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恒温烤房控制系统设计
摘要
本设计的温度测量及加热控制系统以AT89C51单片机为核心部件，外加温度采集电路、键盘及显示电路、加热控制电路和越限报警等电路。
采用单总线型数字式的温度传感器DS18B20，及行列式键盘和动态显示的方式，以容易控制的固态继电器作加热控制的开关器件。
本作品既可以对当前温度进行实时显示又可以对温度进行控制，以使达到用户需要的温度，并使其恒定在这一温度。
人性化的行列式键盘设计使设置温度简单快速，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社会生产的要求。
通过对系统软件和硬件设计的合理规划，发挥单片机自身集成众多系统级功能单元的优势，在不减少功能的前提下有效降低了硬件成本，系统操控简便。
关键词：
温度控制；单片机；模糊控制；电路
ABSTRACT
ThedesignofthetemperaturemeasurementandheatingcontrolsystemswithAT89C51microcontrolleratthecorecomponent,plusthetemperatureacquisitioncircuit,keyboardanddisplaycircuit.UsethesinglemainlineofdigitaltemperaturesensorDS18B20,andthedeterminantofthekeyboardanddynamicdisplayinordertocontrolthesolid-staterelaysforcontroloftheheatingswitchingdeviceeasily.Thisworkscandisplaythecurrenttemperatureandcontrolthetemperatrueinaconstantstateinordertocontenttherequirementofconstanttemperaturecontrol.Humanizeddesignofmatrixkeyboardcansettemperatureeasily.Thedisplaymodeoftwointegerandadecimalplacesisahigheraccuracymode.Basedonfuzzycontroltheoryofcontrolalgorithm,thecontrolprecisioncanmeettherequirementsofthegeneralsocialproduction.Throughtherationalplanningofthesystemsoftwareandhardwaredesign,exerttheirownsingle-chipintegrationofmanysystem-levelfunctionalunitoftheadvantages,doesnotreducethefunctionsatthepremiseofeffectivelyreducingthecostofhardware,thesystemeasytomanipulate.
KeyWords:
temperatuarecontrol;microcontroller;fuzzycontrol;circuit
第一章绪论
1.1课题背景
随着电子技术的飞速发展，自动控制、智能仪器、智能家电的广泛应用,给社会带来了巨大改变。
单片机技术的发展给智能仪器、智能家电注入了新的活力。
单片微型计算机的功能不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。
单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，称为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，而温度是工业对象中主要的控制参数之一。
现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制,早期温度控制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。
烟叶烘烤是将烟叶在田间生长过程中形成和积累的优良状态充分发挥和显露出来，是生产优质烟叶至关重要的技术环节，同时也是我国烤烟生产质量和效益的技术瓶颈之一。
影响烟叶烘烤质量的重要因素之一就是烤房内的温度，温度的变化很复杂，目前一些有经验的烤烟技术人员根据长期的烘烤经验采用人工控制的方法，虽然能取得很好的效果，但是这样消耗了太多的人力，也很难避免出于人为的疏忽，也与智能化的发展方向不吻合。
采用模糊控制的方法设计系统，不需要对被控制对象建立数学模型，只要根据有经验的工作人员或有关专家的经验和知识建立模糊控制查询表，结合单片机控制技术对目标系统进行控制。
从实际应用来看，它可以很好的处理各种不确定性、非线性、时变性和耦合性。
因此，本设计采用单片机技术对烟叶烘烤过程中的温度进行智能控制。
1.2国内外恒温控制技术发展现状及趋势
随着计算机控制技术的发展，恒温控制己在工业生产领域中得到了广泛应用，并取得了巨大的经济和社会效益。
在不同的领域内，由于控制环境、目标、成本等因素，需要针对具体情况来设计系统结构和功能，以取得最佳的控制效果。
其中，恒温环境的自动化控制技术在工业生产、商业运营中是一个重要研究课题。
