畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-恒溫箱單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

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1、廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）恒溫箱單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文題目恒溫箱單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)系 部 機(jī)械電氣學(xué)部 專(zhuān) 業(yè) 自動(dòng)化 班 級(jí) 06自動(dòng)化2班 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 年 月摘 要 溫度控制是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機(jī)械、石油等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用。隨著電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用的非常廣泛，其控制過(guò)程中存在著很大的時(shí)滯性和很強(qiáng)的干擾。恒溫箱控制系統(tǒng),其關(guān)鍵技術(shù)為保持箱內(nèi)溫度的恒定, 單片機(jī)具有體積小、功能強(qiáng)、成本低、應(yīng)用面廣等優(yōu)點(diǎn)，可以說(shuō)，智能控制與自動(dòng)控

2、制的核心就是單片機(jī)。目前，一個(gè)學(xué)習(xí)與應(yīng)用單片機(jī)的高潮在全社會(huì)大規(guī)模地興起。學(xué)習(xí)單片機(jī)的最有效方法就是理論與實(shí)踐并重，本文采用AT89C52單片機(jī)和DS18B20數(shù)字溫度傳感器測(cè)量恒溫箱的溫度,并和設(shè)定溫度比較。根據(jù)比較的結(jié)果，采用PID算法控制PWM信號(hào)的輸出，控制加熱設(shè)備的動(dòng)作,從而達(dá)到穩(wěn)定地控制溫度的目的。關(guān)鍵詞:恒溫箱 數(shù)字溫度傳感器 PWM信號(hào)單片機(jī)AbstractTemperature Control is one of main Charged with parameters at Industrial Control. Especially in metallurgy, chem

3、ical, building materials, food, machinery, petroleum and other industries has held the role of foot heavy-light. As the rapid development of electronic technology and micro-computer. Micro-computer measurement and control technology has been rapid development of and wide range of applications.Temper

4、ature control is used widely in industry production,with large lag and big disturb. About the thermostat control system, its key technology is to control a constant temperature inside, SCM has a small volume, strong function, low cost, wide application scope etc. It can be said，Intelligent control a

5、nd automatic control of the microcontroller core is SCM，These days，A culmination of study and application of SCM the rise of a large scale in the whole society. The most effective way to learn SCM is both theoretical and practical, this paper uses AT89C52 SCM and DS18B20 digital temperature sensor t

6、o measure the temperature of the incubator, then compared with the set temperature . According to the results of this comparison, the PID algorithm to control the output PWM signal ,then control the action heating equipment, so as to achieve stable temperature control purposes.Keywords：Incubator Dig

7、ital temperature sensor PWM signalSignal chip Microcomputer目 錄1 前言12 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)依據(jù)與研究意義23 系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)43.1 本設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)的要求43.2 系統(tǒng)方案的選擇與論證43.3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖54 系統(tǒng)各單元硬件的設(shè)計(jì)64.1 單片機(jī)主控制模塊的設(shè)計(jì)64.2 溫度采集模塊設(shè)計(jì)74.2.1數(shù)字溫控芯片DS18B20介紹74.2.2 DS18B20引腳功能、接法74.2.3 DS18B20的特性指標(biāo)74.2.4 DS18B20的數(shù)字溫度對(duì)照表74.3 顯示模塊設(shè)計(jì)84.4 獨(dú)立鍵盤(pán)設(shè)計(jì)模塊84.5 加熱電路94.5.1 系統(tǒng)加熱

8、原理框圖94.5.2 加熱電路圖94.6 報(bào)警電路模塊設(shè)計(jì)105 PID控制算法與PWM信號(hào)115.1 PID控溫原理115.2 PID算法115.3 PWM信號(hào)126系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（程序見(jiàn)附錄3）156.1主程序流程框圖156.2 子程序流程圖157 指標(biāo)調(diào)試197.1硬件調(diào)試197.2軟件測(cè)試19小結(jié)20展望21參考文獻(xiàn)22致謝23附錄一：系統(tǒng)總原理圖24附錄二：元器件清單25附錄三：系統(tǒng)程序清單261 前言現(xiàn)代工業(yè)，自動(dòng)控制系統(tǒng)越來(lái)越朝著智能化的方向發(fā)展，其中溫度的控制占有非常重要的地位。單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用給現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域帶來(lái)了一次新的技術(shù)革命，自動(dòng)化、智能化均離不開(kāi)單片機(jī)的應(yīng)用。隨著

