恒温箱设计.docx
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恒温箱设计
设计成绩：
西南科技大学信息工程学院自动化系
《计算机控制系统》课程课外设计
设计题目：
恒温箱温度计算机控制系统设计
学院名称：
信息工程学院
专业班级：
学生姓名：
学生学号：
指导教师：
聂诗良
二〇一六年十二月
恒温箱温度计算机控制系统设计
摘要：
本设计的温度测量及加热控制系统以AT89S52单片机为核心部件，外加温度采集电路、按键及显示电路、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，及按键控制温度和动态显示的方式，以容易控制的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。
关键词：
单片机；恒温控制；DS18B20
The?
design?
of?
incubator?
temperature?
?
computer?
control?
system
Abstract:
?
The?
design?
of?
the?
temperature?
measurement?
and?
heating?
control?
systems?
to?
AT89S52?
microcontroller?
core?
component,?
plus?
the?
temperature?
acquisition?
circuit,?
keyboard?
and?
display?
circuit,?
heating?
circutal?
temperature?
sensor?
DS18B20,?
and?
the?
determinant?
of?
the?
keyboard?
and?
dynamic?
display?
in?
order?
to?
easily?
control?
the?
solid-state?
relays?
for?
heating?
control?
of?
the?
switching?
device.?
This?
works?
both?
on?
the?
current?
temperature?
in?
real-time?
display?
of?
temperature?
can?
be?
controlled?
in?
order?
to?
enable?
users?
to?
reach?
the?
required?
temperature,?
and?
make?
it?
constant?
at?
this?
temperature.?
Key?
words:
?
microcontroller;temperature?
control;DS18B20
《计算机控制系统》课程课外设计制作大作业内容及考核要求
1.课题名称：
恒温箱温度计算机控制系统设计
2.自制恒温箱要求
如图1所示，恒温箱采用木箱或纸箱（外形尺寸不大于30cm×30cm×30cm），内置白炽灯泡（功率不大于100W）用于加热。
或自选制冷板制冷。
交作品时，恒温箱外面贴上标签，标签上注明：
课题名称，学生姓名，专业班级，学号，指导教师姓名，学院名称。
3.控制系统功能与技术指标要求
（1）温度采集传感器采用热电阻或热电偶，或一体化数字温度传感器DS18B20。
（2）控制灯泡亮度或发热量，采用继电器开关控制或用可控硅平滑控制。
（3）采用单片机或PLC作为控制器。
（4）采用LED或LCD或PC机的液晶显示器作为显示器，同时显示给定温度和实际温度。
（5）采用自制按键或PC机的键盘作为温度给定值输入。
（6）恒温箱实际温度达到给定值时（误差要求±1℃）需声光提示，声音时延5秒后停止。
（7）恒温箱最高温度≤60℃。
（8）系统操作流程是：
1）确认系统各硬件连线就绪，无安全隐患；
2）系统上电；
3）设置温度给定值后，启动系统工作，系统进入温度自动控制工作状态。
4）系统工作完毕后，若不需系统工作，则可关闭系统电源，查看并确保系统无安全隐患后可离开。
4.考核要求
（1）本课题验收答辩时间地点：
第12周验收答辩（具体时间地点待定）。
（2）答辩资格需同时满足以下2个要求：
1）系统硬件和软件联调成功，可实现温度自动控制，提交系统实物（答辩后自己保管）。
2）提交设计报告（设计报告须独立完成，若发现两个报告有拷贝或抄袭的，将同时取消两个学生的考核成绩）。
（3）设计报告规范及要目
1）封面（含课题名称，学院名称，学生姓名，专业班级，学号，任课教师）
2）本课题设计制作要求
3）系统方案设计（或设计思想），含系统总体结构框图
4）硬件设计，含硬件选型和系统硬件电路原理详图或实际连线详图
5）软件设计，含软件功能设计、软件流程设计和单元程序清单
6）调试记录及结论，含硬件及软件单元调试和系统调试记录
7）心得体会（据个人实情独立撰写，发现抄袭拷贝者课程成绩计0分）
8）附件（含程序清单）
9）参考文献。
5.备注
1）若采用可控硅平滑控制灯泡发热量方案且答辩思路清楚，设计报告规范，本次作业成绩可在90分以上；采用继电器开关控制灯泡的成绩一般不超过90分；若采用其他方案有创意设计的，经考核老师确认，成绩也可在90分以上。
2）同学可自选题目，经过老师同意后，可代替本题目完成课外设计制作。
3）购买器件费用大致50元左右，原则上自理。
若确有经费困难，可报告老师协助解决。
特别注意用电安全！
小心用电！
1系统方案设计
系统整体框图如下图：
图1.系统原理总框图
上面的系统总体框图中，该系统中微控制器采用AT89C52单片机最小系统，温度显示采用LED显示模块、声光报警器模块、DS18B20温度采集模块、按键输入设定温度模块、继电器驱动模块。
2硬件设计
2.1温度检测电路?