自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外恒温控制系统发展迅速，并在智能化，自适应参数的自整定等方面取得了很大的科技成果。
在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表。
目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。
虽然温度控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器及技术来讲，其总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。
我国目前在恒温控制技术这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变的温度系统控制。
在适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表领域内，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。
因此，我国在恒温控制等控制仪表行业与国外还有着一定的差距。
从过程量的检测角度出发，温度是最常见的过程变量之一，它是一个非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。
而恒温控制技术在工业领域应用非常广泛，由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求较高。
其温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。
尽管恒温控制很重要，但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难。
随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、适用范围大以及本身的指令系统等诸多优势，在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。
1.3设计目的和要求
我国农村的烤烟房都是以煤炭为燃料，通过人工加热等方式来控制烤烟房内的温度，这种烤房结构复杂，温度控制不准确，浪费人力、燃料等资源，和当今社会提倡的环保，可持续发展道路不想符合。
所以本设计的目的是设计一个由电力系统来控制的烤房，系统由温度传感器、中央处理器、显示器、键盘输入等模块组成，系统符合温度自动调节，操作人员能从键盘设置需要的温度，能在显示器上看到实际温度等人性化要求，减少人力和资源的浪费，提高资源利用率。
1.3.1系统设计技术指标
设计的恒温控制系统的技术指标：
（1）预置时显示设定温度，达到定温度时显示实时温度，显示精确到1℃。
（2）恒温箱温度可预置，在误差范围内恒温控制，温度控制误差≤±1℃。
（3）恒温系统由1KW电炉加热。
（4）启动后有运行指示，温度低于预置温度5℃时进行220V全加热。
（5）具有相应的保护功能。
1.3.2系统功能
（1）可以对温度进行自由设定，但必须在0～100℃内，设定时可以实时显示出设定的温度值。
（2）加热1KW电炉来实现，如果温度不在设定温度时，根据设定的温度值与实际检测的温度值之差来采取不同的加热方式。
（3）能够保持实时显示温度
1.3.3设计思路
采用温度传感器检测房内温度，经过数据转换后送入中央处理器中处理，通过相关的程序达到自动控制温度的效果，同时在显示器上显示出实际温度和设置温度，设计有键盘输入电路，报警电路等。
第二章恒温烤房控制系统总体方案设计
2.1恒温烤房的技术要求
设计的恒温控制系统的技术指标：
（1）预置时显示设定温度，达到定温度时显示实时温度，显示精确到1℃。
（2）恒温箱温度可预置，在误差范围内恒温控制，温度控制误差≤±1℃。
（3）恒温系统由1KW电炉加热。
（4）启动后有运行指示，温度低于预置温度5℃时进行220V全加热。
（5）具有相应的保护功能。
2.2恒温烤房中央处理器的选择
目前主要的中央处理器中常用的有通用型单片机、MCU单片机和单片模糊控制器FMC。
这三种控制器中，通用型数字单片机虽然可以完成多变量模糊逻辑的处理，但是外围接口较多，印制电路板面积大，抗干扰性比较差，不宜选用；单片模糊控制器FMC是专用集成模糊控制器，只需要配置少量外围元件就可以构成独立的模糊控制系统。
但是，FMC在推理上采用了单一的最小—最大模糊推理方法，也不宜采用。
MCU除了用软件处理模糊变量、推理之外，不增加任何其他器件，且抗干扰能力很强，因此，MCU是此设计的选择。
目前运用的较多的单片机是51系列单片机，其中具有代表性的型号是ATMEL公司的AT89系列单片机，常常用在工业测控系统中。
此系统要求对温度的控制较精确，AT89系列的AT89C51单片机能满足要求，所以本系统选用AT89C51作为中央处理器。
2.3AT89C51单片机介绍
2.3.1AT89C51单片机的概述
AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。
AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。
2.3.2单片机引脚图
图2.1单片机引脚图
2.3.3各引脚功能
1）I/O引脚（4×8＝32）：
P0，P1，P2，P3。
