恒温控制系统设计1.pdf

课程设计说明书第 I 页恒温控制系统摘要随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量其中，温度是一个非常重要的过程变量采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量本次设计以STC89C52单片机为核心部件，采用单总线型数字式的温度传感器DS18B20 作为温度采集，以场效应管作加热控制的开关器件，设计制作了带键盘输入控制，动态显示和越限报警功能的恒温控制系统该系统可以对当前温度进行实时监控、和显示，并将其控制在一定的范围控制键盘设计使设置温度简单快捷，两位整数一位小数的显示方式具有更高的显示精度建立在模糊控制理论上的控制算法，使控制精度完全能满足一般的电子产品的生产要求通过对系统软件和硬件的合理规划，发挥单片机自身集成多系统功能单元的优势，在不减少功能的前提下有效降低了成本，系统操作简便关键词：单片机、温度变化、精确控制、低成本名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 25 页 -I课程设计说明书第 II 页目录1 方案设计.12 电路及框图.22.1 电路框图.22.2 单片机.22.3 温度传感器.32.4 键盘接口.42.5 显示接口.42.6 加热控制.52.7 电源及报警.62.8 总电路.73 软件.83.1 主程序.83.2 功能实现.103.3 运算控制.10结论与展望.13致 谢.15参考文献.16附 录.17名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 25 页 -课程设计说明书第 1 页1 方案设计对于温度控制的方法也有很多：如单片机控制、PLC控制、模拟 PID 调节器和数字PID调节器等等。

而 PID调节器的算法复杂，其成本也相对较高对于温度的检测通是采用热敏电阻在通过A/D（模/数）转换得到数字信号，但由于信号的采集对整个系统的影响很大，如果采样精度不高，会使这个系统准确性下降单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU)，随机存取数据存储器(RAM)，只读程序存储器(ROM)，输入输出电路(I/O口)，可能还包括定时计数器，串行通信口(SCI)，显示驱动电路(LCD或 LED驱动电路)，脉宽调制电路(PWM)，模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小然而完善的计算机系统这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务利用单片机实现温度恒定的控制，系统主要包括现场温度采集、实时温度显示、加热控制参数设置、加热电路控制输出、报警装置和系统核心STC89C52 单片机作为微处理器温度采集电路以数字形式将现场温度传至单片机，单片机结合现场温度与用户设定的目标温度，按照已经编程固化的模糊控制算法计算出实时控制量以此控制量控制场效应管开通和关断，决定加热电路的工作状态，使温度逐步稳定于用户设定的目标值。

在温度达到设定的目标温度后，由于冷却温度降低，单片机通过检测到的温度与设置的目标温度比较，作出相应的控制开启加热片采用单片机实现恒温控制，该方案成本低，可靠性高，抗干扰性强，对于系统动态性能与稳定性要求不是很高的场合时非常合适的采用高精度的温度传感器：数字温度传感器 DS18B20这种数字温度传感器是DALLAS 公司生产的单总线在这种前提下，通过单片机对偏差进行模糊控制运算，对调节加热可达到控制温度恒定综合各方面的因素，本设计采用单片机来实现温度的控制Equation Chapter(Next)Section 1名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 25 页 -课程设计说明书第 2 页2 电路及硬件2.1 电路框图恒温控制系统总体框图如图1 所示主要包括温度传感器、加热器、温度显示、报警装置、温度输入键盘及核心器件STC89C52 单片机作为微处理器图 1 恒温控制系统设计方案框图温度采集电路以数字量形式将现场温度传至单片机单片机结合现场温度与功能要求设定的目标温度，按照已经编程固化的模糊控制算法计算出实时控制量以此控制量控制 MOS管开通和关断，决定加热电路的工作状态，使水温逐步稳定于要求设定的目标值。

在水温到达设定的目标温度后，由于自然冷却而使其温度下降时，单片机通过采样回的温度与设置的目标温度比较，作出响应的控制，开启加热器系统运行过程中的各种状态均可由液晶显示器1602实时显示2.2 单片机用 STC 89C52的单片机作为控制主机之所以选择 89C52作为主机，是因为 89C52作为 51 系列单片机的一种，其使用性能稳定，价格便宜，完全能够满足此次设计的需求而且 89C52 内部集成了程序存储器，可以装载用户程序，方便后续的课程设计需要，不像 8031 因为要外接程序存储器而是电路相对麻烦了2.3 温度传感器由于本设计是精确控制系统，并且有控制范围上的要求，所以在选择传感器上要数字式温度传感器加热器控制器单片机显示器越线报警键盘名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 25 页 -课程设计说明书第 3 页着重考虑其精度和测试范围AD590和 DS18B20 都包含一个可以精确测量环境温度的片内温度传感器，但AD590是模拟传感器，需对温度模拟信号进行数字化处理，在调理和放大信号时，又会带来新的误差，影响精度，而DS18B20 包含一个 10 位 AD转换器，是一个以 0.25 的分辨力将温度数字化的数字式温度传感器，并且其测温理论范围为-55度到 125 度，因其精确度高，范围可选这两大特点，故本设计的传感器选为DS18B20。