9、傳感器技術(shù)的顯著的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，對(duì)其要求越來(lái)越高，需求越來(lái)越迫切。傳感器技術(shù)已成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。由于傳感器能將各種物理量、化學(xué)量和生物量等信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，使得人們可以利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量、信息處理和自動(dòng)控制，但是它們都不同程度地存在溫漂和非線性等影響因素。傳感器主要用于測(cè)量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。恒溫箱主要是用來(lái)控制溫度,它為農(nóng)業(yè)研究、生物技術(shù)測(cè)試提供所需要的各種環(huán)境模擬條件,因此可廣泛適用于藥物、紡織、食品加工等無(wú)菌試驗(yàn)、穩(wěn)定性檢查以及工業(yè)產(chǎn)品的原料性能、產(chǎn)品包裝、產(chǎn)品壽命等測(cè)試。恒溫箱供科研機(jī)關(guān)及醫(yī)院作細(xì)菌培養(yǎng)之用;也可以

10、作育種、發(fā)酵以及大型養(yǎng)殖孵化等用途。恒溫箱有著廣泛的用途,其關(guān)鍵技術(shù)為控制溫度的恒定,本文用51系列單片機(jī)和數(shù)字溫度傳感器DS18B20來(lái)實(shí)現(xiàn)恒溫箱的溫度測(cè)量控制功能。2設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)依據(jù)與研究意義單片微型計(jì)算機(jī)是隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展而誕生的，由于它具有體積小、功能強(qiáng)、性價(jià)比高等特點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于電子儀表、家用電器、節(jié)能裝置、軍事裝置、機(jī)器人、工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，使產(chǎn)品小型化、智能化，既提高了產(chǎn)品的功能和質(zhì)量，又降低了成本，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。本文主要介紹單片機(jī)在溫度控制中的應(yīng)用。 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開(kāi)關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。例如：在冶金工業(yè)、化工生

11、產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類(lèi)加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。采用MCS-51系列單片機(jī)來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機(jī)對(duì)溫度的控制問(wèn)題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的問(wèn)題。在人類(lèi)的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度控制是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要任務(wù)。對(duì)于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料，控制方案也有所不同。無(wú)論你

12、生活在哪里，從事什么工作，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在與溫度打著交道。自18世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái)，工業(yè)發(fā)展對(duì)是否能掌握溫度有著絕對(duì)的聯(lián)系。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等等行業(yè)，可以說(shuō)幾乎80%的工業(yè)部門(mén)都不得不考慮著溫度的因素。 本文所要研究的課題是恒溫箱單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，介紹了對(duì)恒溫箱溫度的顯示、控制及報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了溫度的實(shí)時(shí)顯示及控制。箱溫控制部分，提出了用DS18S20、AT89C51單片機(jī)及LED的硬件電路完成對(duì)箱溫的實(shí)時(shí)檢測(cè)及顯示，利用DS18S20與單片機(jī)連接由軟件與硬件電路配合來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱電阻絲的實(shí)時(shí)控制及超出設(shè)定的上下限溫度的報(bào)警系統(tǒng)。 恒溫箱溫度控制部分，采用一套PID閉環(huán)負(fù)反饋控制系

13、統(tǒng)，由DS18S20檢測(cè)箱內(nèi)溫度，用中值濾波的方法取一個(gè)值存入程序存取器內(nèi)部一個(gè)單元作為最后檢測(cè)信號(hào)，并在LED中顯示?？刂破魇怯肁T89C51單片機(jī)，用PID算法對(duì)檢測(cè)信號(hào)和設(shè)定值的差值進(jìn)行調(diào)節(jié)后輸出PWN脈沖信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，去調(diào)節(jié)電熱絲的加熱功率，從而控制箱內(nèi)溫度。 它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易配微處理器等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于構(gòu)成多點(diǎn)溫度測(cè)控系統(tǒng)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理，而且每片DS18S20都有唯一的產(chǎn)品號(hào)并可存入其ROM中，以便在構(gòu)成大型溫度測(cè)控系統(tǒng)時(shí)在單線上掛接任意多個(gè)DS18S20芯片。從DS18S20讀出或?qū)懭?，DS18S20信息僅需要一根口線，其

14、讀寫(xiě)及溫度變換功率來(lái)源于數(shù)據(jù)總線，該總線本身也可以向所掛接的DS18S20供電，而無(wú)需額外電源。DS18S20能提供九位溫度讀數(shù)，它無(wú)需任何外圍硬件即可方便地構(gòu)成溫度檢測(cè)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)應(yīng)用性比較強(qiáng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以作為生物培養(yǎng)液溫度監(jiān)控系統(tǒng)，如果稍微改裝可以做熱水器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室溫度監(jiān)控系統(tǒng)等等。課題主要任務(wù)是完成環(huán)境溫度檢測(cè)，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的自控調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)具有操作方便，控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。3 系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)3.1本設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)的要求（1）利用單片機(jī)AT89C2051實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制，實(shí)現(xiàn)保持恒溫箱溫度范圍：常溫110。（2）可預(yù)置恒溫箱溫度，溫度控制誤差小于1。（3）預(yù)置時(shí)顯示設(shè)定溫度

