恒温电热杯温度控制器设计.docx
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恒温电热杯温度控制器设计
计算机控制技术
课程设计
成绩评定表
设计课题恒温电热杯的温度控制器设计
学院名称：
专业班级：
学生姓名：
学号：
指导教师：
设计地点：
设计时间：
2
指导教师意见：
成绩:
签名：
年月日
计算机控制技术
课程设计
课程设计名称：
专业班级：
学生姓名：
学号：
指导教师：
课程设计地点：
课程设计时间：
计算机控制技术课程设计任务书
学生姓名
专业班级
学号
题目
恒温电热杯的温度控制器设计
课题性质
工程设计
课题来源
自拟
指导教师
臧海河
主要内容
（参数）
利用89C51设计PLD系列恒温控制系统，实现以下功能：
1．用电热器加热水壶中的水，用单片机检测水壶内温度，是温度恒定于某一值；
2．温度控制静态误差<1℃；
3．用1602显示水的温度；
4．由键盘输入设定温度；
任务要求
（进度）
第1天：
熟悉课程设计任务及要求，查阅技术资料，确定设计方案。
第2天：
按照确定的方案设计单元电路。
要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。
第3天：
软件设计。
第4-5天：
撰写课程设计报告。
要求内容完整、图表清晰、语言流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅不少于6000字。
主要参考
资料
[1]何立民.单片机高级教程及应用设计.北京：
北京航天航空大学出版社，2000
[2]朱定华.单片机原理与接口技术.电子工业出版社,2006
[3]马建伟，李银伢.PID控制设计理论与方法.科学出版社，2008
[4]张毅刚.单片机原理及应用.北京：
高等教育出版社，2003.12
审查意见
系（教研室）主任签字：
年月日
附录13
1前言
一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口、执行机构加在被控系统上，控制系统的被控量经过传感器、变送器通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统，其传感器、变送器和执行机构都不一样。
比如压力控制系统要采用压力传感器，而温度控制系统要采用温度传感器。
PID控制技术在现在最为成熟，控制结构简单，参数容易调整，不必求出被控对象的数学模型就可以调节，所以在恒温控制系统中通常采用PID算法。
PID是比例（proportional）、积分（intergal）和微分derivative三者的缩写。
PID调、kd微分系数的选择非常重节器的三个基本参数kp比例系数、ki（积分系数）要，它将直接影响一个控制系统的准确性。
传统的PID控制电路结构复杂，需配合相应的可控硅控制电路来完成功率的调控。
针对它具有器件多、生产成本高、电路调试复杂的缺点，本恒温自动控制系统的设计中应用AT89S52的单片机进行数字PID运算，能充分发挥软件系统的灵活性，在必要时针对PID算法进行修正，使其更加完善，固态继电器的功率调节电路，极大地简化了执行电路，与单片机的接口也变得十分的方便。
同时，只需要更换不同输出功率的固态继电器，就可满足不同功率加热系统的需要。
由于设计的系统对温度动、静态指标要求要求不高，且允许有一定的温度偏差和允许调节的时间较长时，最流行控制方法还是继电接触器控制系统。
因此本设计采用继电接触器控制系统。
整个设计系统电路简单、调试方便、实际应用可达到理想的精度。
2总体方案设计
2.1系统方案
（1）温度传感器的选取
采用DS18B20温度传感器。
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出远端引入。
此器件具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点其各方面特性都满足此系统的设计要求。
（2）键盘显示
控制与显示电路是反映电路性能、外观的最直观部分，所以此部分电路设计的好坏直接影响到电路的好坏。
单片机AT89C52与4X4矩阵组成控制和扫描系统，并用89C52的P1口对键盘进行扫描，并用总线的方式在P0口接1602液晶来显示水温和设定值，这种方案既能很好的控制键盘及显示，又为主单片机大大的减少了程序的复杂性，而且具有体积小，价格便宜的特点。
（3）控制电路部分
采用AT89C52单片机，其内部有4KB单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器，而且它的I/O口也足够本次设计的要求。
2.2总体方案原理的理论分析
（1）系统模块
DS18B20模块，1602液晶显示模块，继电器模块，键盘输入模块和声光报警模块，DS18B20可以被编程，所以箭头是双向的，CPU（89C52）首先写入命令给DS18B20，然后DS18B20开始转换数据，转换后通89C52来处理数据。
数据处理后的结果就显示到1602液晶上。
系统结构框图如图2.1所示。
图2.1系统结构框图
（2）系统模块总关系
本系统的执行方法是循环查询执行的，键盘扫描也是用循环查询的办法，由于本系统对实时性要求不是很高，所以没有用到中断方式来处理。
系统总流程图如下图2.2所示。
图2.2系统总流程图
3硬件电路设计
考虑到尽量降低成本和避免过于复杂的电路，此系统所用到的元器件均为常用的电子器件。
主控器采用单片机AT89S52；温度传感器采用DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20；采用控制端TTL电平，即可实现对继电器的开关，使用时完全可以用NPN型三极管接成电压跟随器的形式驱动；单片机所需要的5V工作电源是通过220V交流电压通过变压、整流、稳压、滤波得到。
实时控制的显示器、键盘通过单片机来完成键盘扫描与输出动态显示。
下面对硬件电路作具体的设计。
3.1AT89S52单片机
3.1.1AT89S52单片机功能简介
（1）该芯片具有如下功能
1）有1个专用的键盘/显示接口；
2）有1个全双工异步串行通信接口；
3）有2个16位定时/计数器。
这样，1个89S52，承担了3个专用接口芯片的工作；不仅使成本大大下降，而且优化了硬件结构和软件设计，给用户带来许多方便。
89S52有40个引脚，有32个输入端口（I/O），有2个读/写口线，程序存储器可以反复擦除。
