恒温箱的控制设计（附电路图及程序）

PAGE摘要温度与生物的生活环境密切相关，不同的生物或物体对温度的要求都不同。随着智能控制技术不断的发展，在现代工业生产以及科学实验的许多场合，为了获取生物或物体所需求的温度，需要及时准确的获取温度信息，同时完成对温度的预期控制，这时候温度检测与控制系统就显得尤其的重要。因此，温度检测系统的设计与研究一直备受广大科研者重视。本次课题设计了一个低成本，高精度的恒温箱。该设计主要从硬件和软件两个方面出发：在硬件上，选择AT89C52单片机为核心，采用了TL431组成2.5V的恒流源，并以Pt100温度传感器作为温度检测仪器，通过ICL7135模数转换器采集数据，用LED数码管作为显示器，构成了一个恒温箱；在软件上，设计了温度检测算法，并在C语言编程环境下，编写了相应的程序来实现所设计的算法。最后通过ProteusISIS与Keil的联合仿真，保证了算法的可行性。通过仿真实验可以发现所设计的系统可以较好的检测、控制并且保持温度。但是由于温度调节的迟滞性以及设计上的不足，该系统具有一定的局限性。温度检测；AT89C52单片机；恒温箱；C语言编程

ABSTRACTTemperatureiscloselyrelatedtolifeandenvironment.Differentcreatureorobjecthavedifferentrequirementstotemperature.Withthedevelopmentoftheintelligent-control-technology,andinordertoarrivetothecreature'sorobject'stemperature-demand,weshouldtaketheinformationoftemperaturetimelyandaccuratly,andcontrolthetemperaturetotheexpecteddegree,inthemodernindustrialproductionandscientificexperimentmanyoccasions.Inthissituation,thetestingandcontrollingsystemfortemperatureisespeciallyimportant.Therefore,thedesignsfortemperaturedetectionsystemattractresearchers'attentions.Inthisdissertation,wedesignedaboxwithconstanttemperaturewhichhaslowcostaswellashighaccuracy.Wedesignedthesystemmainlyfromtwoaspects:hardwareandsoftwareHardware'sdesign:Atfirst,wechosedAT89C52SCMasthecoreofthesystem.AndthenweselectedTL431tocomposethe2.5VconstantandPt100temperaturesensorfortestingtemperature.Atlast,wecollectedatathrougntheICL7135ADCanddisplaydatathemontheLED.Allofthisconsistsofatheconstant-temperature-box;Software'sdesign:Inthispapar,wedesignedaalgorithmdetectetemperatureandimplementeditbasedontheCprogramminglanguage'senvironment.FinallywedidaseriesofsimulationexperimentthroughtheProteusISISandKeiltoensurethatthealgorithmisfeasible.Simulationresultsshowthatthesystemdesignedhadaverygoodeffectontemperature'sdetection,controllingandkeeping.Becauseoftheadjustmentandofthetemperatureandtheinsufficiencyofthedesign,thissystemhassomelimitations.Temperaturedetection;AT89C52SCM;Boxofconstanttemperature;Clanguageprogramming

目录TOC\o"1-3"\h\u第一章绪论 11.1引言 11.1恒温箱的发展与趋势 11.2恒温箱研究的作用与意义 21.4课题研究的内容 31.4.1内容安排 3第二章系统总体设计方案 42.1恒温箱的结构设计方案 42.2AT89C52单片机选择与简介 42.3A/D模数转换选择与简介 62.4其它的外围电路选择 72.4.1.恒流源选择与简介 72.4.2放大器的选择与简介 82.4.3驱动器的选择 82.5温度检测仪器 92.5.1热电阻温度传感器 92.5.2热电偶传感器 10第三章硬件系统设计 123.1单片机的外围电路 123.1.1复位电路 123.1.2时钟电路 123.2外加的电路 133.3ICL7135的引脚连线 143.4.1ICL7135与单片机连线 153.5数码管的显示 173.6恒温箱硬件电路的设计 19第四章软件的设计 214.1按键程序设计 214.2数据采集程序设计 234.3主程序设计 24第五章系统测试 265.1硬件测试与Keil 265.2Keil与Protuse连接 265.3仿真 27总结 29附录 30附录一硬件设计 30附录二软件设计 31参考文献 36致谢 37江西理工大学本科生毕业设计（论文）PAGE51第一章绪论1.1引言温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域。如工业上食品加工；生活上用的空调；在医学上药品的恒温储藏箱等。在不同的领域中对温度的要求及控制不同，所设计的恒温箱的要求也就不一样。可以确定恒温箱的市场是相当的大，所以研究恒温箱的控制技术也越来越多。这次设计主要是研究简单的低成本，高精度的检测与控制的恒温箱。