恒温箱温度控制系统的设计

1、摘要在此次设计中，主要是设计一套能够精确控制温度的恒温箱温度控制系统。该系统能够实时、自动、准确的测量恒温箱内的温度，然后通过加热和降温将温度控制在设定的误差范围内。恒温箱在各个领域里都有很重要的意义，但其控制系统又较为复杂，基本上不可能用数学的方法建立准确的模型。当前是用经典控制和智能控制两种控制算法相结合的方式对温度进行高效的控制。我们采用STC12C5A60S2单片机作为核心控制器，温度测量采用数字温度传感器，使用PID控制，输出控制用量的调节用的是可控硅触发端的通断，从而实现对温度的控制。温度在一定范围内可以由人工调节，并能在环境温度降低时实现自动调整。这样将PID和单片机结合使用，可

2、以将整个控制系统的精度提高，将误差减小。PID算法是经典的控制算法,在实际的控制中有着很高的地位。PID算法相对简单，控制精度高。但是PID调节的参数无法适应系统很长时间，需要对参数不断的整定，以达到更好的控制效果。该算法最重要的是怎样合理有效的整定其参数，针对这种情况我们就要对其进行仿真建模，通过MATLAB找到更好的解决方法，以免浪费不必要的时间，有效的提高了设计效率，也使控制性能可以达到预期的效果。关键词：恒温箱；温度控制；MATLAB；PID第II页AbstractThispaperismainlytodesignasetoftemperaturecontrolsystemthatca

3、ncontrolthetemperatureofincubatorsprecisely.Thissystemiscapableinautomaticallyandaccuratelymeasuringthetemperatureinsidetheoveninreal-timeandcontrolthetemperaturewithinthesettingerrorrangebyheatingandcooling.Incubatorshaveaveryimportantsignificanceinvariousfields.Duetoitscomplicationinthecontrolsyst

4、em,basicallyitisimpossibletomathematicallyestablishamodeaccurately.Thecurrentusedalgorithmcontrolmethodistheclassicalcontrolmethodandintelligentcontrolmethod.Bycombiningthesetwoalgorithms,aneffectivecontrolonthetemperatureisachieved.STC12C5A60S2microcontrollerisusedasthecorecontroller.Thetemperature

5、measurementisdonebyusingPIDcontrolonthedigitaltemperaturesensor.TheamountofoutputiscontrolbyusingthetriggerofSCR,wherethetemperaturecontrolisachieved.Thetemperaturecanbeadjustedmanuallywithincertainrangeanditcanadjustautomaticallywhentheambienttemperaturedecreases.ThecombinationofusageofPIDandmicroc

6、ontrollercanincreasetheaccuracyofthecontrolsystemandthereforereducetheerrors.PIDisaclassicalalgorithmandcontrolalgorithms.Ithasaveryhighstatusintheactualcontrolsystem.ThePIDalgorithmisrelativelysimpleandhashighprecisionofcontrol.Butinordertoachieveabettercontroleffect,ThePIDparametersneedaconstanttu

7、ningandtheyareunabletoadaptinthesystemforalongertime.Thereforeisitimportantforfindingareasonableandeffectivetuningfortheparametersinwhichwehavetomodelingandstimulation.Inordertofindabettersolutionwithoutwastingmuchtime,MATLABisusedandthishaseffectivelyimprovethedesignefficiencyandthecontrolperforman

8、ceachievedthedesiredresults.Keywords:Incubators;Temperaturecontrol;MATLAB;PIDcontrol桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸目录目录摘要I.AbstractII引言11 绪论21.1 课题背景，目的和意义21.2国内外研究现状21.3发展方向31.4本章小结32 恒温箱温度控制系统的总体设计42.1 恒温箱温度控制系统设计的研究内容与基本要求42.1.1 恒温箱温度控制系统设计的研究内容42.1.2 恒温箱温度控制系统设计的基本要求42.2 恒温箱温度控制系统的基本工作原理42.3控制方案的选择52.3.1比例

9、控制（P）52.3.2比例积分控制（PI）62.3.3比例微分控制（PD）62.3.4比例积分微分控制（PID）72.4 PID的特点与参数的整定82.4.1PID调节器的特点82.4.2PID调节器参数的整定82.5 本章小结93 恒温箱温度控制系统的硬件电路的设计103.1 元器件的选择103.1.1温度传感器的选择103.1.2电线的选择103.1.3显示器的选择113.1.4稳压器的选择113.1.5按键的选择123.1.6加热负载控制器件的选择123.1.7核心控制器的选择133.2 单片机电路的设计133.3 显示电路的设计143.4 按键电路的设计153.5 报警电路的设计163