15、，恒溫時(shí)顯示實(shí)時(shí)溫度，采用PID控制算法顯示精確到0.1。（4）溫度超出預(yù)置溫度5時(shí)發(fā)出聲音報(bào)警。（5）人機(jī)對(duì)話部分由鍵盤(pán)、顯示和報(bào)警三部分組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的顯示、報(bào)警。3.2 系統(tǒng)方案的選擇與論證方案一： 按鍵控制設(shè)定恒溫箱溫度，熱電偶對(duì)溫度進(jìn)行采樣，采樣溫度經(jīng)AD轉(zhuǎn)換與設(shè)定溫度進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)采樣溫度小于設(shè)定溫度時(shí)啟動(dòng)加熱電路，溫差的數(shù)字量經(jīng)DA轉(zhuǎn)換控制加熱電路以不同功率進(jìn)行加熱，當(dāng)采樣溫度大于設(shè)定溫度時(shí)，關(guān)閉加熱電路。用LED數(shù)碼管顯示采樣溫度與設(shè)定溫度。方案二：通過(guò)按鍵設(shè)定溫度，按鍵功能分別實(shí)現(xiàn)溫度加一和溫度減一，再設(shè)按鍵3 用于切換數(shù)碼管顯示采樣溫度T與設(shè)定的溫度S。用數(shù)字傳感器DS18

16、B20對(duì)溫度進(jìn)行采樣，由單片機(jī)對(duì)比采樣溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比較：當(dāng)S-T10時(shí)，驅(qū)動(dòng)加熱設(shè)備以最高功率輸出；當(dāng)S-T10時(shí)，采用PID算法控制單片機(jī)輸出PWM信號(hào)，控制加熱設(shè)備以適合的功率進(jìn)行加熱。由4位共陽(yáng)LED數(shù)碼管對(duì)溫度進(jìn)行顯示。由于熱敏電阻的可靠性差，測(cè)量溫度準(zhǔn)確率低，而且必須經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的接口電路轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)后才能由單片機(jī)處理。本設(shè)計(jì)中我們選用了美國(guó)達(dá)拉斯（Dallas）公司的單線數(shù)字溫度傳感器芯片DS18B20作為溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻不同，DS18B20可直接將溫度轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號(hào)，供單片機(jī)處理，它具有微型化、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且DS18B20采用單總線技術(shù)，信息經(jīng)過(guò)

17、單線接口送入DS18B20或送出，從微處理器到DS18B20僅需連接一條信號(hào)線和地線。所以本設(shè)計(jì)采用DS18B20溫度傳感器進(jìn)行溫度采集。方案二中，采用PID算法控制輸出PWM信號(hào)，使加熱設(shè)備以不同的功率進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度達(dá)到我們要設(shè)定的溫度時(shí)，加熱電路以小功率進(jìn)行加熱，此時(shí)加熱量平衡于消耗的熱量，從而到達(dá)保溫的效果。綜上所述，方案二比方案一更具優(yōu)越性，控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定、精確。所以本次設(shè)計(jì)我們將啟用方案二進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。3.3系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖單片機(jī) 按鍵電路數(shù)字溫度傳感器電源LED數(shù)碼管顯示報(bào)警電路加熱電路 圖3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖4 系統(tǒng)各單元硬件的設(shè)計(jì)由總體硬件結(jié)構(gòu)框圖，本設(shè)計(jì)主要由以下幾部

18、分功能模塊組成：溫度采集電路，鍵盤(pán)控制電路，蜂鳴器報(bào)警電路，數(shù)碼管顯示電路和加熱電路等部分。主要是通過(guò)對(duì)數(shù)字溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行采集后，與鍵盤(pán)電路輸入的溫度值進(jìn)行比較，通過(guò)程序控制輸出PWM信號(hào)，控制加熱設(shè)備進(jìn)行加熱，由數(shù)碼管顯示電路進(jìn)行溫度顯示，如果發(fā)生異常的時(shí)候發(fā)出警報(bào)。4.1單片機(jī)主控制模塊的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)圖4.1 單片機(jī)控制模塊電路本次設(shè)計(jì)采用宏晶科技公司生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，配以RC上電及開(kāi)關(guān)復(fù)位電路和12MHZ震蕩電路，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。P0口作為數(shù)碼管顯示模塊數(shù)據(jù)傳輸總線，P1.4作為溫度采集模塊數(shù)據(jù)線，P2.0作為PWM信號(hào)輸出口控制加熱電路，P2.3控制蜂鳴器報(bào)

