恒温箱实验报告解析.docx

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恒温箱实验报告解析

计算机控制系统设计报告

设计名称：

恒温箱温度计算机控制系统设计

姓名：

高川

学号:

20121851

班级：

自动化1203

学院：

信息工程学院

任课教师：

聂诗良

2015年11月21日

基于单片机的恒温箱控制系统设计

摘要：

本设计是基于AT89C52单片机的恒温箱控制系统，系统分为硬件和软件两部分，其中硬件包括：

电源、温度传感器、显示屏、控制、晶闸管驱动和报警的设计；软件包括：

键盘管理程序设计、显示程序设计、PID控制程序设计和温度报警程序设计。

编写程序结合硬件进行调试，能够实现设置和调节初始温度值，进行液晶显示，当加热到设定值后立刻报警。

本设计从实际应用出发选取了体积小、精度相对高的数字式温度传感元件DS18B20作为温度采集器，单片机AT89C52为主控芯片，液晶作为显示输出，实现了对温度的实时测量与恒定控制。

关键词：

单片机、晶闸管、恒温、PID算法。

引言：

本课题采用单片机控温度实现恒温控制，这个环节有温度传感器将恒温箱内的温度信号传输给单片机，单片机通过对输入的温度信号与设定值比较，再把比较后的信号通过PID控制器得出控制信号，从而保持控制晶闸管的通断状态，达到平滑的控制灯泡两端电压实现对恒温箱温度的全程控制。

一、本课题设计要求

如下图所示，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。

（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，采用可控硅平滑控制。

（3）采用单片机89C51作为控制器。

（4）采用LCD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，声音延时5秒后停止。

（7）恒温箱最高温度≤100℃。

二、设计方案

1.电源模块

对于电源模块，利用变压器把220V的交流电转为正负12V的交流电，再用二极管桥式整流电路，整流出直流电，之后用电容滤波。

2.温度传感器

采用数字式温度传感器DS18B20，此类传感器为数字式传感器，可以直接将温度信号变成单片机需要的数字信号，此过程就可以不需要A/D转换，从成本和优化系统的角度上，是合适的。

另外其测量精度高，抗干扰能力强，测量范围－55℃～+125℃。

3.显示部分

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。

显示字母和数字比较方便，控制简单，成本较低。

我们设计的系统需要显示更多的信息，所以考虑显示功能更好的液晶显示，要求能显示更多的数据，增强显示信息的可读性，看起来更方便。

4.输出控制

采用晶闸管，控制信号与输出信号可以很好的隔离，增强了系统的安全性和抗干扰能力，同时能有效平滑的控制电压的输出以及对温度的精确控制，本课题采用的晶闸管为BTA16--600B,其电压V=>600V,触发电流I<=（18mA~25mA）。

三、硬件电路设计及工作原理

1.系统功能及工作流程介绍

根据恒温箱控制器的功能要求，以AT89C52作为电路系统的控制核心。

恒温箱控制器的总体布局如下图所示。

按键将设置好的温度值传给单片机，通过温度显示模块1602显示出来。

初始温度设置好后，单片机开启输出控制模块，使电灯泡开始加热，同时将从数字温度传感器DS18B20测量到的温度值实时的显示出来，当加热到设定温度值时，单片机控制声光报警模块，发出声光报警，当超过设置温度关闭电灯泡。

当自然冷却到设定温度以下时，单片机再次启动电灯泡，如此循环反复，以达到恒温控制的目的。

2.输出控制电路

加热电路中采用MOC3023的目的是实现强电与弱电的隔离，其在电路中的工作原理是单片机根据传感器和设定开关输入的控制指令，控制电器的电源通断。

BTA16是小型塑封双向晶闸管，当电源控制电路的输出管脚送出的开关控制指令为高电平，MOC3023截止，BTA16截止，电器被关闭；当电源控制电路送出的开关控制指令为低电平，MOC3023导通，BTA16导通，电器被打开。

R4是BTA16的保护电路。

光耦控制输出

3.显示电路

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有若干个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。

显示电路采用LCD1602液晶显示，如图（7）所示，图中只画出了其相应的接口，3脚用于调节LCD1602的背光,4、5、6为LCD1602的控制口，用于控制其写入或是读出指令，7至14脚为LCD1602的数据口，将数传送到LCD1602中。

