恒溫箱實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)名稱： 恒溫箱溫度計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓 名： 高川 學(xué) 號(hào): 20121851 班 級(jí)： 自動(dòng)化1203 學(xué) 院： 信息工程學(xué)院 任課教師： 聶詩(shī)良 2015年11月21日基于單片機(jī)的恒溫箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：本設(shè)計(jì)是基于AT89C52單片機(jī)的恒溫箱控制系統(tǒng)，系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分，其中硬件包括：電源、溫度傳感器、顯示屏、控制、晶閘管驅(qū)動(dòng)和報(bào)警的設(shè)計(jì)；軟件包括：鍵盤管理程序設(shè)計(jì)、顯示程序設(shè)計(jì)、PID控制程序設(shè)計(jì)和溫度報(bào)警程序設(shè)計(jì)。編寫程序結(jié)合硬件進(jìn)行調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)置和調(diào)節(jié)初始溫度值，進(jìn)行液晶顯示，當(dāng)加熱到設(shè)定值后立刻報(bào)警。本設(shè)計(jì)從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)選取了體積小、精度相對(duì)高

2、的數(shù)字式溫度傳感元件DS18B20作為溫度采集器，單片機(jī)AT89C52為主控芯片，液晶作為顯示輸出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量與恒定控制。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)、晶閘管、恒溫、PID算法。引言：本課題采用單片機(jī)控溫度實(shí)現(xiàn)恒溫控制，這個(gè)環(huán)節(jié)有溫度傳感器將恒溫箱內(nèi)的溫度信號(hào)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)對(duì)輸入的溫度信號(hào)與設(shè)定值比較，再把比較后的信號(hào)通過(guò)PID控制器得出控制信號(hào)，從而保持控制晶閘管的通斷狀態(tài)，達(dá)到平滑的控制燈泡兩端電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)恒溫箱溫度的全程控制。1、 本課題設(shè)計(jì)要求30cm10cm木箱或紙箱白熾燈泡100W 自制恒溫箱要求如下圖所示，恒溫箱采用木箱或紙箱（外形尺寸不大于30cm×30cm&#

3、215;30cm），內(nèi)置白熾燈泡（功率不大于100W）用于加熱。（1）溫度采集傳感器采用熱電阻或熱電偶，或一體化數(shù)字溫度傳感器DS18B20。（2）控制燈泡亮度或發(fā)熱量，采用可控硅平滑控制。（3）采用單片機(jī)89C51作為控制器。（4）采用LCD的液晶顯示器作為顯示器，同時(shí)顯示給定溫度和實(shí)際溫度。（5）采用自制按鍵的鍵盤作為溫度給定值輸入。（6）恒溫箱實(shí)際溫度達(dá)到給定值時(shí)（誤差要求±1）需聲光提示，聲音延時(shí)5秒后停止。（7）恒溫箱最高溫度100。二、設(shè)計(jì)方案1.電源模塊對(duì)于電源模塊，利用變壓器把220V的交流電轉(zhuǎn)為正負(fù)12V的交流電，再用二極管橋式整流電路，整流出直流電，之后用電容濾波

4、。2. 溫度傳感器 采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，此類傳感器為數(shù)字式傳感器，可以直接將溫度信號(hào)變成單片機(jī)需要的數(shù)字信號(hào)，此過(guò)程就可以不需要A/D轉(zhuǎn)換，從成本和優(yōu)化系統(tǒng)的角度上，是合適的。另外其測(cè)量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量范圍 55+125。3.顯示部分 1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。顯示字母和數(shù)字比較方便，控制簡(jiǎn)單，成本較低。我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要顯示更多的信息，所以考慮顯示功能更好的液晶顯示，要求能顯示更多的數(shù)據(jù)，增強(qiáng)顯示信息的可讀性，看起來(lái)更方便。4. 輸出控制 采用晶閘管，控制信號(hào)與輸出信號(hào)可以很好的隔離，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全