在现代技术发达的时代，恒温箱的控制系统从开始的由人工调节达到需要的温度的控制，到现在发展成采用单片机的自动控制其温度。现在单片机已是成为各类产品控制技术的核心部件。本次设计以单片机为核心，选用了模数转换器对温度传感器检测到的信号进行采样，选用数码管为显示器；用C语言编写相应的程序做成一个自动控制的恒温箱。虽然恒温箱的设计研究已经有很长的历史，但是因为温度的调节有一定的迟滞性，也就是在正常情况下，温度高于设置温度时停止加热，但是加热装置会因为惯性继续放出热量，使得恒温箱内的温度继续升高。当温度低于设置温度时则开始加热，此时加热要等加热装置温度达到恒温箱的温度才开始升温。因此恒温箱的温度会在在设置温度的上下震荡。因此恒温箱中温度不是保持不变的，而是一个温度范围。这也是恒温箱设计一直存在的问题。用温度传感器检测温度信号，并经过模数换器后送给单片机处理，再传给数码管显示。可用按键设定恒温箱的温度，再传给单片机处理，由单片机控制电热丝与显示。通过仿真软件对设计的硬件与软件结合仿真。硬件仿真采用的是ProteusISIS7.7软件；程序仿真采用的是KeiluV3软件；把硬件仿真与软件仿真结合即可测试其设计的效果。1.1恒温箱的发展与趋势温度控制技术在现代信息技术中是三大基础之一。恒温箱不管是在生活上，还是在工业上都有着巨大的经济效益。恒温箱自动控制系统在国内外都到研究与发展。恒温箱的控制系统从开始的由人工调节达到需要的温度及控制，到现在发展到采用单片机的自动控制其温度。恒温箱最基础的器件是由温度检测系统，模数转换系统，单片机为核心，温度显示的组成。温度检测系统一般使用温度传感器。温度传感器从1821年由德国物理学家赛贝发明后到热电偶传感器。在由德国西门子发明了铂电阻，后在半导体技术的支持下相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。20世纪90年代时又发明了智能温度传感器。这样可控制的温度范围有所加大，温度控制的精度也逐步提高。模数转换器是现实中各种模拟信号通向数字化数字世界的桥梁。ADC模数转换器有8位，12，14，16，24位等。ADC的位数越高分辨率也越高，位数越高，精度也越高。现在工业需要高精度的电器也越来越多。对不同的产品要求的精度不一样，对ADC的选择也不一样。单片机是一种集成电路的芯片。从1976年起是单片机的开始阶段到1978年的单片机的完善阶段。到了1982年后到1990年，8位的单片机得到巩固发展，以及16位单片机推出。从1990到现在微控制器的全面发展阶段。所以单片机深入了各个领域的发展与应用。因此产品越来越智能化多样化。显示一般有数码管和液晶显示。国内恒温箱的现状多为传统式电子产品，而国外温度控制技术发展较为成熟。温度传感器采用热敏电阻或热电阻，部分产品温度设定和电热丝开关通过触摸键和液晶显示屏实现人机交互界面，电热丝开关切换自动完成，运算放大电路和开关电路实现双位调节。这类智能恒温箱产品改善了人机交互界面，解决了“温度设定分度值过粗”等问题，但仍存在“控制精度不高”、“时间常数大”、“操作较复杂”等问题。近年来，温度控制器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟温度控制器和网络温度控制器、研制单片测温控温系统等高科技的方向迅速发展。以当今控制技术的发展智能控制温控器将会很快取代传统式电子产品。1.2恒温箱研究的作用与意义恒温箱的应用广泛是毋庸自疑的。例如，在日常生活上，我们用的高温烘箱；在工业生产上，有化工、建材、冶金、食品加工、机械制造，还有根据动物生活习性的需求控制饲养棚的温度来进行孵卵或动物培养等；在农业上，可调节温度来控制种子的发芽，植物的生长等；在科学实验上，可调节恒温环境用来培养细菌生长等；在医学上，可用于早产婴儿保护箱等。由此科研者对恒温箱的研究也一直持续不断。对恒温箱的作用研究也越来越多，使得用得到的范围也更为广阔。现在的时代是科技高速发展的信息时代，微型单片机技术、电子技术的应用更是空前广泛。由于它具有体积小、性价比高、功能强等特点，所以广泛应用于电子仪表、节能装置、家用电器、工业控制、机器人、军事装置等诸多领域。使产品小型化，智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。它迅猛的发展到了各个领域。这些技术的发展也使得恒温箱的体积变小，更智能化，功能更齐全，质量也更好。更何况成本还降低了。因此对恒温箱的研究也是极有意义的。1.4课题研究的内容本毕业设计的主要内容是：本次设计的以“AT89C52单片机”为核心，TLC7135模数转换器和LED数码管为主的硬件电路。用C语言编写程序为软件。做成一个自动控制的恒温箱。其主要功能是实时测量箱内的温度，并及时的显示。测量时，温度测量仪（温度传感器）的测量端放在恒温箱内部要测量的地方，实时监测箱内的温度。然后由温度变化引起变化信息传递给信号处理器，在将处理好的信号递给AD模数转换器。由模数转换器传给单片机，由单片机给温度信息做出反应。在控制面板上，可以用按键设置需要的温度，如果温度高于设置的温度，则停止加热，恒温箱内温度下降。如果当时的温度低于设置的温度则开启加热装置对恒温箱进行加热，温度开始上升。这还有恒温箱恒温的安全灯。如果恒温箱出了差错即是当温度测量仪检测到温度低于设置温度10℃下限时，则第一个灯会亮。或温度测量仪检测到温度高于设置温度101.4.1内容安排本次设计共分成五章，每一章的内容简单的述说如下：第一章是绪论，简要介绍了恒温箱的发展与研究的意义。第二章是系统总体的设计方案，简单介绍了选择什么器件组成硬件以及介绍器件的功能和作用。第三章是硬件设计，主要介绍了器件的工作原理及相互之间的连接。第四章是软件设计，主要简单介绍软件流程图与程序。第五章是系统的测试，主要简单介绍了系统仿真时用的软件。第二章系统总体设计方案2.1恒温箱的结构设计方案课题设计分为硬件设计和软件设计。硬件设计：选择AT89C52单片机，用TL431制成2.5V的恒流源，用Pt100热敏电阻为温度传感器，通过ICL7135模数转换器采集数据，使用LED数码管做显示器等。软件设计：用C语言编写计算检测的数据及要显示的数据程序，还要编写按键控制设定温度的程序。硬件与软件连接做成一个检测与控制的恒温箱。其主要功能是实时测量箱内的温度，并及时的显示。测量时，温度测量仪（温度传感器）的测量端放在恒温箱内部要测量的地方，实时监测箱内的温度。