唐山学院
测控系统原理课程设计
题目恒温箱控制器的设计
系 (部) 机电工程系
班级
姓名
学号
指导教师
2014 年 03 月 02 日至 03 月 13 日共两周
2014年 03 月 13 日
测控系统原理课程设计任务书
课程设计成绩评定表
目录
摘要 (1)
一.系统的硬件设计 (2)
1.恒温箱控制系统框图 (2)
2.微处理器AT89C52 (2)
3.温度传感器 (3)
4.显示部分 (4)
5.键盘输入电路 (5)
6.输出控制 (5)
7.温度越线报警电路 (6)
二.系统的软件设计 (7)
1.温度传感器模块软件设计 (7)
2.键盘管理模块 (7)
3.显示模块 (8)
4.控制模块 (8)
5.温度报警模块 (9)
三.PID控制算法 (10)
1.PID的数学模型 (10)
2.PID控制规律的离散化 (10)
四.设计总结 (11)
五.参考文献 (12)
附录1元件清单 (13)
附录2硬件电路图 (14)
附录3程序清单 (15)
摘要
随着社会发展的需求，人们对恒温箱的应用和需求越来越广泛，在工业生产和日常生活或科学实验中，我们随处都可以看到恒温箱的应用。如，可以根据动物生活习性的需要控制饲养棚合适的温度来进行孵卵或动物培养；在农业上，可用于种子的发芽；在医学上，可用于做细菌培养、放射免疫分析、血清溶化、石腊熔化、试管消毒等。常用的恒温箱主要分为三类：高温恒温箱(高于60℃)；中温恒温箱(-10～60℃)；低温恒温箱(低于-1O℃)。
恒温箱的温度控制系统可分为人工调节和自动调节两种方式，人工调节是通过温度计进行测量后手动调节变压器，从而控制产生热量的大小；而自动调节往往通过热电偶传感器进行测温，输出电压值，经放大后加到电机上驱动电机来调节变压器，其优点是可以连续、实时、准确的来控制温度。基于单片机技术的温控器和可编程温度传感器相结合使用是目前恒温箱温度控制较为先进的一种方式。
单片机是一种集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统等部分于一体的器件，只需要外加电源和晶振就可实现对数字信息的处理和控制。如果能利用单片机进行温度的测量和控制，将会大大提高温度测量和控制的可靠性和灵活性。单片机对温度测量控制过程是借助于传感器、A/D转换器以及扩展接口和执行机构来进行的。在闭环型过程控制中，过程的实时参数由传感器和A/D转换器来实时采集，并由单片机自动记录、处理并控制执行机构动作来进行调节和控制。
关键词：恒温箱，单片机，AT89C52，A/D转换，温度传感器，DS18B20
一.系统的硬件设计
1.恒温箱控制系统框图
根据上面对工作流程的分析，系统可以分为以下几个功能模块：
(1) 键盘管理：监测键盘输入，接收温度预置，启动系统工作。
(2) 显示：显示设置温度及当前温度。
(3) 温度检测及温度值变换
(4) 温度控制：根据检测到的温度控制电炉工作。
(5) 报警：当预置温度或当前炉温越限时报警。
根据恒温箱控制器的功能要求，并结合对51系列单片机软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。所以采用AT89C52作为电路系统的控制核心。按键将设置好的温度值传给单片机，通过温度显示模块显示出来。初始温度设置好后，单片机开启输出控制模块，使电热器开始加热，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，同时关闭加热器。当自然冷却到设定温度50摄氏度以下时，单片机再次启动加热器，如此循环反复，以达到恒温控制的目的。
2.微处理器AT89C52
AT89C52单片机是一种低功耗、高性能内含8K字节闪电存储器的8位CMOS 微控制器，与工业标准MCS—51指令系列和引脚完全兼容有超强的加密功能，其片内闪电存储器的编程与擦除完全用电实现，数据不易挥发，编程/擦除速度快。如图所示：
AT89C52的引脚结构
它的主要特点有：
(1)内部程序存储器为电擦除可编程只读存储器EEPROM，容量8KB，内部数据存储器容量256B(不包括专用寄存器)，外部数据存储器寻址空间64KB，外部程序存储器寻址空间64KB；
(2)有三个16位的定时器/计数器；
(3)可利用两根I/O口线作为全双工的串行口，有四种工作方式，可通过编程选定；
(4)内部ROM中开辟了四个通用工作寄存器区，共32个通用寄存器，以适应多种中断或子程序嵌套的情况；
(5)内部有6个中断源，分为二个优先级，每个中断源优先级是可编程的；
(6)堆栈位置是可编程的，堆栈深度可达128字节；
3.温度传感器
采用数字温度传感器DS18B20，DS18B20提供九位温度读数，测量范围-55℃~125℃，采用独特1-WIRE 总线协议，只需一根口线即实现与MCU 的双向通讯，具有连接简单，高精度，高可靠性等特点。并且,DS18B20支持一主多从,若想实现多点测温,可方便扩展。
DS18B20的特点：
（1）独特的单线接口方式，与单片机通信只需一个引脚，DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
（2）在使用中不需要任何外围元件。
（3）可用数据线供电，电压范围：+3.0～+5.5 V。
（4）测温范围为-55～+125 ℃。在-10～+85℃范围内误差为0.5 ℃。
（5）通过编程可实现9～12位的数字读数方式。
（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。