1、P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
2、P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
3、P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
4、P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
表2.1P3口的第二功能
口管脚
备选功能
P3.0RXD
串行输入口
P3.1TXD
串行输出口
P3.2/INT0
外部中断0
P3.3/INT1
外部中断1
P3.4T0
记时器0外部输入
P3.5T1
记时器1外部输入
P3.6/WR
外部数据存储器写选通
P3.7/RD
外部数据存储器读选通
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
（2）控制引脚（4个）：
1、ALE——地址锁存使能。
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
2、/PSEN——外部程序存储器ROM的选通信号。
在由外部程序存储器ROM取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器RAM时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
3、/EA/VPP——/EA访问外部程序存储器控制信号。
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
4、RSE——复位。
当晶振在运行中，只要复位管脚出现2个机械周期高电平即可复位。
内部有扩散电阻连接到Vss，仅需要外接一个电容到Vcc即可实现上电复位。
（3）时钟晶体引脚
（2）:
1、XTAL1——反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入。
2、XTAL2——反相振荡放大器输出。
要使用外部时钟源驱动器件时，XTL2可以不连接而由XTL1驱动。
外部时钟信号无占空比的要求，因为时钟通过触发器二分频输入到内部时钟电路。
（4）电源引脚
（2）
1、Vss——地。
2、Vcc——电源。
提供掉电、空闲、正常工作电压.。
2.4恒温烤房控制系统结构
要控制温度在一个恒定值上有很多种方案，其中：
方案一：
是一位式的模拟控制方案：
此方案是传统的一位式模拟控制方案，选用模拟电路，用电位器设定给定值，反馈的温度值和设定值比较后，决定加热或不加热。
其特点是电路简单，易于实现，但是系统所得结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静差大，不稳定，受环境影响大，不能实现复杂的控制算法，难以用数码管显示，难以用键盘设定，其方案一框图如图2.2所示。
图2.2一位式模拟控制方案图
方案二：
二位式的模拟控制方案
此方案采用单片机系统来实现。
单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。
单片机系统通过温度传感器对烤房内的温度进行检测，得到模拟的温度信号，在经过A/D转换成数字信号之后，则可用数码管来显示水温的实际值，还能用键盘输入设定值，也可实现打印功能。
本方案还可选用51单片机（内部含有4KB的EEPROM），不需要外扩展存储器可使系统整体结构较为简单。
但是它是一种传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂控制规律，控制方案的修改也比较麻烦，其方案二框图如图2.3所示
图2.3二位式模拟控制方案框图
方案三：
此方案采用单片机为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，它可达到核心的控制作用，并且可方便实现数码显示、键盘设定，烤房的温度控制系统可采用开关控制方案，通过一个继电器隔离输出控制电热丝的通断。
当烤房内的温度低于设定温度时，继电器就会闭合，电热丝接通使烤房开始加热温度升高；反之则继电器断开，烤房停上加热。
本系统是以AT89C51单片机为核心，组成的一个集温度的采集、处理、显示、自动控制为一身的温度闭环控制系统。
硬件组成主要由以下几部分组成：
单片机信息处理、温度采集、显示、报警、键声及控制部分。
具体工作如下：
采用一种新型的可编程温度传感器（DS18B20），不需复杂的信号处理电路和A／D转换电路就能直接与单片机完成数据采集和处理，实现方便、精度高，可根据不同需要用于各种场合。
我们预先从键盘输入一个温度，通过温度采集系统检测出环境的温度，由数字显示电路显示出当时的实际温度，当温度高于或低于报警的上下限值时，报警器发声，提醒工作人员此时温度太高或太低，以做出相应的措施。
其中：
1、为使整个系统的运行更加完善，本系统在设计时匹配了矩阵式键盘以及由四位LED数码管组成的显示器以显示实际的温度值及预置温度值。
2、为提高系统的抗干扰能力，在原有硬件的基础上设计了电源检测、报警等电路以促进整个系统的功能更加完善。
烤房内温度经DS18B20检测送至单片机,由单片机调用显示程序显示当前温度,并与设计定值相比较来决定电炉的通断。
功率驱动、输出继电器、电炉构成一个输出通道,它与温度采集电路一起构成一个闭合回路,以保证房内温度恒定.在控制器检测到房内温度超过极限值时,报警电路动作。