5、性和抗干擾能力，同時(shí)能有效平滑的控制電壓的輸出以及對(duì)溫度的精確控制，本課題采用的晶閘管為BTA16-600B,其電壓V=>600V,觸發(fā)電流I<=(18mA25mA)。三、硬件電路設(shè)計(jì)及工作原理1.系統(tǒng)功能及工作流程介紹 根據(jù)恒溫箱控制器的功能要求，以AT89C52作為電路系統(tǒng)的控制核心。恒溫箱控制器的總體布局如下圖所示。按鍵將設(shè)置好的溫度值傳給單片機(jī)，通過(guò)溫度顯示模塊1602顯示出來(lái)。初始溫度設(shè)置好后，單片機(jī)開啟輸出控制模塊，使電燈泡開始加熱，同時(shí)將從數(shù)字溫度傳感器DS18B20測(cè)量到的溫度值實(shí)時(shí)的顯示出來(lái)，當(dāng)加熱到設(shè)定溫度值時(shí)，單片機(jī)控制聲光報(bào)警模塊，發(fā)出聲光報(bào)警，當(dāng)超過(guò)設(shè)置溫

6、度關(guān)閉電燈泡。當(dāng)自然冷卻到設(shè)定溫度以下時(shí)，單片機(jī)再次啟動(dòng)電燈泡，如此循環(huán)反復(fù)，以達(dá)到恒溫控制的目的。2.輸出控制電路加熱電路中采用MOC3023的目的是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電與弱電的隔離，其在電路中的工作原理是單片機(jī)根據(jù)傳感器和設(shè)定開關(guān)輸入的控制指令，控制電器的電源通斷。BTA16是小型塑封雙向晶閘管，當(dāng)電源控制電路的輸出管腳送出的開關(guān)控制指令為高電平，MOC3023截止，BTA16截止，電器被關(guān)閉；當(dāng)電源控制電路送出的開關(guān)控制指令為低電平，MOC3023導(dǎo)通，BTA16導(dǎo)通，電器被打開。R4是BTA16的保護(hù)電路。 光耦控制輸出3.顯示電路 1602液晶也叫1602字符型液晶 它是一種專門用來(lái)顯示字母、數(shù)

7、字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊 它有若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符。顯示電路采用LCD1602液晶顯示，如圖(7)所示，圖中只畫出了其相應(yīng)的接口，3腳用于調(diào)節(jié)LCD1602的背光,4、5、6為L(zhǎng)CD1602的控制口，用于控制其寫入或是讀出指令，7至14腳為L(zhǎng)CD1602的數(shù)據(jù)口，將數(shù)傳送到LCD1602中。4.溫度越線報(bào)警電路報(bào)警電路如下圖所示，該電路采用一個(gè)小功率三極管Q1驅(qū)動(dòng)蜂鳴器BELL,當(dāng)單片機(jī)接收到超額溫度信號(hào)或危險(xiǎn)信號(hào)時(shí),輸出腳BELL輸出高點(diǎn)平,Q1導(dǎo)通，致使蜂鳴器BELL得電工作，發(fā)出報(bào)警聲。同時(shí)，電路中的發(fā)光二極管指示出電路的工作狀態(tài)。

8、圖6 報(bào)警電路 5.過(guò)零檢測(cè)TLP521-2是一個(gè)內(nèi)部集成兩個(gè)光耦的芯片，主要用于過(guò)零檢測(cè)，當(dāng)電源的正弦交流電過(guò)零時(shí)，在三極管的集電極的會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下降沿和一個(gè)上升沿，這樣單片機(jī)的外部中斷口可以識(shí)別到，最終用于控制晶閘管的導(dǎo)通角。四、系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)部分軟件描述1.本程序的主要功能就是控制晶閘管的導(dǎo)通角，來(lái)控制電燈泡兩端的平均電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)燈泡的亮度控制，最終達(dá)到控制溫度的目的。設(shè)置有兩個(gè)按鍵，一個(gè)按鍵可以增加期望溫度，另一個(gè)可以減少期望溫度，步進(jìn)最小是0.1攝氏度。有一個(gè)LCD顯示屏，可以顯示當(dāng)前溫度和期望，當(dāng)實(shí)際溫度達(dá)到期望溫度時(shí)，蜂鳴器和LED燈報(bào)警5s后停止。運(yùn)用的控制策略是PID算法，PI