10、.6 稳压电路的设计163.7 过零检测电路173.8加热器件驱动电路183.8.1 光电耦合器介绍183.8.2可控硅介绍183.8.3可控硅驱动电路设计193.9热电偶信号处理电路203.9.1热电偶的基本工作原理203.9.2MAX6675的介绍203.9.3热电偶信号处理电路的设计213.10模拟样机硬件的制作223.11本章小结224 温度控制系统的软件设计234.1检测模块设计234.1.1按键模块程序设计234.1.2温度检测程序设计244.2控制模块程序设计244.3显示模块程序设计254.4PID程序设计264.5系统整体设计264.6模拟样机的软件设计274.7本章小结27

11、5 恒温箱温度控制系统的建模与仿真285.1 恒温箱温度控制系统的数学建模285.2控制系统的仿真28521 MATLAB的简介28522 Simulink的简介295.2.3PID控制及仿真295.3本章小结316总结326.1 结论326.2 心得体会32谢辞33参考文献34附录一模拟样机程序35附录二元器件清单38附录三模拟样机的温度控制系统的PCB图39桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第3页共38页引言恒温箱的应用非常广泛。其工作就是保持温度的恒定，从琐碎的日常生活到精准的科学研究；从能源、化工到医用、军事；从工业生产到农牧业的需要。可见，恒温箱无处不在。在当今社会，由于科技快

12、速进步，国家经济水平的高速发展，以及大众对恒温箱的需求的增长，所以就对恒温箱提出了更高的要求。不仅要控制的精度越来越高，还要经济实惠，更希望恒温箱有一个温度控制的范围，可以让用户自己设置自己所需温度，以满足不同用户的不同需求。一般的温度控制方法都是设定一个数值为温度的临界点，超过误差允许的范畴则要进行温度调控。本方法容易操作，价格适中，但结果不理想，控温精度不高，需要较长的时间才可以到达稳定点。因此，它只适用于对精度要求不高地方。本次毕业设计中，该系统的作用就是实现对温度的控制与监测。我们的核心控制器是单片机。用单片机进行PID计算，可以最大程度的展示软件的灵活性、且容易操作，可以让系统变得更

13、稳定一些。单片机是每个控制系统中不能缺少的重要组成部分，已广泛地应用于各个领域。能及时的处理数据，可以使系统在最佳状态下工作，并使控制精度整体提高。又因为单片机有功能强大，反应灵敏，尺寸小，能耗低，性价比高等优点，因此其市场占有率在日益增加。PID控制器原理相对容易一些，且适应性好，鲁棒性强。因为其P、I、D各自独立，研究工作者可以根据自己的需求来进行组合，整定PID的参数又相对简单。因此在众多领域里都有广泛的应用。1绪论1.1 课题背景，目的和意义随着社会不断发展，科技快速进步，以及恒温箱在诸多领域的应用，智能控制与经典控制相结合的控制方式已然成为温度控制系统的主流方向。温度在诸多领域里都是

14、极为重要的参数，但对其实现高精度的控制是有一定难度的，但温度又是一个和生活密不可分的实际问题。鉴于这是实际状况，所以设计恒温箱温度控制系统是有广阔的前景和实际意义。在日常生活中，可以用来保存食物；在工业中，可以保存工业原料以及对一些产品的测试，其控制效果的好坏会对产品有直接的影响；在农牧业中，可以育苗，可以饲养生物；在科研机构可以培养细胞；在生物研究中，可以为无菌试验创造有利的条件；某些高端电子设备的正常运行需要一定的温度环境。这些都是恒温箱在各个领域里发挥的作用。由此可见，恒温箱有着举足轻重的地位。在当今大环境下，市场与技术息息相关，同时技术在开发产品方面又起着决定性的作用。如今有关恒温箱温

15、度控制的产品，成为大家研究开发的热点。随着科技的日益发展，单片机技术越来越成熟，覆盖范围也越来越广。并且以单片机为核心的控制系统可以克服控制系统的容量滞后问题，这就让控制系统的精度得到了的改善。其良好的控制效果也对安全高效的生产、环保事业、经济的稳步发展起到了十分显著的作用。因为温度控制系统的普遍性，温度传感器的种类也在随着它的发展而不停的增加，以此来满足越来越多元化的需求。本设计的内容是恒温箱温度控制系统，温度是控制目标。无论在生活中还是工业中，温度控制系统都被广阔采用，例如在发酵箱、工业产品检测、无菌实验环境都需要温度控制。所以本次毕业设计的目的是设计一种恒温箱温度控制系统，在价格较低的前