4.温度越线报警电路

报警电路如下图所示，该电路采用一个小功率三极管Q1驱动蜂鸣器BELL,当单片机接收到超额温度信号或危险信号时,输出脚BELL输出高点平,Q1导通，致使蜂鸣器BELL得电工作，发出报警声。

同时，电路中的发光二极管指示出电路的工作状态。

图6报警电路

5.过零检测

TLP521-2是一个内部集成两个光耦的芯片，主要用于过零检测，当电源的正弦交流电过零时，在三极管的集电极的会产生一个下降沿和一个上升沿，这样单片机的外部中断口可以识别到，最终用于控制晶闸管的导通角。

四、系统应用软件设计部分

软件描述

1.本程序的主要功能就是控制晶闸管的导通角，来控制电灯泡两端的平均电压实现对灯泡的亮度控制，最终达到控制温度的目的。

设置有两个按键，一个按键可以增加期望温度，另一个可以减少期望温度，步进最小是0.1摄氏度。

有一个LCD显示屏，可以显示当前温度和期望，当实际温度达到期望温度时，蜂鸣器和LED灯报警5s后停止。

运用的控制策略是PID算法，PID算法的精华之处就是利用偏差进行控制。

P代表的是比例，这个参数可是使调节更快速，，I是积分，这个参数可以减小余差，D是微分，可以超前控制，可以适当的减小超调量。

通过控制PID从而达到精确控制恒温箱温度。

通过以上对操作和工作过程的分析，程序应分为两个阶段：

一是通电或复位后到给定温度；二是扫描检测并显示恒温箱内的实时温度，并根据检测的结果控制电灯泡，此时系统暂不接收键盘的输入。

因此，程序可以分为以下几个功能模块：

温度设定和启动；显示；温度检测；温度控制以及报警。

（1）键盘管理模块

当通电以后，系统进入键盘管理状态，单片机只接收设定温度和启动。

当检测到有键闭合时先去除抖动，这里采用软件延时的方法，延时一段时间后，再确定是否有键闭合，然后将设定好的值送入预置温度数据区，并调用温度合法检测报警程序，当设定温度超过最大值时就会报警，最后当启动键闭合时启动灯泡加热。

键盘设定：

用于温度设定。

共两个按键。

KEY1（P3.6）:

设置温度“+”。

KEY2（P3.7）:

设置温度“-”。

（2）显示模块

显示子程序的功能是将缓冲区的二进制数据先转换成3个BCD码，再将其分别存入百位、十位、个位3个显示缓冲区，送往串行口，利用单片机的P0口进行扫描，让数据动态的在1602上显示出来，可显示设置温度和测量温度。

（3）控制模块

温度控制子程序流程如图7所示，将当前温度与设定好的温度比较，当当前温度小于设定温度时，开启电热器；当当前温度大于设定温度时，关闭电热器；当二者相等时，电热器保持这一状态。

控制模块程序流程

（4）温度报警模块

根据设计要求，当检测到当前温度值高于设定温度值时报警，报警的同时关闭电热器。

为了防止误报，设置了报警允许标志，只有在允许报警的情况下，温度值高于设定温度值时才报警。

（5）主程序和中断服务程序流程

主程序采用中断嵌套方式设计，各功能模块可直接调用。

主程序完成系统的初始化，温度预置及其合法性检测，预置温度的显示及定时器0设置。

定时器0中断服务子程序是温度控制体系的主体，用于温度检测、控制和报警（包括启动温度转换、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、输出控制脉冲等）。

图9主程序流程图图10中断服务程序流程图

五、系统调试与仿真

硬件调试时，可先检查印制板及焊接的质量是否符合要求，有无虚焊点及线路间有无短路、断路。

然后用万用表检测，检查无误后，可通电检查LCD液晶显示器亮度情况，一般情况下取背光电压为4~5.5V即可得到满意的效果，再依次检查各部分结构安装是否牢固。

软件调试是在proteus编译器下进行，源程序编译及仿真调试应分段或以子程序为单位逐个进行，最后结合硬件实时调试。

子程序调试包括：

1）.LCD1602显示程序；

2）.延时函数子程序；

3）.DS18B20读出温度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序、显示数据刷新子程序。

六、设计心得