9、D算法的精華之處就是利用偏差進(jìn)行控制。P代表的是比例，這個(gè)參數(shù)可是使調(diào)節(jié)更快速，I是積分，這個(gè)參數(shù)可以減小余差，D是微分，可以超前控制，可以適當(dāng)?shù)臏p小超調(diào)量。通過(guò)控制PID從而達(dá)到精確控制恒溫箱溫度。 通過(guò)以上對(duì)操作和工作過(guò)程的分析，程序應(yīng)分為兩個(gè)階段：一是通電或復(fù)位后到給定溫度；二是掃描檢測(cè)并顯示恒溫箱內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度，并根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果控制電燈泡，此時(shí)系統(tǒng)暫不接收鍵盤的輸入。因此，程序可以分為以下幾個(gè)功能模塊：溫度設(shè)定和啟動(dòng)；顯示；溫度檢測(cè)；溫度控制以及報(bào)警。（1）鍵盤管理模塊當(dāng)通電以后，系統(tǒng)進(jìn)入鍵盤管理狀態(tài)，單片機(jī)只接收設(shè)定溫度和啟動(dòng)。當(dāng)檢測(cè)到有鍵閉合時(shí)先去除抖動(dòng)，這里采用軟件延時(shí)的方法，延時(shí)

10、一段時(shí)間后，再確定是否有鍵閉合，然后將設(shè)定好的值送入預(yù)置溫度數(shù)據(jù)區(qū)，并調(diào)用溫度合法檢測(cè)報(bào)警程序，當(dāng)設(shè)定溫度超過(guò)最大值時(shí)就會(huì)報(bào)警，最后當(dāng)啟動(dòng)鍵閉合時(shí)啟動(dòng)燈泡加熱。鍵盤設(shè)定：用于溫度設(shè)定。共兩個(gè)按鍵。 KEY1（P3.6）: 設(shè)置溫度“+”。KEY2（P3.7）: 設(shè)置溫度“-”。 （2）顯示模塊顯示子程序的功能是將緩沖區(qū)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)換成3個(gè)BCD碼，再將其分別存入百位、十位、個(gè)位3個(gè)顯示緩沖區(qū)，送往串行口，利用單片機(jī)的P0口進(jìn)行掃描，讓數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)的在1602上顯示出來(lái)，可顯示設(shè)置溫度和測(cè)量溫度。（3）控制模塊溫度控制子程序流程如圖7所示，將當(dāng)前溫度與設(shè)定好的溫度比較，當(dāng)當(dāng)前溫度小于設(shè)定溫度時(shí)，

11、開啟電熱器；當(dāng)當(dāng)前溫度大于設(shè)定溫度時(shí)，關(guān)閉電熱器；當(dāng)二者相等時(shí)，電熱器保持這一狀態(tài)。 控制模塊程序流程（4）溫度報(bào)警模塊根據(jù)設(shè)計(jì)要求，當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前溫度值高于設(shè)定溫度值時(shí)報(bào)警，報(bào)警的同時(shí)關(guān)閉電熱器。為了防止誤報(bào)，設(shè)置了報(bào)警允許標(biāo)志，只有在允許報(bào)警的情況下，溫度值高于設(shè)定溫度值時(shí)才報(bào)警。（5）主程序和中斷服務(wù)程序流程主程序采用中斷嵌套方式設(shè)計(jì)，各功能模塊可直接調(diào)用。主程序完成系統(tǒng)的初始化，溫度預(yù)置及其合法性檢測(cè)，預(yù)置溫度的顯示及定時(shí)器0設(shè)置。定時(shí)器0中斷服務(wù)子程序是溫度控制體系的主體，用于溫度檢測(cè)、控制和報(bào)警（包括啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換、讀入采樣數(shù)據(jù)、數(shù)字濾波、越限溫度報(bào)警和越限處理、輸出控制脈沖等）。圖9 主程序流程圖 圖10 中斷服務(wù)程序流程圖五、系統(tǒng)調(diào)試與仿真硬件調(diào)試時(shí)，可先檢查印制板及焊接的質(zhì)量是否符合要求，有無(wú)虛焊點(diǎn)及線路間有無(wú)短路、斷路。然后用萬(wàn)用表檢測(cè)，檢查無(wú)誤后，可通電檢查 LCD 液晶顯示器亮度情況，一般情況下取背光電壓為 45.