恒温箱控制系统的设计毕业设计

1、恒温育种箱的设计与制作 摘 要在日常生活、工业生产和实验室中电热恒温箱的应用随处可以见到。在生活中我们保存食物用到恒温箱，工业生产中一些生产原料的保存用到恒温箱，实验室里，特别是生物的培育实验室，恒温箱的应用更是普遍。在本设计中，我们针对培养箱而设计的一个恒温系统，在系统里，通过对恒温箱温度的检测与变送传到单片机，与给定值进行比较，单片机对数据进行处理，根据偏差信号的大小输出驱动PWM输出，通过改变PWM输出的周期和幅值，控制发热丝的功率，从而达到恒温箱内温度控制的目的。本设计的单片机为51系列，对数据进行采集、比较、处理与输出，PWM通过单片机的脉冲输出，通过光电隔离输入放大电路对发热丝进行

2、加温，直接对箱子温度进行提升，最终达到控制温度的目的。关键词：单片机；PWM；数字PID控制目 录第一章 绪论1第二章 总体方案设计22.1 方案一22.2 方案二3第三章 单元模块设计43.1数字温控芯片DS18B20介绍43.1.1 DS18B20的内部结构53.1.2 DS18B20的外形及引脚说明73.1.3 DS18B20温度传感器的存储器83.1.4 DS18B20的特性103.1.5 DS18B20工作原理113.1.6 DS18B20使用中注意事项133.2 预置数153.2.1 拨码盘介绍153.3 时钟163.4 复位电路173.5 LED显示183.6 加热电路193.6

3、.1 ULN2003介绍203.6.2 IGBT管介绍20第四章 PID控制214.1 PID控制原理214.2 PID控制系统框图214.3 PID算法22第五章 单片机软件的设计255.1 总体软件设计流程图25参考文献27附 录28第一章 绪论恒定温度的设备，被广泛地应用于生产、生活、实验等领域。在医用、水产、特种工业、工业探伤、照相等行业，都需要有稳定而精确的温度。在本设计中，我们针对培养箱而设计的一个恒温系统，在系统里，通过对恒温箱温度的检测与变送传到单片机，与给定值进行比较，单片机对数据进行处理，根据偏差信号的大小输出驱动PWM输出，通过改变PWM输出的周期和幅值，控制发热丝的功率

4、，从而达到恒温箱内温度控制的目的。本设计是对恒温箱进行的温度控制。从箱内温度的检测、变换到信号的转换和传送这一系列的过程都牵扯到很多的知识，在设计过程中我们也遇到很多困难，比如说温度测量器件的选用，变换成电压信号还是电流信号，相应的怎么传送等，都经过了考虑才选择了这个方案。单片机的设计中，单片机外部线路的设计，端口的分配和选用，复位和内部时钟的配合和电路的驱动等方面也遇到了不少问题，经过讨论我们都基本上解决了。加热电路我们选择了IGBT作为开关器件，IGBT可控而且开关频率很高，适合用在控制频繁通断的场合。这里利用芯片DS18B20作为恒温箱的温度检测元件。DS18B20芯片可以直接把测量的温

5、度值变换成单片机可以读取的标准电压信号。单片机从外部设置两位拨码开关进行预置数，读入的数据与预置数进行比较，根据偏差的大小，单片机执行程序对PWM进行控制，经过对PWM的输出脉冲进行放大，也就是对恒温箱内电阻丝的驱动，对恒温箱进行加热，使箱内温度升高，热电偶连续对恒温箱进行温度检测，当偏差存在时单片机就继续驱动后继电路进行加热，直到偏差为零。 第二章 总体方案设计2.1 方案一 图2.1利用热电偶作为恒温箱的温度检测元件，应用桥式电路对热电偶作为补偿。热电偶出来的电流信号通过转换变成电压信号，再进行A/D转换变换成单片机可以接受的电压信号，在从单片机读入进行数据处理。单片机从外部设置两位拨码开

6、关进行预置数，读入的数据与预置数进行比较，根据偏差的大小，单片机执行程序对PWM进行控制，经过对PWM的输出脉冲进行放大，也就是对恒温箱内电阻丝的驱动，对恒温箱进行加热，使箱内温度升高，热电偶连续对恒温箱进行温度检测，当偏差存在时单片机就继续驱动后继电路进行加热，直到偏差为零。在控制过程中，存在着检测信号与控制信号之间的滞后关系，因此，在单片机的控制程序里加入了数字PID控制算法，是控制更加的准确。单片机的设计包括外部时钟和上电复位电路计。单片机对温度的检测可以通过两个LED进行显示。2.2 方案二 图2.2方案一：用的是热电偶进行温度的测量，热电偶的测量范围和精度要求都符合本设计的需要，在不

