恒溫電熱杯溫度控制器設(shè)計

課程設(shè)計計算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計成績評定表設(shè)計課題恒溫電熱杯的溫度控制器設(shè)計學(xué)院名稱：專業(yè)班級：學(xué)生姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：設(shè)計地點：設(shè)計時間：2指導(dǎo)教師意見：成績:簽名：年月日課程設(shè)計計算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計課程設(shè)計名稱：專業(yè)班級：學(xué)生姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：課程設(shè)計地點：課程設(shè)計時間：

課程設(shè)計計算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名專業(yè)班級學(xué)號題目恒溫電熱杯的溫度控制器設(shè)計課題性質(zhì)工程設(shè)計課題來源自擬指導(dǎo)教師臧海河主要內(nèi)容（參數(shù)）利用89C51設(shè)計PLD系列恒溫控制系統(tǒng)，實現(xiàn)以下功能：1．用電熱器加熱水壺中的水，用單片機(jī)檢測水壺內(nèi)溫度，是溫度恒定于某一值；2．溫度控制靜態(tài)誤差<1℃；3．用1602顯示水的溫度；4．由鍵盤輸入設(shè)定溫度；任務(wù)要求（進(jìn)度）第1天：熟悉課程設(shè)計任務(wù)及要求，查閱技術(shù)資料，確定設(shè)計方案。第2天：按照確定的方案設(shè)計單元電路。要求畫出單元電路圖，元件及元件參數(shù)選擇要有依據(jù)，各單元電路的設(shè)計要有詳細(xì)論述。第3天：軟件設(shè)計。第4-5天：撰寫課程設(shè)計報告。要求內(nèi)容完整、圖表清晰、語言流暢、格式規(guī)范、方案合理、設(shè)計正確，篇幅不少于6000字。主要參考資料[1]何立民.單片機(jī)高級教程及應(yīng)用設(shè)計.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2000[2]朱定華.單片機(jī)原理與接口技術(shù).電子工業(yè)出版社,2006[3]馬建偉，李銀伢.PID控制設(shè)計理論與方法.科學(xué)出版社，2008[4]張毅剛.單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京：高等教育出版社，2003.12審查意見系（教研室）主任簽字：年月日課程設(shè)計目錄前言 3 TOC\o"1-5"\h\z總體方案設(shè)計 4...\o"CurrentDocument"系統(tǒng)方案 4...\o"CurrentDocument"總體方案原理的理論分析 5..\o"CurrentDocument"硬件電路設(shè)計 6...AT89S52單片機(jī) 6...\o"CurrentDocument"3.2溫度傳感器 7...\o"CurrentDocument"電源電路 9...\o"CurrentDocument"加熱控制電路 1..0.\o"CurrentDocument"3.5液晶顯示模塊 1..0.3.6鍵盤和DS18B20模塊 1..1\o"CurrentDocument"軟件設(shè)計說明 1..1.總結(jié) 1..2..參考文獻(xiàn) 1..2..附錄 131前言課程設(shè)計一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口。控制器的輸出經(jīng)過輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)加在被控系統(tǒng)上，控制系統(tǒng)的被控量經(jīng)過傳感器、變送器通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)都不一樣。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器，而溫度控制系統(tǒng)要采用溫度傳感器。