（2）主要功能图特性
1）兼容MCS51指令系统
2）32个双向I/O口线
3）3个16位可编程定时/计数器中断
4）2个串行中断口
5）2个外部中断源
6）2个读写中断口线
7）低功耗空闲和掉电模式
8）8k可反复擦写gt1000次FlashROM
9）256x8bit内部RAM
10）时钟频率0-24MHz
11）可编程UART串行通道
12）共6个中断源
13）3级加密位
14）软件设置睡眠和唤醒功能。
3.1.2AT89S52单片机时钟和复位电路
（1）时钟电路
图3.1时钟电路
（2）复位电路
图3.2按键复位电路
3.2温度传感器
温度测量转换部分是整个系统的数据来源，直接影响系统的可靠性。
传统的温度测量方法是：
例如AD590，将测量的温度转换成模拟电信号，再经过A/D转换器把模拟信号转换成数字信号，单片机再对采集的数字信号进行处理。
这种模拟数字混合电路实现起来比较复杂，滤波消噪难度大系统稳定性不高，鉴于这些考虑，本设计采用数字式温度传感器DS18B20。
DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度的范围为-55°C～125°C，现场温度直接以“一线总线”的数字式传输，大大的提高了系统的抗干扰性。
DS18B20为3引脚，DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。
温度采集电路模块如图3.3示。
DS18B20的3脚接系统中单片机的P1.4口线，用于将采集到的温度送入单片机中处理，2脚和3脚之间接一个4.7K上拉电阻，即可完成温度采集部分硬件电路。
DS18B20内部结构主要由四部分组成：
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
图3.3温度采样电路
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:
用16位符以号扩展的二进制补码读数形式提供，0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。
数据转换如下表3.1。
LSByte
Bit7
Bit6
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
8
4
2
1
1/2
1/4
1/8
1/16
MSByte
Bit15
Bit141
Bit13
Bit12
Bit11
Bit10
Bit9
Bit8
S
S
S
S
S
64
32
16
表3.1
这是12位转化后得到的12位数据，存储在DS18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
3.3电源电路
电源电路可分为三大块：
变压部分、整流滤波部分、稳压部分。
电源电路如图3.4所示。
3.4电源电路
3.3.1电源变压器
变压部分其实就是一个变压器，变压器作用是将220V的交流电压变换成我们所需的电压9V。
然后再送去整流和滤波。
3.3.2整流滤波电路
整流电路将交流电压变成单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成份，合之成为平滑的直流电压。
滤波电路常见的有电容滤波电路、电感滤波电路。
一般的整流有全波整流、单相半流整流、桥式整流、及变压整流。
3.3.3稳压电路
在稳压电路中使用的是“三端固定输出集成稳压器”，稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。
集成稳压器、使用方便、性能稳定、更重要的是考虑到它的价格低廉。
3.4加热控制电路
加热控制电路如图3.5所示。
用于在闭环控制系统中对被控对象实施控制，假若被控对象为电热杯，采用对加在电热杯两端的电压进行通断的方法进行控制，以实现对水加热功率的调整，从而达到对水温控制的目的。
对电炉丝通断的控制采用SSR-40DA固态继电器。
它的使用非常简单，只要在控制端TTL电平，即可实现对继电器的开关，使用时完全可以用NPN型三极管接成电压跟随器的形式驱动。
当单片机的P1.3为高点平时，三极管驱动固态继电器工作接通加热器工作，当单片机的P1.3为低电平时固态继电器关断，加热器不工作。
图3.5加热控制电路
3.5.液晶显示模块
下图3.6是1602液晶显示模块的图，按照总线接法来连接，1602数据口接单片机的P0口。
3.89C51单片机最小系统模块89C51单片机最小系统模块如下，P0口接10K的上拉电阻以便与显示模块通讯。
图3.6液晶显示电路
3.6.键盘和DS18B20模块
键盘和DS18B20模块如下图3.7，采用4X4矩阵键盘接单片机P1口，DS18B20模块对水温进行采样，并与单片机通讯来实现对水温的控制。
图3.74×4键盘
4.软件设计说明
本系统采用的是循环查询方式，来显示和控制温度的。
具体设计思路如下：
（1）单片机接受来自键盘的初始设置并保存；
（2）定时对检测装置进行型号回收；
（3）把得到的实时温度与预设温度进行比较；
（4）若实时温度与预设温度有差异则插入控制程序对加热电路进行控制，使实时温度与预设温度保持近似相等；
（5）若实时温度与预设温度无差异，则返回
（2）继续对实时温度进行监测监控。
总流程图如下图4.1所示。
图4.1系统总流程图
5总结
由于在许多工艺生产中，温度起到了很重要的作用。
一次本设计做的是恒温检测控制系统。
通过理论分析表明，PID控制能较好地满足很稳控制的各种要求，在这种理论指导下，采用At89S52单片机实现PID控制，最终实现恒温控制。
从总体上来看，这次电路设计制作还是比较成功的通过本次设计，我获得了很多的体会。
对于设计，思路实时操作的扎实基石，一个良好的设计思路，式设计的生命。
宁愿在思路设计上花上更多的时间也不可草率决定方案，因为前期看似缓慢，实际上恰恰给后期的制作带来很大的方便，效果往往是更节省了时间。
参考文献
[1]何立民.单片机高级教程及应用设计.北京：
北京航天航空大学出版社，2000
[2]朱定华.单片机原理与接口技术.电子工业出版社,2006
[3]马建伟，李银伢.PID控制设计理论与方法.科学出版社，2008
[4]张毅刚.单片机原理及应用.北京：
高等教育出版社，2003.12
附录：
总电路图
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