7、同的环境下所需要的补偿是不一样的，而且输入单片机要进行模数转换,增加了转换电路即增加了成本,转换还需要时间,那往往就给控制带来了很多麻烦，而且给恒温巷的使用带来一定的局限性，使保温箱不能得到推广，给厂家大批量的生产也带来了很多不便。线性化的处理往往是应用热电偶的约束。而在方案二中，应用的是测量温度的专用芯片，避免了上述的一些问题，而且应用方案二的芯片使测量的灵敏度增加不少。在方案一中，热电偶测量出来的信号是电流信号，电流信号适合远距离传输，而到单片机的距离不大，电流信号容易受外界的干扰而影响了测量信号，导致测量的误差增加，就算可以用其他方法消除干扰信号，也麻烦。而在方案二中，测量出来的是电压信

8、号，能直接输入单片机，方便而且准确，不容易受外界干扰。在方案一中，需要进行电流电压的转换，在经过A/D转换，在经过标准化处理才能的到标准的数字电压向输入单片机，而方案二中却可以直接输入。综上所述：方案二比方案一有更大的优越性，而且方案二只用一个芯片就可以达到目的，而方案一却要经过多个步骤，从经济角度看，方案二更加经济实惠，且使用性强。因此这个设计决定起用方案二来进行综合设计。第三章 单元模块设计 图3.13.1数字温控芯片DS18B20介绍在本设计中，选用的是温度测量的专用芯片DS18B20。DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20为新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济。DA

9、LLAS半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总接独特而且经济的特点，是用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的建构引入全新的概念。DS18B20、DS1822“一线总线”数字化温度传感器同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-50+125,在-10+85范围内，精度为0.5。DS1822的精度较差为2。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测量类消费电子产品等。与前一代产品不同，新产品支持3v5.5v的电压范围，使系

10、统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。DS18B20、DS1822的特性DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出色！DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。省略可存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM， 精度降低为2，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的、经济

11、的测温系统。3.1.1 DS18B20的内部结构1、DS18B20内部结构主要由四个部分组成：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。光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校检码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为

12、例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。 表3.1 bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0LS Byte232221202(-1)2(-2)2(-3)2(-4) bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8MS ByteSSSSS262524这是12位转化后得到的12位数据,存储在18B20的两个比特的RAM中,二进制中的前面5位符号,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

13、需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度.例如+125的数字输出为07D0H,+25.0625的数字输出为0191H,-25.0625的数字输出为FF6FH,-55的数字输出为FC90H.表3.2TEMPERATUREDIGITAL OUTPUT(Binary)DIGITAL OUTPUT(Hex)+1250000 0111 1101 000007D0h+85*0000 0101 0101 00000550h+25.06250000 0001 1001 00010191h+10.1250000 0000 1010 001000A2h+0.50000 0000 0000 10000008h

14、00000 0000 0000 00000000h-0.51111 1111 1111 1000FFF8h-10.1251111 1111 0101 1110FF5Eh-25.06251111 1110 0110 1111FE6Fh-551111 1100 1001 0000FC90h*The power-on reset value of the temperature register is +853.1.2 DS18B20的外形及引脚说明外形如图所示。图3.21（GND）：地2（DQ）：单线运用的数据输入输出引脚3（VDD）：可选的电源引脚3、DS18B20内部结构DS18B20的内部结

15、构如图3所示。图3.33.1.3 DS18B20温度传感器的存储器DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器.暂存存储器包含了8个连续字节,前两个字节是测得的温度信息,第一个字节的内容是温度的低八位,第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝,第五个字节是结构寄存的易失性拷贝,这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节。表3.3DS1820暂存寄存器分布 寄存器内容 字节地址 温度最低的数字位 0温度最高的数字位

16、 1高温限值 2低温限值 3保留 4保留 5计数剩余值 6每度计数值 7 CRC校验 8 该字节各位的意义如下:TM R1 R0 1 1 1 1 1低五位一直都是1,TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式,在DS18B20出厂时该设置为0,用户不要去改动.R1和R0用来设置分辨率,如下表所示(DS18B20出厂时被设置为12位)表3.4分辨率设置R1R0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms根据DS18B20的通讯协议,主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤:每一次读写之前都要对DS18

17、B20进行复位,复位成功后发送一条ROM指令,最后发送RAM指令,这样才能对DS18B20进行预定的操作.复位要求主CPU将数据线下拉500微秒,然后释放, DS18B20收到信号后等待1660微秒左右,后发出60240微秒的存在低脉冲,主CPU收到此信号表示复位成功.表3.5指令约定代码功能读ROM33H读DS1820ROM中的编码(即读64位地址)符合ROM55H发出此命令之后,接着发出64位ROM编码,访问单线总线上与该编码相对应的DS1820使之作出响应,为下一步对该DS1820的读写作准备搜索ROM0F0H用于确定挂接在同一条总线上DS1820的个数和识别64位ROM地址,为操作各器