本设计采用数字输出温度传感器DS18B20，该器件具有超小的体积、超低的硬件开销、抗干扰能力强，精度高，功耗低的特点，可直接输出9-12位的数字信号，通过单总线接口传输给单片机进行信号处理，最高12位分辨率时在-55℃?
~?
125℃温度范围内精确度可达到±0.5摄氏度，温度检测电路如图2所示。
图2.温度检测电路
2.2单片机的选择
系统采用STC公司的推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机
STC89C52作为主控芯片，STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有?
8K?
在系统可编程Flash存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单芯片上，拥有灵巧的8?
位CPU?
和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
?
具有以下标准功能：
?
8k字节Flash，512字节RAM，?
32?
位I/O?
口线，看门狗定时器，内置4KB?
EEPROM，MAX810复位电路，3个16?
位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。
另外?
STC89C52?
可降至0Hz?
静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU?
停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz，6T/12T可选。
只有在外接时钟、电源和复位电路时才能工作，能使其正常工作的最小系统如图3所示。
图3.单片机最小系统
2.3显示电路模块
本设计要求采用LED或LCD或PC机的液晶显示器作为显示器，同时显示给定温度和实际温度。
方案一：
LED数码管显示
因为要求同时显示给定温度和实际温度，所以需使用两块四位数码管，同时选取两块74HC573作为数码管锁存器，采用动态显示，数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。
在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。
图4.数码管连接原理图
方案二：
1602LCD液晶显示
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。
1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。
市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。
图5.1602连接原理图
综合比较，因为液晶显示设计比较复杂而成本较高，且数码管也可以满足此设计要求，并且数码管便宜实惠，所以本次设计选择数码管作为显示模块。
2.4继电器驱动模块
本设计用单片机的一个I/O口来控制继电器的通断从而控制灯泡的亮灭，以此来达到控制温度的要求。
下图是继电器的连接仿真图：
图6.继电器仿真连线图
3软件设计
本设计采用单片机控制灯泡从而控制恒温箱，按下电源按钮后，默认设置温度为30度，可通过加减按钮来调节设置温度，在通电的一瞬间，单片机会将从DS18B20得到的温度与设定温度对比，如果此温度小于设定温度，则继电器通电，灯泡发亮，此时恒温箱内温度慢慢升高，当恒温箱温度大于等于设定温度时，继电器断电，灯泡熄灭，同时声光提示5秒，在整个控制过程中可以随时调整设定温度。
3.1温度设定模块程序
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
uinttemp;
ucharflag1;
uintsheding=30;
unsignedcharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,
0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};
unsignedcharcodetable1[]={0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef};
voidkeyscan（）
{
uchars1,s2;
if（S2==0）
{
while（S2==0）;
sheding++;
}
if（S3==0）
{
while（S3==0）;
sheding--;
}
s1=sheding/10;
s2=sheding%10;
dula=0;
P0=table[s1];
dula=1;
dula=0;
wela=0;
P0=0xfe;
wela=1;
wela=0;
delay（3）;
dula=0;
P0=table[s2];
dula=1;
dula=0;
wela=0;
P0=0xfd;
wela=1;
wela=0;
delay
（1）;
}
3.2温度读取及声光报警控制模块流程图及程序