16、提下，争取实现控制精度高，实时性好等功能。1.2国内外研究现状随着科学技术的不断发展，恒温箱温度控制被广泛应用到各个领域，获得了社会各界的认可。在不同的情况下，由于被控对象的差异、期望效果、经济等因素，需要根据实际状况设计系统的结构和功能，使系统达到最优控制。其中，恒温箱温度控制系统在工、商业中是一个重要的研究对象。从上世纪70年代开始，国外就已经开始研究温度控制系统了。到了80年代后期，因为工业发展的需求，尤其是微电子、计算机技术的快速成熟，还有设计方法的发展等一系列因素的推动下，国外的温度控制系统发展迅猛。智能化等在科技中也有较大的成就。当下，一些技术成熟的大国已经实现了自动化，可以生产出

17、性能良好的商品。现如今，国外的温度控制系统正在向着全自动，无人化方面前进。我国开始研究温度控制系统是在上世纪80年代。对于控制有难度的温度控制系统的技术，国内的技术水平还不是很成熟。尽管在国内的诸多行业中都普遍的应用温度控制系统，但是从技术层面来讲，整体发展水平有限，与技术先进的国家比较，我们依旧存在着很大的差距。国内温度控制系统的发展水平距实现工厂化还有很长的一段路要走。在我们实际生产的过程中，还存在着很多问题，这需要我们更加努力的去研究。温度是一个大家被所熟知且十分重要的过程变量，很多的物理，化学过程都会受到它的直接影响。恒温箱温度控制系统被广泛的应用到各个行业中，因为参数多变，滞后等问题

18、，所以对调节器的要求比较高。如果温度控制的效果不好也许就会引起生产安全，产品产量等很多的问题。由此可见，温度控制十分重要，但在这过程中会碰到一些意料之外的困难。这就要求我们全身心的投入其中，解决所有的问题。1.3 发展方向现如今，温度控制系统正在以一匹黑马的姿态在全球范围内快速的发展，在这方面的研究中，国外的技术已经相当成熟了。但是，我国也是近几年才出现了一些精度比较高的温度控制系统的产品，但是价格偏高。所以如何生产出可靠性高，控制精度高，生产成本低的恒温箱是我们要重点研究的。1.4 本章小结该章节是论文的开篇概述，详细的描述了此题目的背景、目的及意义；介绍了恒温箱温度控制系统国内外的现状以及

19、发展方向。阐述了恒温箱温度控制系统市场的需求，利用PID控制和单片机可以将恒温箱温度控制系统的性能有所提高。对下文做研究提供了一定的方法。桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第4页共38页2恒温箱温度控制系统的总体设计2.1恒温箱温度控制系统设计的研究内容与基本要求2.1.1恒温箱温度控制系统设计的研究内容恒温箱在农牧业、医疗、科研和食品生产加工等领域有广泛的应用。这些领域对温度的稳定性要求很高。恒温箱温度控制系统的核心问题就是精准的控制温度。当下，测量装置普遍采用温度传感器采集温度，但是在一般的环境中，温度会被其他的外界因素影响，而且难以校准。由此可见，温度是一个很难准确测量的一个参数。

20、用一般方法检测的话测量误差大、测量时滞长。目前，恒温箱温度的智能控制主要用单片机来实现。2.1.2恒温箱温度控制系统设计的基本要求设计恒温箱温度控制系统，规定一个误差所允许的范围，并能在环境温度下降时能够实现可以自动调整，以保持温度不变。具体要求如下：(1) 恒温箱电热温度控制系统的输入电源为单相220V，电加热额定功率5kW。(2) 测温范围在室温至200C，精度在1C以内。(3) 恒温箱对加热电源电流的传递函数为1.2e18.4s，采用PID调节器设计恒温箱电热温度控制系统；选择单片机作为控制器。2.2恒温箱温度控制系统的基本工作原理现对该系统的原理进行介绍，控制原理图如图2-1所示。图2

21、-1系统原理框图桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第8页共38页温度控制系统是一个过程控制系统。对于该系统来说，单片机是其核心。开始时，我们会通过按键设置我们想要的温度值，并将其传送到单片机中，然后会在LCD1602上显示出来。当温度的规定值设置完成后，单片机就会启动输出控制模块，使加热模块开始工作，与此同时，LCD1602会同步显示温度传感器采集到的温度，一旦温度传感器采集到的温度达到了我们设定的温度上限，这时，声光报警开始工作：即发出声音。同时，加热模块停止工作。不加热的时候，温度值一定会变小，当温度值下降到超过误差所允许的范围时，单片机将会再一次启动加热模块，让它继续加热到我们最初