19、警電路，對(duì)系統(tǒng)的控制通過(guò)分別接在P1.0P1.2的獨(dú)立鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，全稱(chēng)是叫晶體震蕩器，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振的作用非常大，他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的，晶振的提供的時(shí)鐘頻率越高，那單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。4.2 溫度采集模塊設(shè)計(jì)4.2.1 數(shù)字溫控芯片DS18B20介紹（圖4.2）模擬溫度信號(hào)容易受到干擾而產(chǎn)生測(cè)量誤差,影響測(cè)量精度。因此,在本設(shè)計(jì)的溫度測(cè)量系統(tǒng)中,采用抗干擾能力強(qiáng)的新型數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它具有體積更小、精度更高、適用電壓更寬、采用一線總線等優(yōu)點(diǎn),在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的測(cè)溫效

20、果。 4.2.2 DS18B20引腳功能、接法 DS18B20只有3個(gè)引腳，分別是電源端，接地端和一 個(gè)數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端。4.2.3 DS18B20的特性指標(biāo)電源要求 35V溫度精度 0.5溫度范圍 -55125測(cè)溫速率 750ms 圖4.2 DS18B20引腳接法4.2.4 DS18B20的數(shù)字溫度對(duì)照表 DS18B20采用2個(gè)字節(jié)的溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分，低字節(jié)的低4位為小數(shù)部分，高字節(jié)的低4位與低字節(jié)的高4位組成溫度的整數(shù)部分，高字節(jié)的高4位為符號(hào)位，實(shí)現(xiàn)采樣溫度精度為0.0625。如25.5對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制量位0000 0001 1001 1000 ；35.125對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制量位為0000

21、0010 0011 0010。表4-1 DS18B20的數(shù)字溫度對(duì)照表TemperatureDigital output（Binary）Digital output（Hex）+1250000 0111 1101 000007D0h+850000 0101 0101 00000550h+25.06250000 0001 1001 00010191h+10.1250000 0000 1010 0010 00A2h+0.50000 0000 0000 10000008h00000 0000 0000 00000000h-0.51111 1111 1111 1000FFF8h-10.1251111 1

22、111 0101 1110FF5Eh-25.06251111 1110 0110 1111FE6Fh-551111 1100 1001 0000FC90h4.3 顯示模塊設(shè)計(jì) 圖4.3 顯示模塊電路如圖4.3為本設(shè)計(jì)的顯示電路，采用的是4位共陽(yáng)數(shù)碼管，單片機(jī)對(duì)采集溫度信號(hào)進(jìn)行處理后，通過(guò)4位共陽(yáng)數(shù)碼管，由單片機(jī)P0口輸出段選信號(hào)，P2.4P2.7輸出位選信號(hào)，通過(guò)程序控制單片機(jī)管腳輸出，對(duì)溫度進(jìn)行顯示。4.4 獨(dú)立鍵盤(pán)設(shè)計(jì)模塊（圖4.4）圖4.4 獨(dú)立鍵盤(pán)電路該電路除了復(fù)位按鍵之外，還設(shè)有3個(gè)獨(dú)立按鍵，分別是：溫度上調(diào)鍵，溫度下調(diào)鍵和切換顯示鍵。實(shí)現(xiàn)功能如下:溫度上調(diào)鍵：設(shè)定溫度加1；溫度下調(diào)

23、鍵：設(shè)定溫度減1；切換顯示鍵：對(duì)傳感器采樣溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行切換。4.5 加熱電路4.5.1 系統(tǒng)加熱原理框圖圖4.5 系統(tǒng)加熱原理框圖上圖為系統(tǒng)的加熱原理框圖，由單片機(jī)P2.0口控制PWM輸出，通過(guò)驅(qū)動(dòng)二極管控制晶閘管的導(dǎo)通角，控制電熱絲加熱,這段時(shí)間DS18B20不斷地采集溫度，反饋到單片機(jī)控制P2.0口的輸出。所以，這是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。4.5.2加熱電路圖 圖4.6 加熱電路圖220V交流電經(jīng)過(guò)單相電橋整流電路，在單向可控硅SCR的A、B端加以正向電壓，當(dāng)單片機(jī)輸出口P2.0輸出低電平時(shí)，光耦PC817的發(fā)光二極管發(fā)光，二極管導(dǎo)通，SCR的觸發(fā)極G有電流通過(guò)，此時(shí)，AB端電流導(dǎo)通，電熱

