值，A,B 为温度系数。方案三：采用模拟温度传感器AD590K，AD590K具有较高精度和重复性（重复性优于0.1），其良好的非线性可以保证优于±0.1的测量精度。但其测量的值需要经过运算放大、模数转换再传给单片机，硬件电路较复杂，调试也会相对困难，所以本系统不宜采用此法。方案四：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支持一主多从,若想实现多点测温,可方便扩展。综合以上四种方案，本设计采用第四种

7、方案，利用数字温度计DS18B20作为温度传感器。 3.2 输出控制 方案一：采用继电器，易于控制，且实行比较简单，但强电和弱电不能很好的隔离，抗干扰能力极差，开关频率不能太高，灯泡会一直闪烁。方案二：采用固态继电器，易于控制，电路简单，但需要PWM波来进行控制，普通51单片机无PWM口，故不采用此法。方案三：采用晶闸管，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。综合以上三种方案，本设计采用晶闸管控制负载工作。4.硬件设计根据恒温箱控制器的功能要求，并结合对51系列单片机的资源分析，即单片机软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。所以采用AT89C51作为

8、电路系统的控制核心。按键将设置好的温度值传给单片机，通过温度显示模块显示出来。初始温度设置好后，单片机开启输出控制模块，使电热器开始加热，同时将从数字温度传感器DS18B20测量到的温度值实时的显示出来，当加热到设定温度值时，单片机控制声光报警模块，发出声光报警。在本系统中，P2.0P2.7用于LCD的数据口，P1.0P1.2用于LCD的控制口。P1.3用于接收DS18B20采集到的数字温度信号,P1.4用于控制蜂蜜器报警，P1.5控制光电开关，决定电加热器是否工作；P0.0P0.1用于按键控制。P3.5用于LED灯报警。 4.1路原理图如下所示： 图2 图3IC4MOC3021VCCFUZA

9、112JPAC220VR627R7330R839Q2C60.01URL图4图5 底层图5顶层 4.2 DS18B20在电路中的连接，见图6。 wire总线支持一主多从式结构，硬件上需外接上拉电阻。当一方完数据通信需要释放总线时，只需将总线置高点平即可；若需要获得总线进行通信时则要监视总线是否空闲，若空闲，则置低电平获得总线控制权。R14.7KVCC3DQ2GND1IC2DS18B20VCCP1.3图6 DS18B20测温电路4.3 出控制电路，见图7。 MOC3021输出端额定电压为400V。 当P1.5口为高电平时，MOC3021不导通，晶闸管则是关断的，当P1.5为低电平时，光耦导通，触发

10、晶闸管导通，从而使负载开始工作。当交流电过零时，晶闸管自动关闭，等到MOC3021导通时才又一次触发其导通。控制光耦的导通就能实现控制晶闸管的导通角控制。继而控制等的亮度，最终达到控制温度的目的。IC4MOC3021VCCP1.512JPAC220VR627R7330R839Q2C60.01URL图7 光耦控制输出4.4 越线报警电路 见图8 报警电路如图8所示，该电路采用一个小功率三极管Q1驱动蜂鸣器BELL,当单片机接收到超额温度信号或危险信号时,输出脚BELL输出高点平,Q1导通，致使蜂鸣器BELL得电工作，发出报警声。同时，电路中的发光二极管指示出电路的工作状态。图8 报警电路4.5液

11、晶显示电路 见图9此液晶显示电路中，P20P27作为液晶的数据端口，P10-P12作为液晶的控制端口，主要用于显示当前温度以及期望温度，显示的精度为0.1摄氏度。 图94.6过零检测 见图10 TLP521-2是一个内部集成两个光耦的芯片，主要用于过零检测，当电源的正弦交流电过零时，在三极管的集电极的会产生一个下降沿和一个上升沿，这样单片机的外部中断口可以识别到，最终用于控制晶闸管的导通角。图105.软件设计本程序的主要功能就是控制晶闸管的导通角，来控制白炽灯的亮度，最终达到控制温度的目的。设置有两个按键，一个按键可以增加期望温度，另一个可以减少期望温度，步进是5摄氏度。有一个LCD显示屏，可

12、以显示当前温度和期望，当实际温度达到期望温度时，蜂鸣器和LED灯报警5s后停止。运用的控制策略是PID算法，PID算法的精华之处就是利用偏差进行控制。P代表的是比例，这个参数可是使调节更快速，I是积分，这个参数可以消除稳态误差，D是微分，可以超前控制。程序流程图如下所示：6.调试记录：期望温度：30°C 初始温度：20°CP100150180200220250300350I1248161279稳定时间/s13512811010055857035波动范围/度53210.80.80.60.6 7.心得体会： 制作恒温箱，对于计算机控制系统有了一次更实际的了解，为什么这么说呢？因