流程图：
是
否
图7.系统流程图
程序：
voiddelay（uintz）//延时函数，单位ms
{
uintx,y;
for（x=z;x>0;x--）
for（y=110;y>0;y--）;
}
voiddsreset（void）//DS18B20复位，初始化函数
{
uinti;
DS=0;
i=103;
while（i>0）i--;
DS=1;
i=4;
while（i>0）i--;
}
bittmpreadbit（void）//读一位数据函数
{
uinti;
bitdat;
DS=0;i++;//i++起延时作用
DS=1;i++;i++;
dat=DS;
i=8;while（i>0）i--;
return（dat）;
}
uchartmpread（void）//读一个字节数据函数
{
uchari,j,dat;
dat=0;
for（i=1;i<=8;i++）
{
j=tmpreadbit（）;
dat=（j<<7）|（dat>>1）;//读出的数据最低位在最前面，这样刚好一个字节在DAT里
}
return（dat）;
}
voidtmpwritebyte（uchardat）//向DS18B20写一个字节数据函数
{
uinti;
ucharj;
bittestb;
for（j=1;j<=8;j++）
{
testb=dat&0x01;
dat=dat>>1;
if（testb）//写1
{
DS=0;
i++;i++;
DS=1;
i=8;while（i>0）i--;
}
else
{
DS=0;//写0
i=8;while（i>0）i--;
DS=1;
i++;i++;
}
}
}
voidtmpchange（void）//DS18B20beginchange
{
dsreset（）;
delay
（1）;
tmpwritebyte（0xcc）;//addressalldriversonbus
tmpwritebyte（0x44）;//initiatesasingletemperatureconversion
}
uinttmp（）//getthetemperature
{
floattt;
uchara,b;
dsreset（）;
delay
（1）;
tmpwritebyte（0xcc）;
tmpwritebyte（0xbe）;
a=tmpread（）;
b=tmpread（）;
temp=b;
temp<<=8;//twobytecomposeaintvariable
temp=temp|a;
tt=temp*0.0625;
temp=tt*10+0.5;
returntemp;
}
voiddisplay（uinttemp）//显示程序
{
ucharA1,A2,A2t,A3;
A1=temp/100;
A2t=temp%100;
A2=A2t/10;
A3=A2t%10;
dula=0;
P0=table[A1];//显示百位
dula=1;
dula=0;
wela=0;
P0=0xdf;
wela=1;
wela=0;
delay（3）;
dula=0;
P0=table1[A2];//显示十位
dula=1;
dula=0;
wela=0;
P0=0xbf;
wela=1;
wela=0;
delay（3）;
P0=table[A3];//显示个位
dula=1;
dula=0;
P0=0x7f;
wela=1;
wela=0;
delay（3）;
}
voiddeal（uinta,b）//处理函数
{
uchari=5000;
a=a/10;
if（S4==1）
{
if（a==b）
{
jdq=0;
if（flag_s==0）
{
led=0;//led灯提示
beep=0;//蜂鸣器提示
while（i--）
{
keyscan（）;
display（tmp（））;
delay
（1）;
}//用显示程序实现5s延时
led=1;
beep=1;
flag_s=1;
}
}
elseif（a{
led=1;
jdq=1;
flag_s=0;
}
else
{
led=0;
jdq=0;
flag_s=0;
}
}
else
{
P1=0xff;
jdq=0;
flag_s=0;
}
}
voidmain（）
{
uchara;
beep=1;
flag_s=0;
jdq=0;
do
{
tmpchange（）;
deal（temp,sheding）;
for（a=10;a>0;a--）
{
display（tmp（））;
keyscan（）;
}
}while
（1）;
}
4调试过程及结果分析
4.1?
软件调试?
软件调试首先是在keil编译器下进行，包括源程序编译及运行调试。
接着链接proteus进行硬件实时调试。
4.2硬件调试
原计划是按仿真焊接电路，但由于在焊接时不小心将电路板烧坏，所以后来使用开发板来完成设计，在调试过程中，因为火线和零线借口设计过于接近，导致短路过一次，后将两个接口改远，经测试可以使用，在调试过程中，恒温箱达到设定温度后灯泡熄灭，但由于箱子过小，灯泡熄灭后的余温还会使温度上升，过一会才能降到设定温度，这是本次设计的一个缺陷。
4.3?