系统控制原理图如下：
方案比较：
以上三种方案中，方案一结构和电路简单，不需要编程，易于实现控制。
但是系统所得结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静差大，不稳定，抗干扰能力不强。
而且没有显示器，不能显示温度值，也没有键盘设置电路，操作很不方便，不能满足实际就用，固不选用。
方案二虽然能编程，结构也简单，但是它和方案一一样是一各传统的模拟控制方式，对一些复杂的控制规律难以实现，对本系统也不是一个最好的控制方式。
方案三中采用了数字温度传感器，不需复杂的信号处理电路和A／D转换电路就能直接与单片机完成数据采集和处理，实现方便、精度高，尤其在多点测温系统中体现其优越性，有显示器、键盘输入、报警等电路，只要对单片机写入相应的程序就能很容易实现温度的自动控制，使用方便简单，所以方案三是一个合适的控制方案。
系统最终控制方案图如图2.4
图2.4恒温烤房控制系统结构图
2.5恒温烤房结构设计
本设计是设计一个长度为6米、宽3米、高3米的烤烟房，利用单片机控制房内温度保持不变，显示设定温度和实时温度，显示精确到1℃。
用DS18B20温度传感器分4个点检测房内温度，在相应的地方用加热丝进行加热保温。
门外安装键盘和LED显示器。
烤房的结构简图如图2.5：
图2.5恒温烤房结构简图
第三章信号采集及处理单元设计
3.1传感器的选择
方案一：
由热敏电阻式传感器检测温度数据，经放大电路、A/D转换电路后送入单片机处理，如图3.1
图3.1温度检测模块结构图
此方案硬件接口比较复杂，在多点测温中需要占用较多的单片机接口，对单片机程序的要求较简单，但是本设计中烤房的尺寸比较大，需要多点测温，这就必须要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。
而且一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。
，此方案不是最优方案。
方案二：
采用PN结温度传感器，PN结温度传感器利用二极管或晶体管PN结的结电压随温度变化的原理工作的，这种传感器具有尺寸小、灵敏度高、线性度好、时间常数小等特点，在很多方面得到广泛应用。
但是这种传感器同样有接线复杂，抗干扰能力差等缺点，同样要解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，使用不方便。
方案三：
采用美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器DS18B20采集温度数据，它有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，而且能直接读出温度实际值，可直接将温度转化成串行数字信号进行处理，经编程把数据转换成二进制后直接输入单片机，使用方便，特别适合于构成多点温度测控系统，因此，在单片机测温系统中被广泛应用。
此方案可以在一条数据总线上布多个传感器，通过对单片机编写程序实现对传感器的读取，方便实现多点测温，占用接口少。
对比三个方案，方案三符合本系统的各个要求，只是需比较要复杂的程序编写。
考虑到程序编写只要一次，所以还是选择DS18B20作为温度检测元件，温度检测模块结构如图3.2
图3.2温度检测模块结构图
3.2DS18B20传感器介绍
DS18B20温度传感器是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。
因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的温度传感器，十分方便。
3.2.1DS18B20的特点
1.只要求一个端口即可实现通信。
2.在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。
3.实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。
4.测量温度范围－55到＋125。
5.数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。
6.内部有温度上、下限告警设置。
3.2.2DS18B20内部结构
DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图3.3所示。
图3.3DS18B20内部结构框图
64位ROM的位结构如图3.4所示。
开始8位是产品类型的编号；接着是每个器件的唯一的序号，共有48位；最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用单线进行通信的原因。
非易失性温度报警触发器
和
，可通过软件写入用户报警上下限数据。
图3.464位ROM的位结构图
DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的
PROM。
高速暂存RAM的结构为9字节的存储器，结构如表3.1所示。
前2字节包含测得的温度信息。
第3和第4字节是
和
的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。
第5字节为配置寄存器，其内容用于确定温度值的数字转换分辨率，DS18B20工作时
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