PID控制技術(shù)在現(xiàn)在最為成熟，控制結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易調(diào)整，不必求出被控對象的數(shù)學(xué)模型就可以調(diào)節(jié)，所以在恒溫控制系統(tǒng)中通常采用PID算法。PID是比例(proportional)、積分(intergal)和微分derivative三者的縮寫。PID調(diào)、kd微分系數(shù)的選擇非常重節(jié)器的三個基本參數(shù)kp比例系數(shù)、ki(積分系數(shù))要，它將直接影響一個控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的PID控制電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需配合相應(yīng)的可控硅控制電路來完成功率的調(diào)控。針對它具有器件多、生產(chǎn)成本高、電路調(diào)試復(fù)雜的缺點，本恒溫自動控制系統(tǒng)的設(shè)計中應(yīng)用AT89S52的單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字PID運算，能充分發(fā)揮軟件系統(tǒng)的靈活性，在必要時針對PID算法進(jìn)行修正，使其更加完善，固態(tài)繼電器的功率調(diào)節(jié)電路，極大地簡化了執(zhí)行電路，與單片機(jī)的接口也變得十分的方便。同時，只需要更換不同輸出功率的固態(tài)繼電器，就可滿足不同功率加熱系統(tǒng)的需要。由于設(shè)計的系統(tǒng)對溫度動、靜態(tài)指標(biāo)要求要求不高，且允許有一定的溫度偏差和允許調(diào)節(jié)的時間較長時，最流行控制方法還是繼電接觸器控制系統(tǒng)。因此本設(shè)計采用繼電接觸器控制系統(tǒng)。整個設(shè)計系統(tǒng)電路簡單、調(diào)試方便、實際應(yīng)用可達(dá)到理想的精度。2總體方案設(shè)計2.1系統(tǒng)方案(1)溫度傳感器的選取采用DS18B20溫度傳感器。DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式；溫度測量范圍為－55℃～＋125℃可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá)0.0625℃，被測溫度用符號擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出遠(yuǎn)端引入。此器件具有體積小、質(zhì)量輕、線形度好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點其各方面特性都滿足此系統(tǒng)的設(shè)計要求。(2)鍵盤顯示控制與顯示電路是反映電路性能、外觀的最直觀部分，所以此部分電路設(shè)計的好壞直接影響到電路的好壞。單片機(jī)AT89C52與4X4矩陣組成控制和掃描系課程設(shè)計統(tǒng)，并用89C52的P1口對鍵盤進(jìn)行掃描，并用總線的方式在P0口接1602液晶來顯示水溫和設(shè)定值，這種方案既能很好的控制鍵盤及顯示，又為主單片機(jī)大大的減少了程序的復(fù)雜性，而且具有體積小，價格便宜的特點。（3）控制電路部分采用AT89C52單片機(jī)，其內(nèi)部有4KB單元的程序存儲器，不需外部擴(kuò)展程序存儲器，而且它的I/O口也足夠本次設(shè)計的要求。2.2總體方案原理的理論分析（1）系統(tǒng)模塊DS18B20模塊，1602液晶顯示模塊，繼電器模塊，鍵盤輸入模塊和聲光報警模塊，DS18B20可以被編程，所以箭頭是雙向的，CPU（89C52）首先寫入命令給DS18B20，然后DS18B20開始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換后通89C52來處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果就顯示到1602液晶上。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖（2）系統(tǒng)模塊總關(guān)系本系統(tǒng)的執(zhí)行方法是循環(huán)查詢執(zhí)行的，鍵盤掃描也是用循環(huán)查詢的辦法，由于本系統(tǒng)對實時性要求不是很高，所以沒有用到中斷方式來處理。系統(tǒng)總流程圖如下圖2.2所示。課程設(shè)計初始化模塊DS18B20測得溫