然后由温度变化引起变化信息传递给信号处理器，在将处理好的信号递给AD模数转换器。由模数转换器传给单片机，由单片机给温度信息做出反应。在控制面板上，可以设置需要的温度，如果温度高于设置的温度，则停止加热，恒温箱内温度就会下降。如果当时的温度低于设置的温度则开启加热装置对恒温箱进行加热，温度开始上升。此外还设定安全灯，如果恒温箱出了差错即是当温度测量仪检测到温度低于设置温度10℃下限时，则第一个灯会亮。或温度测量仪检测到温度高于设置温度10ATAT89C52单片机A/D转换器放大器温度传感器显示继电器报警灯热电丝按键图2-1恒温箱的结构框图2.2AT89C52单片机选择与简介本次设计选择AT89C52作为单片机，AT89C52是美国的ATMEL公司生产的CMOS8位单片机有着低电压，高性能的特性，片内含有8kbytes的可反复擦写的只读程序存储器Flash和256bytes的随机存取数据存储器，器件采用的是ATMEL公司的高密度、非易失性存储的技术生产，还兼容标准MCS-51系统指令，片内置通用Flash存储单元和8位中央处理器，AT89C52单片机的引脚如图2-2所示、其封装如图2-3所示。 图2-2AT89C52引脚图 图2 -3AT89C52的封图AT89C52是8位通用微处理器，采用的是工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上都与通用的89C52一样，其主要是用来会聚调整时的功能控制。其功能是对会聚主IC内部寄存器、外部接口等功能部件及数据RAM的初始化，和会聚测试图的控制，会聚调整的控制，红外遥控信号IR接收的解码及与主板CPU通信等。主要管脚及功能有：XTAL2（18脚）和XTAL1（19脚）是振荡器输入输出的端口，并外接12MHz晶振。RST/Vpd（9脚）是复位的输入端口，外接的电阻电容组成复位电路。VSS（20脚）和VCC（40脚）是供电的端口，分别接5V电源的正负端口。P0~P3是可编程通用的I/O脚，其功能用途由一般由软件定义，10脚和11脚被定义为I2C总线控制的端口，13脚被定义为IR输入端，12脚、27脚与28脚被定义为握手信号的功能端口，连接在主板CPU的相应的功能端口，可用于当前制式的检测与会聚调整状态进入的控制功能。AT89C52的一些主要特性：1、兼容MCS51指令系统2、8k可反复擦写（大于1000次）FlashROM；3、32个双向I/O口；4、256x8bit内部RAM；5、3个16位可编程定时/计数器中断；6、钟频率0-24MHz；7、2个串行中断，可编程UART串行通道；8、2个外部中断源，共8个中断源；9、2个读写中断口线，3级加密位；10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能。2.3A/D模数转换选择与简介A/D数模转换器，其种类很多，如逐次逼近型，双积分型，Σ-Δ型A/D转换器等;其中的双积分式A/D转换器适用于对信号转换速率的要求不是很高而对转换精度要求很高的情况。AD模数转换器还可分有8，12，14，16，24位等。AD的位数越高分辨率也越高，位数越高，精度也越高。相对的市场价格也更高。对从-200到800的温度测量，有12位以上就足够了，且要求的转换速度不是很高。ICL7135具有精度高（相当于14位双积分型A/D转换），价格低的优点.其转换速度与时钟频率相关。所以选择ICL7135为这次设计的A/D转换器。ICL7135是美国的Intersil公司是较流行的双积分A/D转换器，其具有4位半的精度（相当于14位A/D的转换器），自动校零，自动极性输出，单基准电压，动态字位扫描BCD码输出，ICL7135的引脚如图2-4所示。ICL7135的封装图如图2-5所示。ICL7135引脚功能及含义如下：与供电及电源相关的引脚有（7脚）。-V：为ICL7135负电源引入端，典型值-5V，极限值-9V;+V：为ICL7135正电源引入端，典型值+5V，极限值+6V;DGND：为数字地，是ICL7135正，负电源的低电平基准;REF：为参考电压输入口，REF的接地可为AGND引脚。AC：为模拟地，INHI：为模拟输入正端;INLO：为模拟输入负端，当模拟信号输入端用单端接地时，可直接与AC相连。与选通和数据输出相关的引脚（共9脚）：B1～B8：B8是BCD码输出的最高位，其它的对应BCD码。D5：是万位选通端口;D4～D1：是千、百、十、个位的选通端口。 图2-4ICL7135引脚图图2-5ICL7135封装图与控制和状态相关的引脚（共12脚）如下：CLKIN：为时钟信号输入端。REFC+：为外接参考电容正端，典型值1μF。REFC-：外接参考电容负端。BUFFO：为缓冲放大器输出端，典型外接积分电阻。INTO：为积分器输出端，典型外接积分电容。AZIN：为自校零端。STOR：为数据输出选通信号（负脉冲），宽度为时钟脉冲宽度的一半，每次A/D转换结束时，该端输出5个负脉冲，分别选通由高到低的BCD码数据（5位），该端用于将转换结果打到并行I/O接口。LOW：为欠量程信号输出端，当输入信号小于量程范围的10%时，该端输出高电平。HIGH：为过量程信号输出端，当输入信号超过计数范围（20001）时，该端输出为高电平。POL：为极性信号输出，高电平表示极性为正。R/H：为自动转换/停顿控制输入。BUSY：为忙信号输出，高电平有效时正向积分开始时自动变高，反向积分结束时自动变低。2.4其它的外围电路选择设计除了单片机与模数转换外，还有很多必要的硬件，如恒流源作为电源、放大器放大信号、还有驱动显示器的驱动器等。下面就简介这些外围的硬件。2.4.1.恒流源选择与简介为使信号稳定的输入到A/D转换器中，需要一个稳定的电源。恒流源电路就是要能够提供一个稳定的电流以保证其它电路稳定工作的基础。因此需要设计一个稳定的恒流源。对此设计选择采用2.5V的恒流源选择器件TL431。TL431是德州仪器公司（TI）生产的基准源，它是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压可用两个电阻设置任意的基准源到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的动态阻抗典型值为0.2Ω，在很多的应用中用它代替齐纳二极管。TL431是一种并联稳压集成电路。