恒温箱控制系统设计

摘要恒温箱主要是用来控制温度,它为农业研究、生物技术测试提供所需要的各种环境模拟条件，因此可广泛适用于药物、纺织、食品加工等无菌试验、稳定性检查以及工业产品的原料性能、产品包装、产品寿命等测试。

恒温箱供科研机关及医院作细菌培养之用;也可以作育种、发酵以及大型养殖孵化等用途。

恒温箱控制系统能够自动温度控制、人工干预温度控制、远程温度控制等多功能的高性能装置。

可以形成规模化和产业化，大范围的应用到现代化工业生产。

本论文结合工厂中如何实现恒温箱控制，讨论大多数工业生产情况下对恒温箱中的温度进行有效控制的方法。

因此采用以单片机为基础的恒温箱控制系统，单片机系统包括89C52处理器、扩展存储器27512及6264，并行接口芯片8255、8253、ADC0809、8279、掉电保护和复位以及看门狗电路等。

具体方法是使用铂锗-铂热电偶进行温度数据采集，经过放大和滤波电路进行A/D转换，转换后的值再根据标准分度表转换成温度值，同时显示出来。

并且通过CAN总线传输控制参数。

关键词: 单片机恒温箱热电偶CAN总线目录第一章绪论 (1)1.1温度控制方法发展现状 (1)1.2本文研究的意义 (3)第二章系统的结构 (5)2.1硬件选择 (5)2.1.1处理器AT89552 (5)2.1.2存储器 (6)2.1.3 A/D转换器ADC0809 (6)2.1.4定时计数器8253 (6)2.1.5可编程并行I/O接口芯片82C55A (6)2.1.6热电偶 (7)2.1.7 LED显示结构 (7)2.1.8可编程键盘8279/显示器接口元件 (7)2.1.9掉电保护电路 (8)2.1.10复位电路 (9)2.1.11看门狗电路 (9)2.1.12固态继电器 (9) (14)第四章测温数据采集与处理 (16)4.1概述 (16)4.2电路基本原理 (17)4.2.1信号放大及滤波电路 (18)4.2.2热电偶冷端补偿电路 (20)4.2.3电路放大倍数的测量 (24)4.2.4电路放大倍数的拟合 (26)4.3数据处理 (27)4.3.1数字量分度表的求出 (27)4.3.2热电偶的热电势随温度的变化规律 (28)4.4 PID控制技术的理论分析 (28)4.4.1PID控制技术原理 (29)4.4.2温控系统PID控制的调节过程 (29)第五章系统软件设计 (29)5.1系统整体程序设计 (29)5.2数字滤波子程序 (30)5.2.1算术平均滤波程序 (31)5.2.2滑动平均值滤波程序 (31)5.2.3程序判断滤波 (31)5.2.4中值滤波 (32)5.3 A/D转换子程序 (33)5.4延时子程序DELAY (33)5.5二进制转十进制子程序BCDCH (33)5.6越限报替子程序 (35)5.7显示子程序 (35)5.8 8255并行口子程序 (36)5.9 PID子程序 (36)第六章总结 (36)第一章绪论恒温箱是在一定的温度下，用以饲养或培养生物或生物的一部分（细胞等）的箱型器具。

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℃)。

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；在科学实验上，可产生恒温环境用于各种细菌培养等；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。

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。

因此，单片机广泛用于现代工业控制中。

控制具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点，因此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。

因此需要对单片机进行扩展和开发，来形成整个单片机温度控制系统。

并且通过CAN总线传输控制参数。

1.1温度控制方法发展现状最近十年来，在温度控制方法上有了快速的发展。

己从传统的直接控制转变成PID控制、模糊控制、神经网络控制和遗传算法等控制方法。

1.PID控制即比例、积分、微分控制。

这种控制由于其结构简单、实用、价格低，在广泛的过程领域内可以实现满意的控制，所以应用极其广泛, 尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。

该方法通过温控系统将热电偶实时采集的温度值与设定值比较，差值作为PID功能块的输入。

PID控制算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制参数，利用修改控制变量误差的方法实现闭环控制，使控制过程连续。

2.人工神经网络是当前主要的、也是重要的一种人工智能技术，是一种采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。

它用大量简单的处理单元广泛连接形成各种复杂网络，拓扑结构算法各异，其中误差反向传播算法(即BP算法)应用最为广泛。

3.模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法，主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。