温度采集电路模块如图2 所示DS18B20 内部结构主要有四个部分组成：1）64为光刻 ROM；2）温度传感器；3）非易失性温度报警触发器TH 和 TL；4）配置寄存器其中 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器件用如下方式从单线通讯线上汲取能量：在信号线处于高电平期间把能量存储在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电DS18B20也可以用外部 5V 电源供电图 2 温度采集电路DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量，用12 位存储温值度，用16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB 形式表达，其中S为符号位，负温度 S=1，正温度 S=0如下图 3 为 18B20的温度存储方式：图 3 18B20 的温度存储方式这是 12 位转化后得到的12 位数据，存储在 18B20 的两个 8 比特的 RAM 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 5 位为 0，只要将测得的数值名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 25 页 -课程设计说明书第 4 页乘以 0.0625 即可得到实际温度。

例如：0550H 为+85,0191H 为+25.0625，FC90H为-552.4 键盘接口键盘采用对称排列和外部中断相结合的方法，图 2-5 中各按键的功能定义如下表1其中设置键 RET 与单片机的 INT0 脚相连，KEY1 KEY3接单片机 P2口，REST键为硬件复位键，与 R、C 构成复位电路模块电路如下图4：表 1 按键功能按键键 名功能RESET 复位键使系统复位RET 设置键使系统产生中断，进入设置状态KEY1 KEY3 数字键设置用户需要的温度OK 确定键设置温度后确定图 4 按键模块接口电路2.5 显示接口显示电路采用字符型液晶显示模块，它是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式的 LCD，本设计采用的是SMC1602A LCM,其显示容量 162 个字符模块电路如下图 5：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 25 页 -课程设计说明书第 5 页图 5 显示接口电路的设计液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图6是 1602的内部显示地址。

图 6 1602 的内部显示地址2.6 加热控制用于在闭环控制系统中对被控对象实施控制，被控对象为加热片，采用对加在电热片两端的电压进行通断的方法进行控制，以实现对水是否加热的调整，从而达到对水温控制的目的对加热片通断的控制采用MOSFET 管控制，它的使用非常简单，只要在控制端 TTL 电平，即可实现对MOS 管的开关，使用时完全可以用1.5K 电阻接成电压跟随器的形式驱动当单片机的P1.5为高电平时，电阻驱动MOS 管导通，接通加热片工作，当单片机的P1.5 为低电平时 MOS 管不导通关断，加热片停止工作控制电路图如下图 7：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 25 页 -课程设计说明书第 6 页图 7 加热控制电路2.7 电源及报警指示电路的设计在本系统中我设计了越线报警装置，控制目标温度范围当设定的目标温度线达到时，需用声音的形式提醒使用者，此时报警器开始发出报警声在本系统中，当温度低于设置的最低目标温度或高于设置的最高目标温度时报警器为连续不断的滴答滴答叫声当单片机P1.7输出高电平时，三极管导通，报警器工作发出报警声P1.7为低电平时三极管关断，报警器不工作。

当温度低于设置的最低温度时，温度传感器检测到实时温度，发送信息给单片机，P0.4低电平有效，D4 为加热片加热指示灯；同理，当温度加热到高于设置的最高温度时，P0.6 低电平有效，D5 为降温指示灯D1 为检测到电源和液晶显示器共同的显示灯，高电平有效；D6 为检测到 DS18B20 的指示灯，低电平有效；指示灯电路如下图8所示：图 8 电源指示灯和报警指示灯电路名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 25 页 -课程设计说明书第 7 页2.8 总电路恒温控制的总电路图如图9：图 9 总电路图的设计名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 25 页 -课程设计说明书第 8 页3 软件系统的软件由三大模块组成：主程序模块、功能实现模块和运算控制器模块3.1 主程序主程序主要完成加热控制系统各部件的初始化和实现各功能子程序的调用，以及实际测量中各个功能模块的协调在无外部中断申请时，单片机通过循环对外部温度进行实时显示把设置键作为外部中断0，以便能对数字按键进行相应处理主程序流程图如下图 10：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 25 页 -课程设计说明书第 9 页图 10 主程序流程图RAM 初始化按恢复键LCD 初始化调设温模块对采集的温度进行数据处理开温控调液晶显示子程序是否设计温度处理后的设温=实温？处理后的设温实温？处理后的设温实温？关加热器开加热器亮绿灯设温=实温报警提示是否越上限？是否越下线？报警报警开温控调设温模块对采集的温度进行数据处理调液晶显示子程序比较温度开始Y Y Y N Y N N Y Y N Y 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 25 页 -课程设计说明书第 10 页3.2 功能实现以用来执行对 MOSFET 及加热片的控制。

功能实现模块主要由温度比较处理子程序、键盘处理子程序、显示子程序、报警子程序等部分组成键盘显示及程序流程图如下图 11：图 11 键盘、液晶显示子程序流程图3.3 运算控制该模块由标度转换3、模糊控制算法及其中用到的乘法子程序标度转换16/0625.000AAA式中 A为二进制的温度值，A0为 DS18B20 的数字信号线送来的温度数据单片机在处理标度转换时是通过把DS18B20 的信号线送回的16 位数据右移 4 位得到。