结果分析?
能够达到基本的控制要求，即恒温箱实际温度达到给定值时，有声光提示，并且声音时延5秒后才停止。
5心得体会
在本次设计的过程中，遇到了很多大大小小的挫折，如在焊接电路板时由于不小心将板子烧坏，还有在通电时，发生短路，将宿舍都弄得跳闸了，实在是吓了我一跳，阿姨还和我说要是再跳闸就不给我们开电了，还好后来经过仔细排查，找除了是电路短路的原因，并改良了电路，终于勉强完成的本次实验。
实验完之后心情很复杂，因为在实验之初，我本来以为仿真通过不会出现很大的问题，但在实际中完全不是那么一回事，要考虑到各种实际问题，算是给了我一个教训，在选箱子的时候对于箱子的大小考虑的也不周全，导致箱子初次达到设定温度时会溢出一两度，使温度不能精确控制，这也是需要改良的部分，通过这次课程课外设计，使我了解到了一定不能眼高手低，要把理论和实践结合起来。
在设计的过程中查阅了很多资料，丰富了我的知识，希望在以后的学习生活中能够继续进步。
参考文献
[1]李伟.计算机控制系统（第二版）[M].北京：
清华大学出版社，2015.
[2]康华光.电子技术基础[M].北京：
高等教育出版社，2015
[3]姜志海黄玉清.单片机原理及应用[M].北京：
电子工业出版社，2013
附件
器件清单：
恒温箱器件清单
名称
型号
数量
开发板
QX-MCS51
1
电源底座
电源接口
2
温度传感器
DS18B20
1
继电器
蓝色5V
1
二极管
1N4148
1
三极管
8050
1
灯泡
100W
1
电源线
粗线
2
电源插头
二相
1
灯泡底座
匹配灯泡
1
导线
杜邦线
6
程序代码：
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
uinttemp;
ucharflag1;
uintsheding=30;
sbitDS=P2^2;
sbitdula=P2^6;
sbitwela=P2^7;
sbitbeep=P2^3;
sbitS2=P3^0;
sbitS3=P3^1;
sbitS4=P3^2;
sbitled=P1^0;
sbitjdq=P1^1;
bitflag_s;
unsignedcharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,
0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};
unsignedcharcodetable1[]={0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,
0x87,0xff,0xef};
voiddelay（uintz）//延时函数，单位ms
{
uintx,y;
for（x=z;x>0;x--）
for（y=110;y>0;y--）;
}
voiddsreset（void）//DS18B20复位，初始化函数
{
uinti;
DS=0;
i=103;
while（i>0）i--;
DS=1;
i=4;
while（i>0）i--;
}
bittmpreadbit（void）//读一位数据函数
{
uinti;
bitdat;
DS=0;i++;//i++起延时作用
DS=1;i++;i++;
dat=DS;
i=8;while（i>0）i--;
return（dat）;
}
uchartmpread（void）//读一个字节数据函数
{
uchari,j,dat;
dat=0;
for（i=1;i<=8;i++）
{
j=tmpreadbit（）;
dat=（j<<7）|（dat>>1）;//读出的数据最低位在最前面，这样刚好一个字节在DAT里
}
return（dat）;
}
voidtmpwritebyte（uchardat）//向DS18B20写一个字节数据函数
{
uinti;
ucharj;
bittestb;
for（j=1;j<=8;j++）
{
testb=dat&0x01;
dat=dat>>1;
if（testb）//写1
{
DS=0;
i++;i++;
DS=1;
i=8;while（i>0）i--;
}
else
{
DS=0;//写0
i=8;while（i>0）i--;
DS=1;
i++;i++;
}
}
}
voidtmpchange（void）//DS18B20beginchange
{
dsreset（）;
delay
（1）;
tmpwritebyte（0xcc）;//addressalldriversonbus
tmpwritebyte（0x44）;//initiates
升级会员 