它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象.。

5.遗传算法是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的全局优化搜索算法。

它将生物进化过程中适者生存规则与群体内部染色体的随机信息交换机制相结合，通过正确的编码机制和适应度函数的选择来操作称为染色体的二进制串1或0。

引入了如繁殖交叉和变异等方法在所求解的问题空间上进行全局的并行的随机的搜索优化，朝全局最优方向收敛。

基于遗传算法温控系统的设计就是传感器得到的温度信号放大，数字化送入单片机，单片机将其与给定温度进行比较，用遗传算法来优化3个PID参数，然后将控制量输出。

1.PID控制即比例、积分、微分控制。

这种控制由于其结构简单、实用、价格低、鲁棒性好和可靠性高，在广泛的过程领域内可以实现满意的控制，所以应1.2本文研究的意义通过单片机来控制的恒温箱促进了生产过程自动化。

而生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、改善劳动条件、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段。

采用温度控制系统来控制温度对企业具有重要的意义:1.降低劳动强度，改善劳动条件。

采用单片机系统后，不再需要工人不停的对恒温箱进行检查。

2.提高控制精度。

单片机可以对温度进行实时的控制，降低温度加热的滞后性，以此提高加热的精度。

3.提高工作效率，降低成本，采用单片机系统控制可以更快的达到恒温控制的效果，提高工作效率、节省能源、降低成本。

4.提高企业对可控制电加热技术的应用水平，锻炼企业技术人员的开发、应用能力。

第二章系统的硬件结构。

2.1系统的总体结构及描述根据恒温箱的要求本系统采用89C52作为系统的处理器，通过扩展RAM、ROM、8253、8255、A/D转换电路、热电偶、加热器件、以及CAN总线构成完整的系统。

整体结构如图1.1。

图中由A/D转换器构成输入通道，用于转换从炉内采集的温度信号。

其中，数据采集电路将热电偶信号(温度信号)变为电压信号输出，再经放大电路将电压信号变为0—5V标准电压信号，以供A/D转换用。

转换后的数字量通过PID调节纠正误差，从而达到对电阻炉的温度精确控制。

炉温的初始值由键盘输入，计算出所需要的控制量送给8253，由8253送至固态继电器，通过固态继电器的导通，同时利用CAN协议转换芯片SJA 1000对温度数据进行格式转换，经CAN驱动82C250送到CAN总线上传输,从而控制加热电器的加热工作。

图2.1系统总体结构2.2单片机及定时复位单元2.2.1微处理器AT89C52AT89C52单片机是最新的一种低功耗、高性能内含SK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，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SKB，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；(7)内部有一个由直接可寻址位组成的布尔处理机，在指令系统中包含了一个指令子集，专用于对布尔处理机的各位进行各种布尔处理，特别适用于控制目的和解决逻辑问题。

图2.2 89C52其引脚结构2.2.2看门狗X5045组成定时复位电路由于单片机自身的抗干扰能力较差，在工作环境较恶劣的场合，很容易造成单片机因外界干扰导致“死机”现象，造成系统不能正常工作。

设置“看门狗”电路是防止单片机系统死机，提高单片机系统抗干扰能力的一条重要途径。

此处选用XICOR公司的专用可编程芯片X5045作为看门狗，引脚见图3.3。

X5045带512B(4Kbits)的E2PROM，具有四种常用功能:上电复位、看门狗定时器、电源电压监控和存储器块锁(Block Lock)保护。

定时时间通过软件可选择:200ms, 600ms和1.41 us。

工作时在程序的适当位置定时安排一条“喂狗”指令，要求其时间间隔小于图2.2系统电路原理图X5045的预置间隔，这样只要系统死机或程序“跑飞”，X5045会自动发出溢出脉冲，使单片机复位，从头开始执行程序。

由于单片机没有SPI接口，在硬件上要利用I/O口线通过软件来产生SPI接口协议的操作时序，X5045与单片机的连接见图2.2图2.3 X504引脚图温度数据采集与处理222热电偶传感器广义来讲，一切随温度变化而物体性质亦发生变化的物质均可作为温度传感器，但是一般能真正能作为实际中可使用的温度传感器的物体一般需要具备下述条件:1）物体的特性随温度的变化有较大的变化，且该变化量易于测量;2）对温度的变化有较好的一一对应关系，即对出温度外其它物理量的变化不敏感;3）性能误差及老化小、重复性好、尺寸小;4）有较强的耐机械、化学及热作用等特点;5）与被检测的温度范围和精度相适应;6）价格适宜;符合上述条件的一般有热电偶、热电阻、光辐射温度计、玻璃温度计、半导体集成温度传感器等。