13、为以前学习的知识，都是基于理论，就算是实验课，器材也是学校已经弄好了，我们做实验基本就是连接线路，也根本了解的不深入。但是，这次的课程设计，不但要我们自己买器材，更要我们设计电路、画出电路图、画出PCB、最终焊接成一块板子，然后调试板子，板子调试差不多了就要开始设计程序了。恒温箱顾名思义就是要让温度基本恒定在一个我们期望的值，所以在设计程序时，就要想一个算法来控制单片机，使之能够恒定温度。当然对于这种控制，最好的算法莫过于PID算法，因为此法简单而有效，工业上也有很多的应用，如果需要更精确的控制，可以再PID的基础增加一些算法，比如模糊控制、鲁棒控制等。 通过这次的设计制作，我学习到了如何把理

14、论上的东西运用到实践当中，比如在模电中学习到的电路知识，又或者PCB板的制作和程序的编写等等。8.程序清单如下：#include<include.h>#define uchar unsigned char/将unsigned char定义为uchar，简化输写。提高编程速度#define uint unsigned int/将unsigned char定义为uint，简化输写。提高编程速度 sbit Beep = P14;sbit Led = P35;uchar temp_flag = 0;void delay_s(uint n)uint x,y,z;for(x=1000;x>

15、;1;x-)for(y=200;y>1;y-);for(z=n;z>1;z-);void main()Led = 0;init_lcd();init_timer1();init_wbzd();while(1)keyscan();display_exp();delay(0);display_now();Get_angle(Expect_T,Readtemp(),nP,nI);if(Expect_T - Readtemp()<6 && (Readtemp() - Expect_T)<6)if(temp_flag = 0)temp_flag = 1;Beep

16、= 0;Led = 1;delay_s(5);if(temp_flag >=1) Beep = 1;Led = 0;#include<include.h>#define uchar unsigned char/将unsigned char定义为uchar，简化输写。提高编程速度#define uint unsigned int/将unsigned char定义为uint，简化输写。提高编程速度 uchar i;int temperature = 0;sbit DS=P13; /定义温度DS18B20接口，详情见原理图sbit lcdrs=P12; /数据命令选择控制sbit

17、lcdrw=P11; /读/写选择控制sbit lcden=P10; /使能信号uchar code t0="Tem is C "uchar code t1="Exp is C "uchar code wendu="0123456789" /利用一个温度表解决温度显示乱码void delay(uchar z)uchar x,y;for(x=1000;x>1;x-)for(y=z;y>1;y-);void write_com(uchar com)lcdrs=0;P2=com;delay(5);lcden=1;delay(5)

18、;lcden=0;void write_date(uchar date)lcdrs=1;P2=date;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void init_lcd()lcden=0;lcdrw=0;write_com(0x38);write_com(0x01);write_com(0x0c);write_com(0x06);write_com(0x80);for(i=0;i<16;i+)write_date(t0i);delay(0);write_com(0x80+0x40);for(i=0;i<16;i+)write_date(t1i);del

19、ay(0);/*DS18B20温度读取模块*/void tmpDelay(int num)/延时函数while(num-) ;void Init_DS18B20()/初始化ds1820unsigned char x=0;DS = 1; /DS复位tmpDelay(8); /稍做延时DS = 0; /单片机将DS拉低tmpDelay(80); /精确延时 大于 480usDS = 1; /拉高总线tmpDelay(14);x=DS; /稍做延时后 如果x=0则初始化成功 x=1则初始化失败tmpDelay(20);unsigned char ReadOneChar()/读一个字节unsigned

20、 char i=0;unsigned char dat = 0;for (i=8;i>0;i-)DS = 0; / 给脉冲信号dat>>=1;DS = 1; / 给脉冲信号if(DS)dat|=0x80;tmpDelay(4);return(dat);void WriteOneChar(unsigned char dat)/写一个字节unsigned char i=0;for (i=8; i>0; i-)DS = 0;DS = dat&0x01;tmpDelay(5);DS = 1;dat>>=1;int Readtemp()/读取温度unsigne

21、d char a=0;unsigned char b=0;int t = 0;float tt=0;Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); / 跳过读序号列号的操作WriteOneChar(0x44); / 启动温度转换Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); /跳过读序号列号的操作WriteOneChar(0xBE); /读取温度寄存器a=ReadOneChar(); /连续读两个字节数据 /读低8位 b=ReadOneChar(); /读高8位t=b;t<<=8;t=t|a; /两字节合成一个整型变量。tt=t*0.06