24、絲發(fā)熱；當(dāng)單向電橋電壓過(guò)零時(shí)，SCR的AB端不導(dǎo)通。所以，只要控制P2.0口輸出PWM信號(hào)的占空比就可以控制可控硅的導(dǎo)通角，就可以控制電熱絲兩端的平均電壓。當(dāng)單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)正好平衡于電阻絲加熱消耗的熱量，系統(tǒng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡?？煽毓鑼?dǎo)通角的控制原理：A端為陽(yáng)極，B端為陰極，G為觸發(fā)極。當(dāng)AB端的電壓大于可控硅最低導(dǎo)通電壓，且G極有觸發(fā)電流通過(guò)時(shí)，AB 端導(dǎo)通，否則不導(dǎo)通。4.6 報(bào)警電路模塊設(shè)計(jì)圖4.7 蜂鳴器報(bào)警電路由于蜂鳴器的電流較大，一般在100mA左右，需要三極管驅(qū)動(dòng)，本設(shè)計(jì)蜂鳴接p2.3，采用的是有源的直流蜂鳴器，內(nèi)部集成了振蕩器，使用時(shí)只需給I/O口一個(gè)低電平即可發(fā)聲。在本設(shè)計(jì)

25、中，當(dāng)保溫過(guò)程中，溫差大于5時(shí)，通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，以防止設(shè)備出現(xiàn)故障導(dǎo)致意外。5 PID控制算法與PWM信號(hào)5.1 PID控溫原理 通過(guò)輸入通道將溫度傳感器DS18B20采集到的恒溫箱的當(dāng)前溫度轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量并輸入到單片機(jī)中，單片機(jī)求出當(dāng)前的溫度值與設(shè)定值的偏差，并根據(jù)該偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，最后根據(jù)PID運(yùn)算的結(jié)果控制單片機(jī)輸出PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電隔離和二極管啟動(dòng)盤(pán)驅(qū)動(dòng)控制晶閘管整流電路，控制恒溫箱加熱。加熱過(guò)程分為兩個(gè)階段，單片機(jī)對(duì)設(shè)定溫度S與采樣溫度T進(jìn)行比較：當(dāng)S-T10時(shí)，驅(qū)動(dòng)加熱設(shè)備以最高功率輸出，在這個(gè)過(guò)程中，不斷測(cè)溫，直到S-T10 ?輸出最大值輸出最大有效脈沖采用PID算法輸出

26、相應(yīng)PWM計(jì)算e（n）=設(shè)定溫度-采集溫度開(kāi)始 結(jié)束 圖6.2 PWM輸出PID算法控制子程序set_pwm()：PWM輸出PID算法控制子程序。通過(guò)比較，判斷是否采用PID算法控制程序輸出值，由輸出值通過(guò)定時(shí)器控制PWM的占空比。開(kāi)始 初始化mode=1延時(shí)2msKey按下？Mode=1Mode +Mode= =3？Key按下？按鍵松開(kāi)？延時(shí)2msK1按下？設(shè)定溫度+1Mode= =2？K1按下？按鍵松開(kāi)？結(jié)束延時(shí)2msK2按下？設(shè)定溫度-1Mode= =2？K2按下？按鍵松開(kāi)？結(jié)束 圖6.3 按鍵設(shè)定溫度子程序流程圖switch (mode) ：按鍵功能子程序。Key為顯示切換按鍵，當(dāng)mo

27、de=1時(shí)為實(shí)時(shí)溫度顯示模式，當(dāng)mode=2時(shí)為設(shè)定溫度模式，K1、K2分別為設(shè)定溫度加1、減1按鍵。初始化時(shí)，模式mode的值為1。開(kāi)始初始化DS18B20發(fā)起Skip Rom 命令應(yīng)答脈沖發(fā)起Convent T 命令讀取第1、2字節(jié)即 溫度數(shù)據(jù)發(fā)起Read Scratchpad命令初始化DS18B20延時(shí)1S，等待溫度轉(zhuǎn)換完成答應(yīng)脈沖開(kāi)始調(diào)用e（k），e（k-1），e（k-2）U=A*e（k）+B*e（k-1）+C*e（k-2）e（k-2）= e（k-1）e（k-1）= e（k）e（k）=下一個(gè)采集到的溫度U（k-1）= U（k）U（k）=U（k-1）+U結(jié)束計(jì)算e（k）圖6.4 DS18

28、B20溫度讀取子程序流程圖 圖6.5 PID算法程序流程圖（說(shuō)明1：Skip Rom 為跳過(guò)DS18B20 ROM檢測(cè)命令，Convent T為溫度轉(zhuǎn)換命令，Read Scratchpad 為讀取DS18B20暫存器字節(jié)命令。說(shuō)明2：PID算法流程圖 結(jié)合12頁(yè) 第5.3節(jié)進(jìn)行編寫(xiě)） （程序見(jiàn)附錄3）。7 指標(biāo)調(diào)試7.1硬件調(diào)試硬件調(diào)試是利用基本測(cè)試儀器（萬(wàn)用表、示波器等），檢查硬件中存在的故障。硬件調(diào)試可分為靜態(tài)調(diào)試與動(dòng)態(tài)調(diào)試兩步進(jìn)行。靜態(tài)調(diào)試是在系統(tǒng)未工作時(shí)的一種硬件檢測(cè)。第一步：目測(cè)。檢查外部的各種元件或者是電路是否有斷點(diǎn)。第二步：用萬(wàn)用表測(cè)試。先用萬(wàn)用表復(fù)核目測(cè)中有疑問(wèn)的連接點(diǎn)，再檢測(cè)

