计算机控制课程设计-恒温箱控制系统设计.doc

成都理工大学工程技术学院计算机控制课程设计-恒温箱控制系统设计 系 别： 自动化工程系 专 业： 自动化 姓 名： wangqiang 学 号： 201220307114 指导老师： 2015年6月30日摘 要温度与生物的生活环境密切相关，不同的生物或物体对温度的要求都不同。随着智能控制技术不断的发展，在现代工业生产以及科学实验的许多场合，为了获取生物或物体所需求的温度，需要及时准确的获取温度信息，同时完成对温度的预期控制，这时候温度检测与控制系统就显得尤其的重要。因此，温度检测系统的设计与研究一直备受广大科研者重视。本次课题设计了一个低成本，高精度的恒温箱。该设计主要从硬件和软件两个方面出发：1） 在硬件上，选择stc15f2k60s2单片机为核心，并以pt100温度传感器作为温度检测仪器，采用lcd1602作为显示器，构成了一个恒温箱；2） 在软件上，设计了温度检测算法，并在c语言编程环境下，编写了相应的程序来实现所设计的算。3）但是由于温度调节的迟滞性以及设计上的不足，该系统具有一定的局限性。关键词： 温度检测；stc152k60s2单片机；恒温箱；c语言编程目录摘要1简介2 总体设计2.1箱体设计与安装2.2 硬件电路设计及仿真3软件设计3.1软件流程图及程序设计4实物调试4.1现象及结果分析5总结1 简介恒温箱作为一种常用而必备的器械已经广泛地渗入到生活、工业、农业、医疗等领域中，并发挥着不可替代的作用。用单片机对恒温箱的温度进行pid控制,控制改变过零比较后产生pwm波的幅值和周期,使晶闸管的通断时间不断改变,控制风扇的转速来降低恒温箱内的温度，最终使箱内的温度与预设定的温度相同，实现恒温。本次设计的温控箱主要用于实验演示，相对于实际的恒温系统差别不大，根据具体的需求可以添加不同的模块。2 总体设计首先构想整个过程设计：用木质板建立实际的密封的箱，购买制作箱体所需要的电器器件进行实物安装；用alt designer 控制电子器件的电路图，通过规则检测其合理性，然后按照电路图焊接电路板；之后，软件程序流程图构想，软件程序的编写。总体设计流程设计如图1。总体设计流程设计 图12.1箱体设计与安装恒温控制箱的箱体设计，根据所现有的材料进行设计。有直尺量取矩形板的长宽以及厚度，选用最小的来设计，来实现箱体的制作。实际尺寸为460*460mm的正方体温控箱。内置中心对称的白炽灯，尽量使温控箱内的受热均匀，在左右箱壁上正中插入两个圆孔，用于安装散热风扇。其风扇的安装方式是同一方向的吹风，即是一个向箱体内吹外界的温度风，一个向外界抽出去热风。接线的方式，主要是为了美观与控制方便的原则设计，将主要的控制电路以及整流电路放在箱体的被后面，在箱体的正前面主要安置控制开关器件。温控箱的三视图如图2。以及温控箱的立体模型图3。温控箱的三视图 图2温控箱立体图 图32.2 硬件电路设计及仿真硬件设计：选择stc15f2k60s2单片机，用pt100热敏电阻为温度传感器，使用lcd1602做显示器等。软件设计：用c语言编写计算检测的数据及要显示的数据程序，还要编写按键控制设定温度的程序。硬件与软件连接做成一个检测与控制的恒温箱。其主要功能是实时测量箱内的温度，并及时的显示。测量时，温度测量仪（温度传感器）的测量端放在恒温箱内部要测量的地方，实时监测箱内的温度。然后由温度变化引起变化信息传递给信号处理器，。将数据传给单片机，由单片机给温度信息做出反应。在控制面板上，可以设置需要的温度，如果温度高于设置的温度，则加大风速，恒温箱内温度就会下降。如果当时的温度低于设置的温度则降低风速装置并对恒温箱进行加热，温度开始上升。此外还设定安全灯，如果恒温箱出了差错即是当温度测量仪检测到温度低于设置温度10下限时，则第一个灯会亮。或温度测量仪检测到温度高于设置温度10时，则第二个灯会亮。恒温箱的电子硬件结构图3。电子硬件结构图42.3 放大器的选择与简介电路加放大器，是有些输入信号太小了，需要放大器放大很大倍数。lm358是适合于电池供电的低功耗器件，有两个独立的、高增益的、内部频率补偿的双运算放大器。两片lm358配合使用就能够将输入线圈的电流信号转换成双极性的电压信号输出，可以用于单片机控制的存储器中待机波形与实时采样波形数据的比较辨别。2.4 热电阻温度传感器热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的一种传感器温度计。