因其价格低、性能好，因此广泛应用在各种电源电路中。其内部结构图如图2-6所示，其封装如图2-7所示。 图2.6TL431的内部结构图 图2-7TL431的封装图TL431的主要参数：三端可调分流基准源的可编程输出电压为2.5V~36V；低动态输出阻抗的典型值为0.22Ω；电压参考误差范围是±0.4%，温度补偿操作全额定工作温度范围；其温度环境的典型值为25℃；等效全范围的温度系数的典型值是50ppm/℃；稳压值可从2.5~36V连续可调；参考电压的原误差为±1.0%；低动态输出电阻的典型值为0.22欧姆，输出的电流为1.0~100毫安。全温度范围内温度特性平坦，其典型值为50ppm，输出低电压噪声。最大输入电压为37V，最大工作电流150mA的内基准电压为2.5V，输出电压范围为2.5~36V。2.4.2放大器的选择与简介电路加放大器，是有些输入信号太小了，需要放大器放大几倍。因此选择低温漂的OP07。OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07有非常低的输入失调电压（即对于OP07最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时也具有输入偏置电流低（OP07为±2nA）和开环增益高（于OP07为300V/mV）的特点，这种低温漂、低失调，高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益测量设备和放大传感器的微弱信号。OP07的管脚及封装如图2-8所示。图2-8OP07管脚及封装2.4.3驱动器的选择74LS164是CMOS的高速门电路，与低功耗肖特基型TTL器件的引脚兼容。74LS164是8位边沿触发式移位寄存器，是串行输入数据，并行输出。1脚DSA是数据输入，2脚DSB也是数据输入，Q0~Q7是输出，GND是接地，CP是时钟输入（低电平到高电平边沿触发），是中央复位输入（低电平有效），接正电源。数据通过两个输入端（DSA或DSB）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。时钟（CP）每次由低变高时，数据右移一位，输入到Q0，Q0是两个数据输入端（DSA和DSB）的逻辑与，它将在时钟上升沿之前保持一个时间延时的长度。主复位（）输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，同时非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。所以选择74LS164为显示数码管的驱动器。其管脚及封装如图2-9所示。图2-974LS164管脚及封装图2.5温度检测仪器测量温度的检测仪器一般是传感器。经常用的传感器有热电偶、PN结测温、热电阻等。一般选择热电偶传感器和热电阻传感器。2.5.1热电阻温度传感器热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的一种传感器温度计。在目前较为广泛应用的热电阻材料有铂、铜等。铂的使用范围一般是-200~+850℃，铜的使用范围一般是-50~150。我这次设计的是0~800，所以选用铂作为的热敏电阻传感器。铂热电阻有Pt100，Pt250，Pt1000等。对应于本次设计的要求，选择Pt100作为热电阻传感器比较合适。Pt100温度传感器的主要技术参数如下：测量范围：-200℃～+850℃；允许偏差值△℃：A级±（0.15＋0.002│t│），B级±（0.30＋0.005│t│）；热响应时间<30s；最小置入深度：热电阻的最小置入深度≥200mm；允通电流≤5mA。Pt100是在0摄氏度的时其阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。热电阻的阻值变化Rt=R0(1+A*t+B*t*t)（2-1）Rt=R0[1+A*t+B*t*t+C(t-100)*t*t*t]（2-2）t表示摄氏温度，R0是零摄氏度时的电阻值，A、B、C都是规定的系数，对于Pt100,R0就等于100Ω。Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。所以这次设计可以选用Pt100。热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一种元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。工业用热电阻安装在生产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。目前热电阻的引线主要有三种方式：二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制，这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合；三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的；四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。这次设计热电阻采用三线制接法。采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。2.5.2热电偶传感器热电偶是将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图2-10所示。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,其两一端温度为T1，称为工作端或热端，另一端温度为T0，称为自由端(也称参考端)或冷端。图2-10热电偶原理图热电偶冷端的温度补偿是由于温度传感器热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把温度传感器热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，温度传感器热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使温度传感器热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度T0≠0℃时对测温的影响。在使用温度传感器热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与温度传感器热电偶连接端的温度不能超过100℃。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点有：