29、各種電源線與地線之間是否有短路現(xiàn)象。第三步：加電檢測(cè)。給板加電，檢測(cè)所有插座或是器件的電源端是否符合要求的值。動(dòng)態(tài)調(diào)試是在系統(tǒng)工作的情況下發(fā)現(xiàn)和排除用戶系統(tǒng)硬件中存在的器件內(nèi)部故障、器件連接邏輯錯(cuò)誤等的一種硬件檢查。動(dòng)態(tài)調(diào)試的一般方法是由近及遠(yuǎn)、由分到合。由分到合是指首先按邏輯功能將用戶系統(tǒng)硬件電路分為若干塊，當(dāng)調(diào)試電路時(shí)，與該元件無(wú)關(guān)的器件全部從用戶系統(tǒng)中去掉，這樣可以將故障范圍限定在某個(gè)局部的電路上。當(dāng)各塊電路無(wú)故障后，將各電路逐塊加入系統(tǒng)中，在對(duì)各塊電路功能及各電路間可能存在的相互聯(lián)系進(jìn)行調(diào)試。由分到合的調(diào)試報(bào)告完成。由近及遠(yuǎn)是將信號(hào)流經(jīng)的各器件按照距離單片機(jī)的邏輯距離進(jìn)行由近及遠(yuǎn)的分層

30、，然后分層調(diào)試。調(diào)試時(shí)，仍采用去掉無(wú)關(guān)元件的方法，逐層調(diào)試下去，就會(huì)定位故障元件了。7.2軟件測(cè)試軟件調(diào)試是通過(guò)對(duì)程序的編寫(xiě)、連接、執(zhí)行來(lái)發(fā)現(xiàn)程序中存在的語(yǔ)法錯(cuò)誤與邏輯錯(cuò)誤并加以排除糾正的過(guò)程。本次設(shè)計(jì)軟件的調(diào)試可以說(shuō)是相當(dāng)?shù)牟ㄕ鄣?，例如算術(shù)的加減還要考慮變化量的定義類(lèi)型，占幾個(gè)字節(jié)；加減的過(guò)程中有無(wú)借位問(wèn)題等，否則都有可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)法達(dá)到演示效果。有時(shí)候一條語(yǔ)句的錯(cuò)誤往往要花上好長(zhǎng)一段時(shí)間的程序調(diào)試過(guò)程，但每次調(diào)試成功后都能得到收獲，獲得進(jìn)步。小結(jié)本作品設(shè)計(jì)主要是基于STC89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)恒溫箱的溫度等進(jìn)行檢測(cè)和控制，并實(shí)現(xiàn)恒溫箱對(duì)設(shè)定溫度的恒定。主要由主控器51系列單片機(jī)STC89C5

31、1、數(shù)字溫度傳感器DS18B20、LED數(shù)碼管顯示模塊、蜂鳴電路、獨(dú)立按鍵和復(fù)位電路和加熱電路等部分構(gòu)成。此次在軟件上是花費(fèi)時(shí)間最多的，首先面臨的第一個(gè)問(wèn)題是選擇實(shí)現(xiàn)那些功能和如何實(shí)現(xiàn)；第二個(gè)問(wèn)題是程序相對(duì)比較復(fù)雜，整個(gè)程序調(diào)試比較復(fù)雜，通過(guò)這次設(shè)計(jì)，得到了一次用專(zhuān)業(yè)知識(shí)、專(zhuān)業(yè)技能分析和解決問(wèn)題全面系統(tǒng)的鍛煉。使我們?cè)趩纹瑱C(jī)的基本原理、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程，以及在常用編程設(shè)計(jì)思路技巧（特別是C語(yǔ)言）的掌握方面都能向前邁了一大步。展望隨著社會(huì)的發(fā)展，工業(yè)溫度控制系統(tǒng)對(duì)恒溫精度與穩(wěn)定度的要求越來(lái)越高，智能型溫控設(shè)備受到人們的重視，通訊的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化、標(biāo)準(zhǔn)化是當(dāng)代溫控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。本設(shè)