18、件作好准备跳过ROM0CCH忽略64位ROM地址,直接向DS1820发温度变换指令,适用于单片工作.告警搜索命令0ECH执行后,只有温度超过设定值上限或下限的片子才作出响应.表3.6指令约定代码功能温度变换44H启动DS1820进行温度转换,转换时间最长为500ms(典型为200ms),结果存入内部9字节RAM中读暂存器0BEH读内部RAM中9字节的内容写暂存器4EH发出向内部RAM的第3,4字节写上,下限温度数据命令,紧跟该命令之后,是传输两字节数据.复制暂存器48H将RAM中的第3,4字内容复制到EEPRAM中.重调EEPRAM0B8H将EEPRAM中内容恢复到RAM中的第3,4字节.读供

19、电方式0B4H读DS18B20的供电模式,寄生供电时DS18B20发送“0”，外接电源供电，DS18B20发送“1”3.1.4 DS18B20的特性DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度，存储在EEPROM，掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出色！DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本，省略了存储用户定义报警温度，分辨率参数的EEPROM，精度降低为2。适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。 表3.7型号工作电压分辨率精

20、度EEPROM软件兼容性封装采集模块DS18B203.05.5V912位0.5有与DS1820部分兼容SOIC，TO-92LTM-8000系列表3.8特性指标序号项目指标1温度传感器DS18B20数字温度传感器2温度精度0.5（-10+85范围内）3测温范围-55+1254温度分辨率12位（0.0625）5测温速度750ms（12位分辨率）6电源要求3V5.5V7通讯电缆三芯屏蔽电缆8支持通讯电缆长度300m9运行环境-55+12510外型尺寸6mm11材质不锈钢3.1.5 DS18B20工作原理DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同,只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且

21、温度转换时的延时时间由2s减为750ms。DS18B20的读写时序如下：PROCWRITEWRITE:MOVR2,#8CLRCWR1:CLRDQMOVR7,#6DJNZR7,$RRCAMOVDQ,CMOVR7,#23DJNZR7,$SETBDQNOPDJNZR2,WR1SETBDQRET;读一个字节,出口:A=读入的字节PROCDREADDREAD:MOVR2,#8READL:CLRCSETBDQNOPNOPCLRDQNOPNOPNOPSETBDQ;产生时间片MOVR7,#7DJNZR7,$MOVC,DQMOVR7,#23DJNZR7,$RRCADJNZR2,READLRET 图3.4 DS1

22、8B20工作流程图 图3.5 DS18B20读写时序图3.1.6 DS18B20使用中注意事项DS18B20虽然具有测温系统简单，测温精度高，连接方便，占用口线少等优点，但实际应用中也应注意以下几方面的问题：3.1.6.1 较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送。因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格地保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M，C等高级语言进行系统程序设计时，对DS18B20操作部分最好采用汇编语言实现。3.1.6.2在DS18B20的有关资料中，均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可

23、以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并未如此。当单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时，要加以注意。3.1.6.3 连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的，试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50米时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150米。当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成地。因此，在使用DS18B20进行长距离测温系统设计时，要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。3.1.6.4在DS18

24、B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一但某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行DS18B20硬件连接和软件设计时也要给以一定的重视。3.2 预置数输入预置数由两个十进制拨码开关来完成，如图7。每一个拨码开关有四位，由0000到1111，取其中的0000到1010就可以实现十进制中0到10的设定，两个就可以构成两位的输入，就可以实现0到100的置数。图3.63.2.1 拨码盘介绍由于BCD拨码盘方便、直观、实用、易于操作等优点，被广泛应用于参数设定的监测仪表，机械机床等

25、设备上，具有很大的应用空间。图3.2.1为拨码盘的内部原理图，1、2、4、8四个端子为数据端，com为公共端，当拨码盘窗口显示的数值不为零时，其数据线将有一位或几位与com端接通。例如：当拨码盘输出为5时，1、4与com端接通。图3.7 BCD拨码盘内部原理图 读拨码盘流程图：开 始选中十位拨码盘，屏蔽个位拨码盘读BCD值大于9？存BCD值结 束 N Y 图3.8 读拨码盘流程图3.3 时钟时钟电路用于产生单片机工作时所需的时钟信号。单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证同步工作方式的实现，单片机应该在唯一的时钟信号控制下工作，严格按照时序执行指令进行工作，而时序所研究的是指令执行中各个