一：测量精度高，因温度传感器热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响；二：测量范围广。常用的温度传感器热电偶从-50~+1600℃均可边续测量，某些特殊温度传感器热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）；三：构造简单，使用方便。温度传感器热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。因此设计也可以用热电偶传感器作为温度检测系统。热电偶具有测温范围广、测量精度高、便于远距离、多点、集中检测和自动控制等优点。但是其自由端需要温度补偿，而且在低温常温段其测量精度较低等缺点。铂电阻的测量精度高，一般都是以铂电阻作为标准温度测量元件。标准铂电阻可以用一种严密、合理的方程来描述其电阻值与温度的关系。铂电阻的线性较好，只是在接近其范围极限时呈非线性。所以设计中此两种传感器都可以用。-第三章硬件系统设计3.1单片机的外围电路3.1.1复位电路单片机的RST复位输入，当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。复位有按键复位和高电平复位，高电平复位是通过复位端经电容（10~22uF）与+5V电源连接，电容C的电压比较小，RST就为高电平。在电容C充电期间，RST引脚电位会逐渐减小，当RST的电位小于一定值时，CPU就会脱离复位。只要能保证RST的高电平持续时间大于2个机器周期就可以实现复位。其高电平复位电路图如3-1（b）所示。按键复位是用电容C与电阻放电。RST的电位由R与单片机的内部电阻的分压决定的。按键复位电路如图3-1（a）所示。 按键复位电路（b）高电平复位电路图3-1复位电路3.1.2时钟电路因为单片机内部带有时钟电路，只需要在片外通过XTAL1、XTAL2引脚接入定时控制单元（晶体振荡和电容），即可构成一个稳定的自激振荡器。振荡器的工作频率一般在1.2~12MHz之间，当然在一般情况下频率越快越好，既要保证程序运行速度也要保证控制的实时性。一般是采用石英晶振作定时外部时钟源，在不需要高精度参考时钟时也可以考虑用电感代替晶振，有时也可以用引入外部时钟的脉冲信号。由内部振荡器产生或由外直接输入的送至内部控制逻辑单元的时钟信号的周期称为时钟周期，其大小是时钟信号频率的倒数，时钟信号频率常用fosc表示。AT89C52的时钟频率为12MHz，即fosc=12MHz，则时钟周期为1/12μS。接在晶振上的电容虽然没有严格要求，但电容的大小会影响振荡器的稳定性和起振的快速性。因此，一般选择在33pF左右，在此次设计时钟电路时，电容选用（30pF）。并且它们应尽可能靠近芯片，以减小分布电容，保证振荡器振荡的稳定性。如图3-2所示图3-2外部振荡电路3.2外加的电路检测温度，用放大器与恒流源少误差。用按键来控制需求的温度，用数码管来显示检测的温度和设定的温度。用警灯警示出现了问题。放大器与滤波器的选择是需要根据不同的要求选择不同的。OP07的连线图如图3-3所示。OP07放大器放大倍数是根据。本设计恒流源是2.5v.测输入的电压是0到2.5V。如果需要到的测量电压大于2.5V。则Rx为放大的倍数，如下公式3-1。（3-1） 图3-3OP07连线图 图3-42.5V恒流源2.5V的恒流源使用TL431与电阻组成，如图3-4所示。TL431可以是从2.5V到36V。可以做成多种恒流源如图3-5所示。只要R3满足如下公式3-2所示。（3-2）Vout为输出的恒流源电压，Vout是有R1和R2的电阻决定的。如下公式3-3所示。所以要2.5V的恒流源电压就使R1=0，R2=1，则R2可以忽略。如上图3-4所示。（3-3） 图3-5恒流源 图3-6ICL7135时序图3.3ICL7135的引脚连线ICL7135是4位半的双积分A/D转换芯片，它可以转换输出±20000个数字量，由STB的选通来控制的BCD码输出，与微机接口十分方便。ICL7135具有高精度（14位A/D转换），价格低的优点。其转换速度与时钟频率相关，每个转换周期均有：自校准（即调零），正向积分（被测模拟电压积分），反向积分（基准电压积分）和过零检测的四个阶段组成，其中自校准的时间为10001个脉冲，正向积分的时间为10000个脉冲，反向积分则是直至电压到零时为止（最大不超过20001个脉冲）。故可以采用从正向积分开始计数脉冲个数，到反向积分为零时就停止计数。将计数的脉冲个数减10000，就得到对应的模拟量。如图3-6所示给出了ICL7135时序图，由此图可见，当BUSY变高时就开始正向积分，等到反向积分为零时BUSY变低，所以BUSY可以用于控制计数器的启动和停止。电路如图3-7所示是ICL7135的REF引脚的外围电路图。REF是参考电压的输入端。ACOM是模拟接地端，一般也是直接接地。参考电压的选择一般是按照输入的电压Vin比上基准电压Vref再乘以10000。这里的基准电压是1V。即参考电压V如下公式3-4所示。（3-4）Vin即是热敏电阻端输入的电压。为以防TL431自激烧坏电路，所以加入电容。在这个设计中加的是100n。ICL7135的BUF脚是缓冲放大器输出端，典型外接积分电阻。INTO是积分器输出端，典型外接积分电容。AZIN是自校零。如图3-8所示是积分电路。积分电阻Rint的数值由输入电压Vin和积分放大器的输出电流决定。积分放大器能忽略非线性度的提供I=20uA的电流。所以Rint=Vin/I。因为Vin最大为2.5V。Rint=125KΩ。积分电容应该是最大的电压比上积分电阻，这样可使得积分放大器的输出饱和不会太接近电源电压。Cint=（1000*时钟周期*20uA）/积分输出电压摆幅。一般标准的都用0.47uF。 图3-7REF的外围电路 图3-8积分电路3.4.1ICL7135与单片机连线在ICL7135与单片机系统进行连接时，有两种方法：一是并行采集方式：二是串联采集方式。