在目前较为广泛应用的热电阻材料有铂、铜等。铂的使用范围一般是-200+850，铜的使用范围一般是-50150。我这次设计的是0800，所以选用铂作为的热敏电阻传感器。铂热电阻有pt100，pt250，pt1000等。对应于本次设计的要求，选择pt100作为热电阻传感器比较合适。pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。所以这次设计可以选用pt100。采用两线制两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。 2.5单片机外围电路正个外围电路图52.6 复位电路单片机的rst复位输入，当振荡器工作时，rst引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。复位有按键复位和高电平复位，高电平复位是通过复位端经电容（1022uf）与+5v电源连接，电容c的电压比较小，rst就为高电平。在电容c充电期间，rst引脚电位会逐渐减小，当rst的电位小于一定值时，cpu就会脱离复位。只要能保证rst的高电平持续时间大于2个机器周期就可以实现复位。rst的电位由r与单片机的内部电阻的分压决定的。按键复位电路如图6所示。复位电路 图62.7 液晶显示电路显示电路可分为数码管显示和液晶显示，本次设计采用lcd1602液晶显示，它可以分为共阳极和共阴极两种，电路如图7所示 图7液晶显示电路2.8 恒温箱硬件电路设计单片机在把数据输出给lcd液晶显示屏。按键控制的连线是按键key1key4分别接在单片机的p0.3-p0.6。按键的作用是按下key1后，表示要设定需要的温度。在按下key2是对第小数位的设定数。按key3是加1，按key4是减1。再按下key2键是向高位移一位（即是到了个位），在设定值。按第三次key2是到第十位设定。第四次按key2键是百位设定。在按下key2是对温度设定的正负号。刚开始设定的是正号，按key3的次数为单数则为正号，是双数为负号。按第五次key2键数显示出设定的温度。此后再按key2键就此循环。设定好了温度后就按key1键。再把设定好的温度给单片机。单片机会把检测到的温度跟设定的温度对比。如果检测到的温度高于设定的温度，就把自动调节风扇转速，如果检测到的温度低于于设定的温度就会丝自动降低风速，然后恒温箱的温度就会在设定值上下波动。当然还设置了报警灯了，单片机的p1.4接led1，p1.5接led2。如果恒温箱的温度低于设定的温度值20，则led1亮。如果恒温箱的温度高过20比设定的温度，则led2亮。如下是硬件设计图。单片机接线图 图8 按键电路 图9报警电路 图10放大电路 图11稳压电源图12串口电机接口电路 图133软件设计通过keil3建立程序工程，利用串口对程序进行下载，建立程序的整体框架。需要用到的温度检测的用ad转换功能的引脚，利用外界设计的参考电压进行线性化处理，是温度变化与电压变化线性度更加的好。再通过lcd1602液晶显示屏显示程序将需要显示的温度值与设定值显示，便于看到直观的温度。用pwm来控制风扇的转速，当温度较高时，温度高，斩波小，转速快，反之，斩波大，转速慢。来控制温度的流通，实现箱体内温度的控制，这是一个实时检测的闭环控制系统。3.1软件流程图及程序设计采集温度set开始温度检测ad转换程序初始化yy不做任何控制箱体温度控制控制风扇转速散热启动定时器对pwm刷新输出控制比较值大于set1nyy4实物调试将调试好的硬件电路与温控制箱安装好之后，继续调试其控制效果。4.1现象及结果分析根据实际实际的现象，热电阻的温度变化较为灵敏，但是线性化后的可调温度范围比较窄。选择了，窄的调温范围，精度好的可调的温度。同时，风扇的散热能力不及时，于是改进了，在控制风扇转的时候，通过继电器将控制箱内的灯关断，已到达实验的目的。能够控制在设定的温度。存在一个严重的问题，没有了照明，没有真正达到实验的正真目的，可以控制温度。5总结设计的方案要留一定的裕度来达到实际的实验要求，硬件电路制作不太成熟，任然需要继续提高，通过此次课程设计对实践有了更深的理解，并不是所有的设计都是一定能够达到要求的。软件编程的逻辑思维能力也有待提高，简化程序设计。附录 程序源#includedelay.h/ 函数: void delay_ms(unsigned char ms)/ 描述: 延时函数。/