32、計(jì)中的溫度控制系統(tǒng)如果加上串口通信，采用RS232標(biāo)準(zhǔn)有線通訊協(xié)議方式，與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，采用先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、無(wú)線數(shù)傳技術(shù)、紅外遙控、遙測(cè)技術(shù)等，這可大大提高系統(tǒng)對(duì)新環(huán)境的適應(yīng)能力，提高其兼容性。另外為提高溫控系統(tǒng)的信息管理、可靠性管理和經(jīng)濟(jì)管理水平，在一定條件下，本溫控系統(tǒng)還應(yīng)擴(kuò)大其內(nèi)存容量，對(duì)溫度采樣的實(shí)時(shí)趨勢(shì)或歷史趨勢(shì)進(jìn)行顯示，對(duì)故障發(fā)生的具體時(shí)間及原因進(jìn)行顯示，對(duì)重要?dú)v史數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄并可查詢，為溫度調(diào)度、系統(tǒng)規(guī)劃等提供重要依據(jù)。本設(shè)計(jì)應(yīng)用性比較強(qiáng)，稍微改裝可以作為加熱電爐溫度控制系統(tǒng)，生物培養(yǎng)液溫度監(jiān)控系統(tǒng)、熱水器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室溫度監(jiān)控系統(tǒng)等等。參考文獻(xiàn)1葉慶銀等，小型恒

33、溫箱恒溫性能的理論及實(shí)驗(yàn)研究，制冷與空調(diào)，2007年04期2焦峰超，基于51單片機(jī)的小型溫度測(cè)量系統(tǒng)，宿州學(xué)院學(xué)報(bào)，2008年02期 3杜運(yùn)東等，基于單片機(jī)的電熱恒溫箱控制系統(tǒng)，信息技術(shù)與信息化，2008年04期4馮偉，基于51單片機(jī)的時(shí)間溫度顯示系統(tǒng)，現(xiàn)代顯示,2008 年12期5王金喜等，恒溫箱在熱電偶溫度測(cè)量中的應(yīng)用與研制，電力學(xué)報(bào),2008年05期6張敏等，小型制冷恒溫箱的研制及試驗(yàn)研究，制冷與空調(diào),2006年06期7馬志兵，基于51單片機(jī)的簡(jiǎn)易晶體管輸出特性圖示儀原理與設(shè)計(jì)，電子元器件應(yīng)用,2006年05期8黃正貴，校準(zhǔn)恒溫箱溫度偏差和測(cè)量結(jié)果的不確定度分析，計(jì)量與測(cè)試技術(shù),2006

34、年09期9樂(lè)建波著，溫度控制系統(tǒng)，化學(xué)工業(yè)出版社，2007年出版 10Junior High，How to Express the Temperature，Reading and Compositi-on,2009年04期11胡燕瑜，Intelligent temperature control system of quench furnace 中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)會(huì)刊(英文版), 2004年04期12William Elkins，Personal temperature control system, Sep 8, 198713Roselle Gibbs，Portable temperature

35、 control system，F(xiàn)eb 16, 1999致謝經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的努力，畢業(yè)設(shè)計(jì)基本完成了。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)踐中，雖然過(guò)程中遇到的困難很多，但我從中學(xué)到了很多有用的知識(shí)，也積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。首先要向我的指導(dǎo)老師 邵翠平老師 致以最誠(chéng)摯的謝意。邵老師學(xué)識(shí)淵博、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真負(fù)責(zé)、平易近人，在專(zhuān)業(yè)和精神上都給予了我莫大的支持和幫助。同時(shí)，我要感謝系里領(lǐng)導(dǎo)、老師的關(guān)心和大力支持，正是由于他們的傳道、授業(yè)，讓我學(xué)到了專(zhuān)業(yè)知識(shí)，并從他們身上學(xué)到了如何求知治學(xué)、如何為人處事。我也要感謝我的母校廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院，對(duì)我四年來(lái)的教育和關(guān)心，是她提供了良好的學(xué)習(xí)和生活環(huán)境，讓我的大學(xué)生活豐富多姿，使我明確

36、了以后的方向，樹(shù)立了良好的價(jià)值觀，在這里學(xué)到的一切都使我終身受益。另外，衷心感謝四年來(lái)的同窗好友，是你們的鼎力相助使我最終完成了設(shè)計(jì)，是你們的關(guān)心使我充滿信心地走到最后，在此獻(xiàn)上我真誠(chéng)的謝意。再次衷心感謝所有關(guān)心和幫助過(guò)我的老師和同學(xué)，謝謝你們! 附錄一：系統(tǒng)總原理圖 (繪圖軟件：protel99)附錄二：元器件清單器件名稱(chēng)型號(hào)數(shù)量（個(gè)）數(shù)字傳感器DS18B2015V電源1光電隔離器PC8171電熱絲1按鍵6腳按鍵4電阻、電容、導(dǎo)線若干單向可控硅MCR100-81四位共陽(yáng)LED數(shù)碼管1三極管85505個(gè)發(fā)光二極管若干蜂鳴器1個(gè)24M晶振1個(gè)附錄三：系統(tǒng)程序清單/DS18B20的讀寫(xiě)程序,數(shù)據(jù)腳