如果使用ICL7135的并行采集方式，有两种接线的方法：一种是9线连接，还有一种是6线连接。如图3.9所示是9线连接，ICL7135的D1~D5和Bl、B2、B4、B8、POL分别与单片机的P1.0～P1.4和P3.4、P3.5、P3.6、P3.7、P1.5相连。其中的POL端在双极性时与P1.5相连，在单极性时，可不接。OVER端和UNDER端是在有过量程和欠量程情况下可接入单片机，其余情况可不接。R/H始终悬空或接高电平，则ICL7135按自动转换方式工作，若要控制转换，可以将R/H端接入单片机一个I/O口加以控制。使得ICL7135转换的数据输出可采用软件编程的查询法：先对万位（D5）、欠电压UNDER）、过量程（OVER）、信号极性（POL）分别进行处理（正、负极性符号位单独存放，可使后面程序应用BCD码时更方便）。然后通过查询等待依次将千位、百位、十位、个位的转换结果存入RAM中[10]。因为单片机的I/O接口有限，为使外设接线方便，可采用6线连接。六线连接如图3-10所示。这样连接可以使用的软件编程方法为中断查询法。这种电路的硬件连接和软件编程既可以节约单片机的I/O端口，又可以避免中断过程中由于干扰使得某一次行未输出低电平，而造成的数据顺序的混乱和错误，从而避免了读数的错误。 图3-9九线连接 图3-10六线连接还可以采用串行连接。ICL7135的串行接法是通过计脉冲数的方法来获得测量转换结果的。如果采用与单片机的串行连接，可以通过单片机的定时器来计脉冲数。由于，定时器所用的CLK频率是系统晶振频率的1/12。因此可利用AT89C52单片机的ALE信号作为ICL7135的脉冲（CLK）输入。但要注意，在软件设计编程中，若指令中不出现MOVX指令，ALE端产生的脉冲频率是晶振的1/6。因此，便可找到定时器所使用的频率与单片机晶振频率的关系，及单片机系统晶振频率与ICL7135所需的频率输入的关系。为了使定时器的计数脉冲和ICL7135工作所需的脉冲同步，将ICL7135的BUSY信号接至AT89C52的P3.2（INT0）引脚上，并且将定时器的选通控制信号GATE位置1。此时定时器是否工作将受BUSY信号的控制。当ICL7135开始工作时，即在积分波形开始时，也就是ICL7135的BUSY信号跳高时，定时器才开始工作，且定时器的TH、TL所记录的数据与ICL7135的测量脉冲（从积分波形开始到反积分波形结束这一区域内的脉冲称为测量脉冲）存在一定的比例关系。定时器所记录的数据和测量脉冲之间的某种比例关系。其比例关系如下公式所示：（3-5）（3-6）（3-7）（3-8）其中，Fosc为系统晶振的的频率；Ftime为定时器所用频率；Fale为单片机ALE输出的频率；Freal为ICL7135的测量脉冲频率；Ficl为ICL7135所用的输入频率，该频率可通过Fale分频得到。N为分频比，该系统中N应选为4。串行连接如图3-11所示。因为，Ficl=125kHz，对50Hz工频干扰有较大抑制能力，此时转换速度为3次/s。由上面的公式比率关系可知，AT98C52的定时器所用的频率是ICL7135的测量脉冲频率的两倍。因此，定时器所记录的脉冲数也是ICL7135的测量脉冲的两倍。分频数可根据ICL7135的要求和单片机的时钟频率来选择。在这里使用四分频，还可使定时器在对测量脉冲计数时不会溢出。若使用4以上的分频数，则需在软件上作一下改进。要得到测量脉冲的个数，只需将定时器所记录的脉冲个数除以2即可。而要得到A/D转换结果所对应的脉冲数则应用测量脉冲的个数减去10001。这些转换通常可通过软件完成，因此非常简单。通过A/D转换结果所对应的脉冲数可得到被测的模拟量。通过对串行方式的讨论可以看出：其优点是能节省系统的硬件资源与占用口线少，不用添加任何扩展口线器件，且提高系统的抗干扰能力，从而使系统的成本得到降低。但是这次设计用的是C语言，不能要到MOVX与MOVC，所以单片机的ALE不能产生1MHZ的频率。因此只能采用软件编程生成频率输出。图3-11串行连接图3.5数码管的显示显示器有数码显示管和液晶显示器。由于这次设计的是个简单，且体积小的恒温箱。所以选用数码显示管。LED数码管8只发光二极管，分别记作a、b、c、d、e、f、g、dp，其中dp为小数点。如图3-12（a），（b）所示。每一个二极管有一根电极引到外部引脚上的，而另外一只引脚就链接在一起同样也引到外部。扩展显示器接口实质上是输出口的扩展，要实现恒温箱的5位LED显示管的控制，需要扩充1个8位输出口，用来输出8位段码，这里用74LS164来做驱动器输出8为段码。直接用单片机来输出位码。段码决定每个数码管上的哪几个短横点亮，且段码输出到每位数码管上都是相同的，要哪个数码管亮，必须使该位数码管的相应的位码导通，而位码可控制段一个数码管的8个二极管的通断。LED数码管分共阳极与共阴极两种，共阳极是数码管里面的发光二极管的阳极接在一起作为公共引脚，在正常使用时此引脚接电原正极。则发光二极管的阴极接低电平时。如图3-13所示是共阴极是数码管里面的发光二极管的阳极接在一起作为公共引脚，在正常使用时此引脚接电原负极。则发光二极管的阴极接高电平时。如图3-14所示。 （a）数码管内结构图 （b）数码管外框图图3-12数码管结构图 图3-13共阳极 图3-14共阴极这次设计采样了是共阴极的数码管。外接电阻如图3-15所示。图3-15共阴极的接线图3.6恒温箱硬件电路的设计本次设计的硬件器件上面已经介绍了。用TL431稳压管组成2.5V的恒流源接到温度检测的热电阻。热电阻由于温度的变化使电阻也发生不同变化，则电流也产生变化。电流在经过OP07放大器放大。放大后流过电阻和电容的滤波进入ICL7135的模数转换器。ICL7135由时钟频率计算脉冲数，ICL7135由Busy起止输出脉冲给单片机。单片机收到的脉冲即为这个输入数的二进制，单片机在把数据输出给74LS164传达给数码显示管。按键控制的连线是按键key1~key4分别接在单片机的P2.0~P2.3。按键的作用是按下key1后，表示要设定需要的温度。在按下key2是对第小数位的设定数。按key3是加1，按key4是减1。再按下key2键是向高位移一位（即是到了个位），在设定值。按第三次key2是到第十位设定。第四次按key2键是百位设定。在按下key2是对温度设定的正负号。刚开始设定的是正号，按key3的次数为单数则为正号，是双数为负号。按第五次key2键数显示出设定的温度。