26、信号的关系。时钟是单片机的心脏，单片机的各功能部件的运行都是以时钟频率为基础，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式。单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该增益反相放大器的输入端为X1，输出引脚为X2。着两个引脚跨接晶振和微调电阻，就构成一个稳定的自激振荡器。图8是单片机内部时钟方式的振荡电路。图3.9电路中的电容典型选择通常是30pF左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容值的大小会影响振荡频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶体的振荡频率通常为1.2MHz12MHz之间。晶体的频率越高，则系统的时钟频率也越

27、高，单片机的运行速度也就越快。但运行越快对存储器的速度要求就越高，对电路板的工艺要求也就更高，即要求线间的寄生电容要小，晶体和电容应该尽量安装在单片机附近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性，应该采用温度稳定性能好的NPO高频电容。3.4 复位电路本设计用的是手动复位电路中的按键电平复位电路。通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现。如图3.4所示。图3.103.5 LED显示单片机对数据进行处理后通过LED进行显示。LED接成共阴，因为显示的温度只有两位，因此只用两个LES就可以满足要求，同时考虑的LED的扩流电路。LED各管脚如图3.5所示，接单片机的P0

28、口和P2口。 图3.11图3.113.6 加热电路如图3.6所示。图3.12交流220V电压通过芯片整流、滤波后得到一个标准的直流电压，此时，二极管无法导通。当单片机把温度信号读进去后，与给定值进行比较，当偏差存在的时候，单片机通过串口T XD输出一个脉冲，出来后进行光电管进行信号隔离，再输入驱动芯片ULN2003，驱动IGBT，使加热回路导通，这样，箱内温度就得到增加。此时单片机继续从温度检测芯片那里读数据，加热到当偏差为零时，脉冲变低，加热回路停止工作。3.6.1 ULN2003介绍ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿管组成。 该电路的特点如下： ULN200

29、3 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路 直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。 ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行. 多数单片机的I/O口都是漏级开漏的方式，只能提供拉电流，也就是说在设置其为高电平的时候其实是高阻状态，所以要加上拉电阻以确定I/O口的逻辑状态（高电位）。引脚功能图如下 图3.133.6.2 IGBT管介绍 IGBT（绝缘栅双极晶体管）作为新型电力半导体场控自关断器件，集功率MOSFET的高速性能与双极性

30、器件的低电阻于一体，具有输入阻抗高，电压控制功耗低,控制电路简单,耐高压，承受电流大等特性，在各种电力变换中获得极广泛的应用。主要参数：耐压600V 开关频率 1KHZ极限电流 1KA 第四章 PID控制4.1 PID控制原理 通过输入通道将温度传感器DS18B20采集到的被控对象当前温度转变为数字量并输入到单片机中，单片机求出输入的当前温度值与设定值的偏差，并根据该偏差进行PID运算，最后，根据PID运算的结果由单片机输出控制数字信号经过光电隔离，经驱动芯片ULN2003驱动控制晶闸管整流电路，控制恒温箱加热。本设计分两个阶段:(1)自由升温阶段控制.在这个阶段,希望升温越快越好.所以,控制

31、上只要让电热丝以最大的功率加热也就是单片机输出脉冲的最大值.在这个过程中,不断测温,当预设温度与实际测量的温度之差小于等于10度时进入控温阶段.(2)控温阶段.恒温箱这个控制对象属于带纯滞后的惯性环节,所以采用PID控制.根据给定的参数设置.编写增量式PID算法子程序等.4.2 PID控制系统框图 微机系统PID 控制程序DS18B20 恒温箱光电隔离ULN2003驱动整流电路 图4.1 PID控制系统框图4.3 PID算法增量式算法中,输出量与执行的变化量相对应,即是前后两次采样所计算的位置差值,其算式为:u(n)=u(n)-u(n-1)在此就不详细板书了,详细式子请见附录.4.3.1中断子

32、程序流程如下图所示,它的作用是判断是否进入控温阶段,若已进入控温阶段,则调用PID算法子程序,否则输出最大脉冲,使晶闸管整流器以全功率加热.开 始调温度采样子程序存储温度值偏差10?输出最大值调PID算法输出脉冲输出最大脉冲返 回YN图4.2中断子程序流程图 4.3.2增量式PID算法的程序流程图如下图所示,计算u(n)时只需要现时刻以及以前的两个偏差值e(n)、e(n-1) 、e(n-2),初始化程序置初值e(n-1)=e(n-2)=0,由中断服务对过程变量进行采样,并根据参数计算出u(n).开 始计算e(n)计算a0e(n)计算a1e(n-1)计算a0e(n)+a1e(n-1)计算a2e(n-2)计算u(n)更新e(n-1),e(n-2)返 回 图4.3PID算法子程序第五章 单片机软件的设计5.1 总体软件设计流程图