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：年月日课程设计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：

课程设计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，2000[2]朱定华.单片机原理与接口技术.电子工业出版社,2006[3]马建伟，李银伢.PID控制设计理论与方法.科学出版社，2008[4]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：年月日课程设计目录前言 3 TOC\o"1-5"\h\z总体方案设计 4...\o"CurrentDocument"系统方案 4...\o"CurrentDocument"总体方案原理的理论分析 5..\o"CurrentDocument"硬件电路设计 6...AT89S52单片机 6...\o"CurrentDocument"3.2温度传感器 7...\o"CurrentDocument"电源电路 9...\o"CurrentDocument"加热控制电路 1..0.\o"CurrentDocument"3.5液晶显示模块 1..0.3.6键盘和DS18B20模块 1..1\o"CurrentDocument"软件设计说明 1..1.总结 1..2..参考文献 1..2..附录 131前言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TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃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课程设计统，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89C52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。课程设计初始化模块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

键盘扫描模块继电器模块图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。3.1AT89S52单片机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指令系统课程设计32个双向I/O口线3个16位可编程定时/计数器中断2个串行中断口2个外部中断源2个读写中断口线低功耗空闲和掉电模式8k可反复擦写gt1000次FlashROM256x8bit内部RAM时钟频率0-24MHz可编程UART串行通道共6个中断源3级加密位软件设置睡眠和唤醒功能。AT89S52单片机时钟和复位电路(1)时钟电路C130PFXTAL1XTAL2Y112.000MHZC130PFXTAL1XTAL2Y112.000MHZC230PFS1VCCR1C115K33UFRSTR21K图3.1时钟电路(2)复位电路C130PFXTAL1C230PF12.000MHZXTAL2D2图3.2按键复D位3电路U5DS18B20CCO/DND1123S1T13.2温度传感器~220V~9VD47D5C1470UFD1U478L05VIN VOUTGND3C20.33UFVCCVCCR14.7KVCC2C3100UFVCCC40.1UF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-55°C～125°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。U5图3.3温度采样电路P00P01P02P03DS18B20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SP04为符号位。P05LSByteBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit084211/21/41/81/16AXTL119数据转换如下表3.1。8AXTL218U1EA/VPX1X2AT89C5MSByteBit15Bit141Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8SSSSS643216课程设计表3.1S1VCCC1这是12位30转PF化后得到的12位数据，存储在R1DS18B20的两个8比特的

XTAL115KC133UFRAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于330UF，这RST5位为0，C2R2只要将测到的30P数F值乘1于2.0000M.H0Z625即可得到实际温度；如果温度1K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。U5DS18B20CCVO/IDNG3.3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C40.1UF电源变压器图3.4所示。们所需的电压9V。然后再送去整流和滤波。RDWR213.3.2整流滤波电路VCCR?RES们所需的电压9V。然后再送去整流和滤波。RDWR213.3.2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；74滤LS0波8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PP22滤01P233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PP000174LS33P02P03P04P05P06P07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12345678910111213141516U6GNDVCCVORSRWEDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7BGVCCBGGND10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器，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U1AT89C5131EA/VPAXTL119X1P0.0P0.1P0.2课程设计PP00..34AXTL218X2 P0.5压器、使用方便、性能稳定、更重要的是考虑到它的价格低廉。P0.6RST9RESET P0.73938373635343332P00P01P02P03P04P05P06P07103.4加热控制电路INT012INT0P2.0P2.1P2.2212223P20P21P22加热控制电路如图3.5所示。IEN用TT01于11在43闭环IN控T1制系统中对被控对P2.象3实施2245控PP制2243，假若被控对象为电热杯，采用对加在ET1电热15杯两T端1的电压进行通断的P2方.5法进22行76控PP2256P101 P1.0 PP22..76 28P27制，以实现对水加热功率的调整，从P11而2达到对PP11..水01温控制的目的。P2.7对电炉丝通断的P123 P1.2 RD 17RD控制采用SSR-40DA固态继电器。它PP1134的45使用P非1.3常简单，只要在控W制R端21T96TWLD电平，PP114556 P1.4 PSEN 3290ALE即可实现对继电器的开关，使用时完P全16可7以用PP11..56NPN型三极管A接TLEX成/DP电压11跟T随XD器的P178 PP11..67 RTXXDD 10RXD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1602数据口接下图3.6是1602液晶显示模块的图，按照总线接法来连接，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。10813141718ALE111A00A01A02P25P26P27课程设计图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。U5DS18B2U5DS18B20CCV3CCV2O/I1K1.CCV3CCV2O/I1K1.7R4.4P12300PPP04P05P06P07图3.74×4键盘U1AT89C51U2CD16024.软件设计说明AXTL13119EA/VPX1本系统采用的是循环AXT查L2询18方式，X21)2)3)4)P0.0P0.1P0.2P0.339383736来显示和控P0制.4温33度45的P0.5P0.633单片机接受RST来9自键RE盘SET的初始设置P并0.7保存32；22P21P2定时对检测IINU1AT89C51U2CD16024.软件设计说明AXTL13119EA/VPX1本系统采用的是循环AXT查L2询18方式，X21)2)3)4)P0.0P0.1P0.2P0.339383736来显示和控P0制.4温33度45的P0.5P0.633单片机接受RST来9自键RE盘SET的初始设置P并0.7保存32；22P21P2定时对检测IINNTT01装11置32进INT行0型号回收；PP22IENTT011134INT123P22324P23T0P2.425P24把得到的实ET1时1温5度TT10与预设温度进PPP行222...546比较2267；PP2265P2.76 28P27P101P1.0P2P2P00P01P02P03D0D1D2D3具体PP0045设计思路如1143下：D4D5D6D7P06P071718ALE111A0011OECP74373U3Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7VCCGND若实时温度PP与112123预设PP11温..12