此后再按key2键就此循环。设定好了温度后就按key1键。再把设定好的温度给单片机。单片机会把检测到的温度跟设定的温度对比。如果检测到的温度高于设定的温度，就把继电器断开。如果检测到的温度高于设定的温度就会继电器连接，电热丝就会加热。然后恒温箱的温度就会在设定值上下波动。所以继电器也需要接在单片机上，并且继电器还要接电热丝。用单片机的P2.6来接继电器。当然还设置了报警灯了，单片机的P2.4接LED1，P2.5接LED2。如果恒温箱的温度低于设定的温度值20℃，则LED1亮。如果恒温箱的温度高过20 （a）AT89C52接线（b）ICL7135接线设计（c）数码显示设计（d）继电器与警示灯的设计图3-16硬件设计软件的设计4.1按键程序设计这次设计用的是C语言编写的程序。C语言的可移植姓强，已成为世界上最广泛几种计算机的语言之一。因为用Keil软件，所以与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用C语言编写恒温箱的智能控制程序如下。如图4-1是按键设定需要的温度。按键的作用是按下key1后，表示要设定需要的温度。在按下key2是对第小数位的设定数。按key3是加1，按key4是减1。再按下key2键是向高位移一位（即是到了个位），在设定值。按第三次key2是到第十位设定。第四次按key2键是百位设定。在按下key2是对温度设定的正负号。刚开始设定的是正号，按key3的次数为单数则为正号，是双数为负号。按第五次key2键数显示出设定的温度。此后再按key2键就此循环。显示定的温度显示定的温度且key2=0数码灯向右移一位最右的数管灯亮按key1Y按key4

按key3YY显示字减1显示字加1按key2!=6N开始Y按键判断按key2图4-1按键设定温度其软件程序用C语言写如下：/*按键控制*/ voidkey（） {while（key1==0）{ //key1键是开始输入需要的温度Delay（20）;while（key2==0） //key2键是数码管显示移动的按钮 {j=0; w++; P1=weima[w]; SBUF=DSY_CODE[0]; //输入数据时，开始为0； Delay（5）; while（!key2）; if（w==6）w=0;//按六次key2后,在按就循环 }if（key3==0&j!=9）//key3键是向上按钮 { j++; if（w==4） SBUF=fuhao[j%2]; //选择正负号 elseSBUF=DSY_CODE[j]; while（!key3）;}if（key4==0&j!=0）//key4键是向下按钮 {j--; SBUF=DSY_CODE[j]; while（!key4）;}//用来显示输入的数据/***************显示设定的温度************************/ switch（w） { case0:xinshi[0]=DSY_CODE[j];jdq[0]=shuzi[j];break; case1:xinshi[1]=DSY_CODE[j];jdq[1]=shuzi[j];break; case2:xinshi[2]=DSY_CODE[j];jdq[2]=shuzi[j];break; case3:xinshi[3]=DSY_CODE[j];jdq[3]=shuzi[j];break; case4:xinshi[4]=fuhao[j%2];break;case5:P1=0x7f;SBUF=xinshi[0];Delay（5）;P1=0xbf;SBUF=xinshi[1]|0x80;Delay（5）;P1=0xdf;SBUF=xinshi[2];Delay（5）;P1=0xef;SBUF=xinshi[3];Delay（5）;P1=0xf7;SBUF=xinshi[4];Delay（5）; break; } } }4.2数据采集程序设计4.1节所示程序是子程序，使用按键设定需要的温度，则检测温度及显示温度，还需要采集，显示的软件程序。如下是数据采集程序：voidADC_7135（）interruPt0{SData1=TH0;SData0=TL0; TL0=0x00; TH0=0x00;}在显示的程序里加上下面的语句就是采集数据了。temp=SData1*256+SData0;V=（temp-10001）/20-200;//显示0到800度得范围运用定时器计时，再把计入的时钟脉冲给单片机，有单片机在处理显示。数码管显示程序如下：/*****************显示数据*****************/ P1=0xef; SBUF=DSY_CODE[V%1000/100];//显示百位 Delay（5）; P1=0xdf; SBUF=DSY_CODE[V%100/10]; //显示十位 Delay（5）; P1=0xbf; SBUF=DSY_CODE[V%10]|0x80;//显示个位 Delay（5）; P1=0x7f; SBUF=DSY_CODE[V%1]; //到0.1的精度 Delay（5）;/****************警示灯的设置****************************/ h=requit-V; if（h<10） led1=1; elseled1=0; if（h>-10） led2=1; elseled2=0; }4.3主程序设计主程序流程图如图4-2所示。如果警示灯亮了则停止运行。NNN电热丝加热t高于dKey1断开Y显示温度d开始初始化检测温度数据采集Key1接通Nt>d+20输入设定温度tNLED2灯亮Y电热丝断开d>t+20YYLED1灯亮结束结束图4-2主程序流程图第五章系统测试5.1硬件测试与KeilProteusISIS是英国Labenter公司开发的实物仿真与电路分析软件。它可以运行于Window操作系统上，可以仿真各种模拟器件。Proteus软件是一款强大的单片机仿真软件。这次设计就用ProteusISIS7.7来仿真恒温箱的硬件。如-5.1所示。图5-1硬件仿真图KeilSoftware公司生产的为51系列兼容单片用机C语言软件开发的系统，Keil提供了宏汇编、连接器、C语言编译器、一个功能强大的仿真调试器和库管理等在内的完整开发方案，它是通过一个集成开发环境（uVision）将这些功能组合在一起。运行Keil软件可以在WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。