度值，MCU讀值MCU將溫度值送

到1602顯示1602顯示模塊顯

示溫度值

鍵盤掃描模塊繼電器模塊圖2.2系統(tǒng)總流程圖3硬件電路設(shè)計考慮到盡量降低成本和避免過于復(fù)雜的電路，此系統(tǒng)所用到的元器件均為常用的電子器件。主控器采用單片機(jī)AT89S52；溫度傳感器采用DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20；采用控制端TTL電平，即可實現(xiàn)對繼電器的開關(guān)，使用時完全可以用NPN型三極管接成電壓跟隨器的形式驅(qū)動；單片機(jī)所需要的5V工作電源是通過220V交流電壓通過變壓、整流、穩(wěn)壓、濾波得到。實時控制的顯示器、鍵盤通過單片機(jī)來完成鍵盤掃描與輸出動態(tài)顯示。下面對硬件電路作具體的設(shè)計。3.1AT89S52單片機(jī)AT89S52單片機(jī)功能簡介（1）該芯片具有如下功能1）有1個專用的鍵盤/顯示接口；2）有1個全雙工異步串行通信接口；3）有2個16位定時/計數(shù)器。這樣，1個89S52，承擔(dān)了3個專用接口芯片的工作；不僅使成本大大下降，而且優(yōu)化了硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計，給用戶帶來許多方便。89S52有40個引腳，有32個輸入端口（I/O），有2個讀/寫口線，程序存儲器可以反復(fù)擦除。（2）主要功能圖特性1）兼容MCS51指令系統(tǒng)課程設(shè)計32個雙向I/O口線3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷2個串行中斷口2個外部中斷源2個讀寫中斷口線低功耗空閑和掉電模式8k可反復(fù)擦寫gt1000次FlashROM256x8bit內(nèi)部RAM時鐘頻率0-24MHz可編程UART串行通道共6個中斷源3級加密位軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能。AT89S52單片機(jī)時鐘和復(fù)位電路(1)時鐘電路C130PFXTAL1XTAL2Y112.000MHZC130PFXTAL1XTAL2Y112.000MHZC230PFS1VCCR1C115K33UFRSTR21K圖3.1時鐘電路(2)復(fù)位電路C130PFXTAL1C230PF12.000MHZXTAL2D2圖3.2按鍵復(fù)D位3電路U5DS18B20CCO/DND1123S1T13.2溫度傳感器~220V~9VD47D5C1470UFD1U478L05VIN VOUTGND3C20.33UFVCCVCCR14.7KVCC2C3100UFVCCC40.1UF課程設(shè)計溫度測量轉(zhuǎn)換部分是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，直接影響系統(tǒng)的可靠性。傳統(tǒng)的溫度測量方法是：例如AD590，將測量的溫度轉(zhuǎn)換成模擬電信號，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，單片機(jī)再對采集的數(shù)字信號進(jìn)行處理。這種模擬數(shù)字混合電路實現(xiàn)起來比較復(fù)雜，濾波消噪難度大系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，鑒于這些考慮，本設(shè)計采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。DS18B20支持“一線總線”接口，測量溫度的范圍為-55°C～125°C，現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字式傳輸，大大的提高了系統(tǒng)的抗干擾性。DS18B20為3引腳，DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端。溫度采集電路模塊如圖3.3示。DS18B20的3腳接系統(tǒng)中單片機(jī)的P1.4口線，用于將采集到的溫度送入單片機(jī)中處理，2腳和3腳之間接一個4.7K上拉電阻，即可完成溫度采集部分硬件電路。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。U5圖3.3溫度采樣電路P00P01P02P03DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例:用16位符以號擴(kuò)展的二進(jìn)制補碼讀數(shù)形式提供，0.0625℃/LSB形式表達(dá)，其中SP04為符號位。P05LSByteBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit084211/21/41/81/16AXTL119數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換如下表3.1。8AXTL218U1EA/VPX1X2AT89C5MSByteBit15Bit141Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8SSSSS643216課程設(shè)計表3.1S1VCCC1這是12位30轉(zhuǎn)PF化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在R1DS18B20的兩個8比特的