22、25; /得到真实十进制温度值，因为DS18B20可以精确到0.0625度，所以读回数据的最低位代表的是0.0625度temperature = tt*10+0.5; /放大十倍，这样做的目的将小数点后第一位也转换为可显示数字，同时进行一个四舍五入操作。return(temperature);void display_now()uint num; /定义的时候用uchar宏定义就会出错uint shi,ge,xiaoshu; /这里的num,shi,ge,xiaoshu 必须用uint无符号整数来表示，用uchar字符型则显示错误num=Readtemp();shi=num/100;ge=nu

23、m/10%10;xiaoshu=num%10;write_com(0x80+7);write_date(wendushi);write_com(0x80+8);write_date(wenduge);write_com(0x80+9);write_date(0x2e);write_com(0x80+10);write_date(wenduxiaoshu);write_com(0x80+11);write_date(0xdf);void display_exp()uint num; uint shi,ge,xiaoshu; /这里的num,shi,ge,xiaoshu 必须用uint无符号整数来

24、表示，用uchar字符型则显示错误num = Expect_T;shi=num/100;ge=num/10%10;xiaoshu=num%10;write_com(0x80+0x40+7);write_date(wendushi);write_com(0x80+0x40+8);write_date(wenduge);write_com(0x80+0x40+9);write_date(0x2e);write_com(0x80+0x40+10);write_date(wenduxiaoshu);write_com(0x80+0x40+11);write_date(0xdf); #include&q

25、uot;include.h"#define uchar unsigned char/将unsigned char定义为uchar，简化输写。提高编程速度#define uint unsigned int/将unsigned char定义为uint，简化输写。提高编程速度sbit UP = P03;sbit DOWN = P02;int Expect_T = 200;void delay_1ms(uchar z)uchar x,y;for(x=100;x>1;x-)for(y=z;y>1;y-);void keyscan()if(UP = 0) delay_1ms(1);i

26、f(UP = 0)temp_flag = 0;Expect_T += 50;Expect_T = (Expect_T <=500 ) ? Expect_T : 500; if(DOWN = 0) delay_1ms(1);if(DOWN = 0)temp_flag = 0;Expect_T -= 50;Expect_T = (Expect_T >= 100 ) ? Expect_T : 100; #include"include.h"#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit SCR = P1

27、5;/*定时器初始化程序*/void init_timer1()TMOD |= 0x10; /使用模式1，16位定时器，使用"|"符号可以在使用多个定时器时不受影响 TH1=(65535-angle)/256; /给定初值，这里使用定时器最大值从0开始计数一直到65535溢出。 TL1=(65535-angle)%256; EA=1; /总中断打开 ET1=1; /定时器T1允许中断 TR1=1; /定时器T1开始工作void init_wbzd()SCR = 1;EA=1;/首先开启总中断EX0=1; /开启外部中断 0IT0=1; /设置成下降沿触发，0为低电平触发lo

28、ng int angle = 3000;long int DeltaValue = 0;long int Sum = 0;int nP = 350;int nI = 8;void Get_angle(int Expect,int Feedback,int Kp,int Ki) long int temp_angle;int Temp_DeltaValue;if(SCR = 0)delay(1);SCR = 1; DeltaValue = Expect - Feedback; Temp_DeltaValue = DeltaValue >> 1;if(DeltaValue <=

29、0)EA = 0;Sum = 0;angle = 7000; elseEA = 1;Sum += Temp_DeltaValue; temp_angle = Kp*DeltaValue + Ki*Sum;if(temp_angle <= 2000) temp_angle = 2000;if(temp_angle >= 8500) temp_angle = 8500; angle = 10000 - temp_angle;if(angle <= 1500) angle = 1500;if(angle >= 8000) angle = 8000;void key_scan(

30、) interrupt 0 /外部中断 0 0的优先级最高,AT89C52有6个中断 SCR = 1; TR1 = 1; /关键字"interrupt" ， 这是C语言的中断函数表示法void Timer1() interrupt 3 using 1TR1 = 0;TH1=(65535-angle)/256; /给定初值，这里使用定时器最大值从0开始计数一直到65535溢出。 TL1=(65535-angle)%256;/TR1 = 0;SCR = 0; /指示灯反相，可以看到闪烁。" "按位取反运算符。具体参考C语言书运算符 #ifndef _LCD_H_#define _LCD_H_#define uchar unsigned char/将unsigned ch