37、P1.4 /溫度傳感器DS18B20匯編程序,采用器件默認(rèn)的12位轉(zhuǎn)化 /最大轉(zhuǎn)化時(shí)間750微秒,顯示溫度從-55度到+125度 /顯示精度為0.1度，顯示采用4位LED共陽(yáng)顯示測(cè)溫值 /P0口為段碼輸入,P2.4P2.7為位選 /*/#include reg51.h#include intrins.h /_nop_();延時(shí)函數(shù)用#define Disdata P0 /段碼輸出口#define discan P2 /掃描口#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ=P14; /溫度輸入口sbit DIN=P07; /

38、LED小數(shù)點(diǎn)控制uint h; uint temp;/DS18B20采集到的實(shí)時(shí)溫度uchar mode=1;char code_ge;/溫度設(shè)定值uchar ut2=0,0;/ PID算法，誤差調(diào)節(jié)量uchar st3=10，10，10;/PID算法，前3次的誤差存放uchar code_data3=0,0,0;/PID算法，前3次采集到的溫度存放uchar zliang；PID算法，增量uchar data_tp;/溫度傳遞的中間變量uchar pltime2=0,0 xff;/占空比的初始化。即是th1的初值sbit out=P20;/ 調(diào)制脈沖輸出控制uchar PWM;/占空比的調(diào)節(jié)

39、變量sbit k1 =P10 ; /增加鍵sbit k2 =P11 ; /減少鍵sbit key=P12; /模式選擇鍵/*溫度小數(shù)部分用查表法*/uchar code ditab16=0 x00,0 x01,0 x01,0 x02,0 x03,0 x03,0 x04,0 x04,0 x05,0 x06,0 x06,0 x07,0 x08,0 x08,0 x09,0 x09;/Uchar code dis_713=0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8,0 x80,0 x90,0 xff,0 xbf,0 xf7;/共陽(yáng)LED段碼表0 1

40、2 3 4 5 6 7 8 9 不亮 - uchar code scan_con4=0 x7f,0 xbf,0 xdf,0 xef; /列掃描控制字uchar data temp_data2=0 x00,0 x00; /讀出溫度暫放uchar data display5=0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00; /顯示單元數(shù)據(jù)，共4個(gè)數(shù)據(jù)和一個(gè)運(yùn)算暫uchar data dip_code5=0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00;uchar data dip_code5=0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00;/void delaym

41、s(unsigned char ms)/延時(shí)程序 unsigned char i ; while(ms-) for(i = 0 ; i 120 ; i+) ; void timer0() interrupt 1 /定時(shí)器0控制周期,為1ms TR1=0 ; TH0=0 xfc ; TL0=0 x18 ; /65536-FC18H=1000 TH1=PWM ; TR1=1 ; /256-200=56高電平 out=0 ; /啟動(dòng)輸出void timer1() interrupt 3 TR1=0 ; out=1 ; /結(jié)束輸出void delay2ms()/ 延時(shí)子程序unsigned char

42、i,ms=2;while(ms-)for(i = 0; i 0;t-);/*顯示實(shí)時(shí)溫度*/scan()char k;for(k=0;k0;i-)DQ=1;_nop_();_nop_(); /從高拉倒低DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /5 usDQ=val&0 x01; /最低位移出delay(6); /66 usval=val/2; /右移1位DQ=1;delay(1);/*DS18B20讀1字節(jié)函數(shù)*/從總線上取1個(gè)字節(jié)uchar read_byte(void)uchar i;uchar value=0;for(i=8;i0;i-)DQ=1;_n

43、op_();_nop_();value=1;DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /4 usDQ=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /4 usif(DQ)value|=0 x80;delay(6); /66 usDQ=1;return(value);/*讀出溫度函數(shù)*/read_temp()ow_reset(); /總線復(fù)位delay(200);write_byte(0 xcc); /發(fā)命令write_byte(0 x44); /發(fā)轉(zhuǎn)換命令ow_reset(); delay(1);write_byte(0 xcc); /

44、發(fā)命令write_byte(0 xbe);temp_data0=read_byte(); /讀溫度值的第字節(jié)temp_data1=read_byte(); /讀溫度值的高字節(jié)temp=temp_data1; temp6348) / 溫度值正負(fù)判斷tem=65536-tem;n=1; / 負(fù)溫度求補(bǔ)碼,標(biāo)志位置1display4=tem&0 x0f; / 取小數(shù)部分的值display0=ditabdisplay4; / 存入小數(shù)部分顯示值display4=tem4; / 取中間八位,即整數(shù)部分的值display3=display4/100; / 取百位數(shù)據(jù)暫存display1=display4%100; / 取后兩位數(shù)據(jù)暫存display2=display1