恒温电热杯温度控制器设计

1、课程设计计算机控制技术 课程设计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：指导教师：指导教师意见：成绩：签名：年 月曰设计时间：2课程设计计算机控制技术程设计课程设计名称: 专业班 学生姓指导教 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1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vC;3. 用1602显示水的温度；4. 由键盘输入设定温度；任务要

2、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，2003.1

3、2审查意见系（教研室）主任签字：年月日3课程设计3.1刖言2总体方案设计4.2.1系统方案.4.2.2总体方案原理的理论分析.5.3硬件电路设计6.3.1 AT89S52 单片机6.3.2温度传感器3.3电源电路.9.3.4加热控制电路1.03.5液晶显示模块103.6键盘和DS18B20模块1.14软件设计说明115总结1.2参考文献 附录1.2131刖言5课程设计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

4、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

5、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D

6、ALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO 92小体积封装形式；温度测量范围为55C+125C可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达 0.0625 C,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

7、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DS18B2Q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。I热得，归I图2

8、.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。9初始化模块DS18B20测得温度值，MCU读值MCU将温度值送到1602显示1602显示模块显示温度值键盘扫描模块I继电器模块图22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

9、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。89S52 有 40 个这样，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。引脚，有32个输入端口（I/O ），有2个

10、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指令系统课程设计1D12)32个双向I/O 口线3)个16位可编程定时/计数器中断4)个串行中断口5)个外部中断源6)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gt1OOO次Flash ROM9)256x8 bit 内部 RAM10)时钟频率0-24MHZ可编程UART串行通道共6个中断源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S1VCCC130PFC230PFS1复位电路XTAL112.000MHZXTAL2T13.2温度传感器22 0V9VC

11、130PFC23 0PFXTAL1R11 5KC133UF占Y1 12.0 00MHZXTAL2图3.1时钟电路S1 VCCoS1D2D4RSTC133UFRSTQrk图3.2按键复位电路7D5C1 470UFVINC20.3 3UFR21 KU5DS18 B2 0nr D NGccvD1 1 2U478L0 5VCCVCCR14.7 KVCCVOUTGNDC3100 UF课程设计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

12、 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 DS18B2QDS18B20支持“一线总线”接口，测量温度的范围为-55 ° C125° C,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

13、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。U5P00DS18 B2 0VCCC40.1 UFDNGCC VP01VCC|vccIR14.7 KP14图3.3温度采样电路P02P03DS18B20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 C/LSB形式表达，其中SP04为符号位。LS ByteBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit084211/21/41/81/1631数据转换如下表3.1。AXTL2 18P05U1 AT89 C5EA/V PX

14、1X2Bit15Bit141Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8SSSSS643216表3.1MS ByteS1 VCC C1这是12位转化后得到的12位数据，存储在R1DS18B20的两个8比特的XTAL115KC13 3UFRAM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St5位为0，C2R2只要将测到的数值乘于000光625即可得到实际温度；如果温度小于0,这5位XTAL2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。U5DS18B2 0ccvODNG3.3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

15、.4所示。S10“ OD1T1D2-WD3-W22 0V9VD4-WD5-wC1F470UFU478L05VVINOUTGNDC20.3 3UFC3100UFVCCC4I 0.1 UF3.4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。RD WR2 13.3.2整流滤波电路VCCR? RES整流电路将交流电压变成单向脉动的直流电压；7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P233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

16、P0074LS3 3P02P03P04P05P06P07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123456789101 11213141516U6GNDVCCVORSRWEDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7BG VCCBG GNDLCD1610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U1 AT89 C5 131 EA/VPAXTL1 1 9X1P0.0P0.1P0.2 课程设囂AXex3P07压器、使用方便、性能稳定、更重要的是考虑到它的价格低廉。P0.6RST 0resetP0.7393837

17、363543332P00P01P02P03P04P05P06P0781：1'1!3.4加热控制电路INT0 1 2 INT0P2.0P2.1P2.2212223P20P21P22ALE -1'LCD16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1电热杯两端的电压进行通断的方法逑行控P10 1 P1 0P，. 72 8 P27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 P12 3P1'2RD 17 RD控制采用SSR-40DA固态继电器。它它的使用非常简单，只要在控制端2TTLD电平

18、, P1.4PSEN30 ALE即可实现对继电器的开关，使用时完全可以用P；.； NPN型三极管A接成电压跟随器的P17 8P1.7RXD10 RXD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P15 6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。=|VCCP13R10.2 KQ17051J2加热控制电路图3.53.5.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。A0 (

19、A0 A0；P25P26P2712课程设计101416U5DS18B2 0OVVCCCD3.6.键盘和DS18B20模块VCCR14.7K图3.6液晶显示电路键盘和DS18B20模块如下图3.7,采用4X4矩阵键盘接单片机 P1DS18B20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。P14° 1r r一 r住°1一 rO "&_n 1 61O 0 *一 roaJ 1 0.4一 r一 r° ' d.P04P05P06P07P00P01P02P034.软件设计说明AXTL1 1 9U1EA/V PX1口，图3.7 4 X 4键盘A

20、T89 C5 1P 0.0 P0. 1P 0.2P0.339383736P00 P01P02P033478U2本系统米用的是循环查询方式，来显示和控制温度的。D0D1D2D3(1)、 亠一、 po.6 32单片机接受来9自键盘的初始设置并保存；P2.021P20P2. 1P 2.2定时对检测装置进行型号回收;23 P22_24 P23ET0 14INT1P2.325 P24把得到的实时温度与预设温度进行比较P26 P10 1CP2.728 P27P 2.3P1.0具体设计思路如下：D5D6D7P06P07Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q77432569A0 0A0 1A0 2A0 312 A0

21、415 A0 516 A0 619 A0 7ALE 11 1A0 011OECPVCCGND201 0VCC7 437 3U3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,P13 4P14 5P1.3使实时温度与预设温度保持近似相等;P17 8P1.6P1.7WRP SENALE/PTXDRXD16293011Y0WDALETXDRXDP25 6P26 4P27 5G1G2AG2BY1Y2Y3Y4Y5Y6Y715 G0 014 G0 113 G0 212 G0 311 G0 410 G0 59 G0 67 G0 7VCC7 4LS1 38R10.2 K课程设计(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17监控。4.1所示。总流程图如下图设定目标温度继电气控制加热 器持续加热设定温度一采样、 温度2?J*LCD显示图4.1系统总流程图5总结继续采样温度进行PID控制继电器控制加热 器间断加热减小 功率减小超调量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