5.2Keil与Protuse连接为使硬件与软件结合一起仿真检测恒温箱的设计效果。为使Keil与Proteus连接在一起仿真，开始时必须在Proteus的安装目录下将VDM51.dll文件复制到Keil安装的目录/C51/BIN中然后在修改Keil安装目录下的TOOLS.INI文件。用记事本打开Keil目录下的TOOLS.INI文件，在[C51]栏目中加入TDRV9=BIN/VDM51.DLL（"ProteusVSMMonitor-51Driver"），其中“TDRV9”中的“9”要根据实际情况写，不能和原来的TOOLS.INI文件中的数重复。再打开Proteus软件，画出相应的电路原理图。之后在Proteus中的debug菜单选中useremotedebugmonitor。在Keil中编写你的的程序。在进入Keil的project菜单中的oPtionfortarget'工程名'。在debug选项中右栏上部的下拉菜选中ProteusVSMMonitor-51Driver。之后进入seting，同台机IP名为，端口号一定为8000。Proteus要加载入相应的电路和hex文件时，鼠标左键点击菜单"debug"，选中"useromotedebugermonitor"j即可。要比较注意的是：一定要把Keil的运行工程和Proteus的文件放到同一个目录下（这里所指的是Keil的工程即工程的目录）。做好后就可以开始调试了，Keil每调试一次，Proteus就会作出相应的动作.5.3仿真如图5-2所示是热敏电阻在检测恒温箱的温度，在仿真时就用可变电阻代替。假设检测到的是-50℃ 图5-2热敏电阻 图5-3显示-50℃我们设定的温度是100℃。如图5-4所示是用来设定温度的开关。如图5-5所示是设定的温度 图5-4设定温度的开关 图5-5设定温度100因为设定的温度比检测的温度低，所以继电器加热。如图5-6所示检测的温度比设定的温度小于20℃ 图5-6电热丝加热 图5-7LED1亮当加热后温度高于100后如图5.8所示。继电器就会断开。灯也全灭了。如图5.9所示。图5-8达到设定的温度图5-9继电器和灯灭总结经过这几个月的毕业设计，我学到了很多的东西，也发现了很多的问题。我的毕业设计虽说不是很难，但对我还是有一定的挑战性的。刚开始我连一些单片机的引脚的功能都不是很了解。我以前也不知道对着设计的一个产品，不仅要考虑其做出的精度与功能，还更要考虑它的成本问题。现在我不仅对AT89C52的单片机熟悉了，还明白了模数转换的知识。也了解了C语言的博大精深与妙用。更深的明白了单片机在生活与社会中的应用。还知道了设计产品的成本与价值的问题。在做设计时最大的感慨大概也就是为什么我知道的专业知识这么少了。有时候一个很简单的问题也需要想很久，有时候明明知道是学过的知识就是应用不起来。我知道这都是对专业知识的不精。对此，我还要很感谢指导老师梁老师，我不懂的问题总是找他求解。他总是耐心的给我讲解和找资料给我。让我也能很快的明白过来。我开始本想做实物的，可是因为时间不足，更应该说是因为我的很多知识不够，不能在这个时间里做出来，只能用仿真来看看效果。这次设计我知道了要想做出好的东西就应该打开知识面，不要只看着书本上的知识。书本的知识故然重要，但还是远远不够做成一个低成本，高功效，高精度的成品。只有在实践中才能找到进步，我也明白了只有自己动手才能发现问题，解决问题。真正的学到东西。于这次设计也激发了我更想学习的动力。附录附录一硬件设计附录二软件设计#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintDSY_CODE[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x40};intV,j,w,t,flag,s;intSData0,SData1;int requit;ucharweima[]={0x7f,0xbf,0xdf,0xef,0xf7,0x7f,0x7f};sbitbusy=P3^2;sbit clk=P3^4;sbitkey1=P2^0;sbitkey2=P2^1;sbitkey3=P2^2;sbitkey4=P2^3;sbitrelay=P2^6;sbitled1=P2^4;sbitled2=P2^5;ucharxinshi[]={0,0,0,0,0};ucharfuhao[]={0x00,0x40};uintshuzi[]={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};uintjdq[]={0,0,0,0};voidDelay（uintms） //延时{ ucharm; while（ms--） for（m=0;m<120;m++）;}/*初始化定时中断*/voidInitadc（）{TMOD=0x0d; TH0=0x00; TL0=0x00; TR0=1; ET0=1; EX0=1; EA=1; IT0=1;} /*数码管显示*/voiddisplay（） { inth;inttemp; temp=SData1*256+SData0; V=（temp-10001）/20-200;//显示0到800度得范围 if（V>0）{ P1=0xf0; SBUF=0x46; //正负判断 } else{ P1=0xf0; SBUF=0x40; Delay（5）; V=50-V; } P1=0xef; SBUF=DSY_CODE[V%1000/100]; Delay（5）; P1=0xdf; SBUF=DSY_CODE[V%100/10]; Delay（5）; P1=0xbf; SBUF=DSY_CODE[V%10]|0x80; Delay（5）; P1=0x7f; SBUF=DSY_CODE[V%1]; //到0.1的精度 Delay（5）; h=requit-V; if（h<20） led1=1; elseled1=0; if（h>-20） led2=1; elseled2=0; }/*按键控制*/ voidkey（）{ while（key1==0）{ //key1键是开始输入需要的温度Delay（20）; while（key2==0） //key2键是左右移动的按钮 {j=0; w++; P1=weima[w]; SBUF=DSY_CODE[0]; //输