XTAL115KC133UFRAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于330UF，這RST5位為0，C2R2只要將測到的30P數(shù)F值乘1于2.0000M.H0Z625即可得到實際溫度；如果溫度1K小于0，這5位XTAL2為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。U5DS18B20CCVO/IDNG3.3電源電路電源電路可分為三大塊：變壓部分、整流濾波部分、穩(wěn)壓部分。電源電路如C40.1UF電源變壓器圖3.4所示。們所需的電壓9V。然后再送去整流和濾波。RDWR213.3.2整流濾波電路VCCR?RES們所需的電壓9V。然后再送去整流和濾波。RDWR213.3.2整流濾波電路VCCR?RES整流電路將交流電壓變成單向脈動的直流電壓；74濾LS0波8電路用來濾除整流后單向脈動電壓中的交流成份，合之成為平滑的直流電壓。濾波電路常見的有電容PP22濾01P233波電路、電感濾波電路。一般的整流有全波整流、單相半流整流、橋式整流、及PP000174LS33P02P03P04P05P06P07變壓整流。3.3.3穩(wěn)壓電路在穩(wěn)壓電路中使用的是“三端固定輸出集成穩(wěn)壓器”，穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)12345678910111213141516U6GNDVCCVORSRWEDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7BGVCCBGGND10器，變壓部分其實就是一個變壓器，變壓器作用是將220V的交流電壓變換成我器，輸入交流電源電壓波動、負(fù)載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。集成穩(wěn)U1AT89C5131EA/VPAXTL119X1P0.0P0.1P0.2課程設(shè)計PP00..34AXTL218X2 P0.5壓器、使用方便、性能穩(wěn)定、更重要的是考慮到它的價格低廉。P0.6RST9RESET P0.73938373635343332P00P01P02P03P04P05P06P07103.4加熱控制電路INT012INT0P2.0P2.1P2.2212223P20P21P22加熱控制電路如圖3.5所示。IEN用TT01于11在43閉環(huán)IN控T1制系統(tǒng)中對被控對P2.象3實施2245控PP制2243，假若被控對象為電熱杯，采用對加在ET1電熱15杯兩T端1的電壓進(jìn)行通斷的P2方.5法進(jìn)22行76控PP2256P101 P1.0 PP22..76 28P27制，以實現(xiàn)對水加熱功率的調(diào)整，從P11而2達(dá)到對PP11..水01溫控制的目的。P2.7對電爐絲通斷的P123 P1.2 RD 17RD控制采用SSR-40DA固態(tài)繼電器。它PP1134的45使用P非1.3常簡單，只要在控W制R端21T96TWLD電平，PP114556 P1.4 PSEN 3290ALE即可實現(xiàn)對繼電器的開關(guān)，使用時完P(guān)全16可7以用PP11..56NPN型三極管A接TLEX成/DP電壓11跟T隨XD器的P178 PP11..67 RTXXDD 10RXD形式驅(qū)動。當(dāng)單片機(jī)的P1.3為高點平時，三極管驅(qū)動固態(tài)繼電器工作接通加熱器工作，當(dāng)單片機(jī)的P1.3為低電平時固態(tài)繼電器關(guān)斷，加熱器不工作。圖3.5加熱控制電路3.5.液晶顯示模塊1602數(shù)據(jù)口接下圖3.6是1602液晶顯示模塊的圖，按照總線接法來連接，單片機(jī)的P0口。3.89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊如下，P0口接10K的上拉電阻以便與顯示模塊通訊。10813141718ALE111A00A01A02P25P26P27課程設(shè)計圖3.6液晶顯示電路3.6.鍵盤和DS18B20模塊鍵盤和DS18B20模塊如下圖3.7，采用4X4矩陣鍵盤接單片機(jī)P1口，DS18B20模塊對水溫進(jìn)行采樣，并與單片機(jī)通訊來實現(xiàn)對水溫的控制。U5DS18B2U5DS18B20CCV3CCV2O/I1K1.CCV3CCV2O/I1K1.7R4.4P12300PPP04P05P06P07圖3.74×4鍵盤U1AT89C51U2CD16024.軟件設(shè)計說明AXTL13119EA/VPX1本系統(tǒng)采用的是循環(huán)AXT查L2詢18方式，X21)2)3)4)P0.0P0.1P0.2P0.339383736來顯示和控P0制.4溫33度45的P0.5P0.633單片機(jī)接受RST來9自鍵RE盤SET的初始設(shè)置P并0.7保存32；22P21P2定時對檢測IINU1AT89C51U2CD16024.軟件設(shè)計說明AXTL13119EA/VPX1本系統(tǒng)采用的是循環(huán)AXT查L2詢18方式，X21)2)3)4)P0.0P0.1P0.2P0.339383736來顯示和控P0制.4溫33度45的P0.5P0.633單片機(jī)接受RST來9自鍵RE盤SET的初始設(shè)置P并0.7保存32；22P21P2定時對檢測IINNTT01裝11置32進(jìn)INT行0型號回收；PP22IENTT011134INT123P22324P23T0P2.425P24把得到的實ET1時1溫5度TT10與預(yù)設(shè)溫度進(jìn)PPP行222...546比較2267；PP2265P2.76 28P27P101P1.0P2P2P00P01P02P03D0D1D2D3具體PP0045設(shè)計思路如1143下：D4D5D6D7P06P071718ALE111A0011OECP74373U3Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7VCCGND若實時溫度PP與112123預(yù)設(shè)PP11溫..12