22、的设定值。这样的循环往复，便达到了恒温箱温度控制的目的2.3 控制方案的选择虽然不同形式的控制器，它的结构和工作原理不同，但按照经典控制理论，基本的控制规则有且只有3种：P调节、I调节、D调节。这些控制规则可单独使用，但是更多的地方采用的是组合的形式。例如：比例调节、比例积分调节和比例积分微分调节1。不同的控制规则适应不用的生产要求。要选用合适的控制规则，就应该先了解控制规则的特点和适用条件。根据工艺指标的要求，结合具体对象特性，才可以做出最正确的选择。2.3.1比例控制（P）比例控制独自作用于系统时也可称该控制为“有差控制”。这时，只要输入的被调量偏离其给定值，调节器便会立即做出相应的控制作

23、用，偏差的大小决定着输出信号的大小。在实际生产中，应根据具体的情况来确定比例度的大小。如果比例度取得过大，则系统的抗干扰性能就会变弱，所以会导致控制作用不明显，甚至系微乎其微。系统的余差过大，控制效果不好，也就谈不上控制作用了。相反，比例度过小，控制作用会变强，这样就会使得系统的超调量变大，从而使控制系统稳定性变差，易引发振荡。若遇到的被控对象反应迅速，放大倍数比较大的，选用的比例度就要小一些，这样可以增加系统的稳定性，提高控制精度。反之，就要选择比例度较大的，这样的话，不仅可以增加系统的灵敏度，而且还可以使得系统的余差减小。由于比例控制单独作用时，存在着一些弊端，比如：抗干扰能力差、波动范围

24、过大等缺陷，所以它只适合运用在一些特定的对象上，比如在扰动小、滞后较小、负荷变化不明显、允许被控对象在某个范围中变化的场合使用。这种控制规律被广泛的应用在工业中。2.3.2比例积分控制（PI）如果某一系统单独使用比例调节时，只要系统有偏差出现，调节器便会立即做出反应，通过调节后使偏差减小。假如系统中不存在偏差，那么其的输出就为零。所以，如果只是用比例调节，就不可能实现无静差调节。要消除静差，最好的方法就是采用积分控制器，因为它对偏差有积分作用2。积分调节器的优势在于只要系统有偏差存在，其调节作用就不会间断，直到消除偏差为止。当偏差被消除后，由积分控制器的特点可知输出将会停留在新的位置，所以才能

25、保持偏差为零。虽然积分作用可以消除余差，但是其缺点是动作过于迟缓，因为它有着一定的积分时间，不能马上对被控量的细小变化做出反应。如果我们调节静态准确度，由于积分不能马上做出反应，就会让调节的动态品质变坏。所以一般情况下不会单独使用积分调节，总是把它和比例结合在一起使用。这样就构成了比例积分控制。这样二者兼容，取长补短，就可以把比例作用的及时性和积分作用消除静差的优点结合起来了。所以PI控制可以达到比较理想的控制效果。比例积分调节是当下应用范畴比较大的调节器。一般在液位、流量等系统中使用。因为积分作用可以消除静差，可以将比例控制的缺陷掩盖，达到良好的控制效果。但是在一些特定的情况下，积分作用可能

26、会让系统的稳定性变差，就比如，如果某系统存在惯性滞后的现象，就尽可能的不要选择PI控制。2.3.3比例微分控制（PD）对于有时间滞后控制系统来说，比例积分控制也许无法达到预期的效果。对“时间滞后”作进一步的解释，也就是：当被控变量受到外界的干扰，被控变量没有马上做出反应，而是有一定的延时。例如容量滞后，此时的PI控制就表现的迟缓，不灵敏。由此，可以设想的是：能不能有一个按照偏差的变化走向，使其做出相对的控制动作呢?就好像经验丰富的工作人员，既可以按照偏差的大小来调整比例作用，又可以按照偏差变化的速度来估计可能会出现的状况，提前做控制工作。这就是微分控制的特点：即具有超前调节作用。输入误差的变化

27、率决定了微分调节器输出的大小。微分输出和偏差的变化速度是正比例关系，而且微分输出与偏差的其他因素均无关系。假如有一个固定不变的偏差，不管其数值的大小，只要没有变化，微分输出肯定为零。假如某系统中微分时间为零，则微分作用就没有存在的必要了。因此，我们要根据实际需要去选择微分时间。除此之外，微分控制系统作为一种比较有效的控制，它有着自己一些优点：首先，微分控制执行的速度很快，比起其他的控制方法来，所花的时间都要少很多；其次，它还具有超前的调节功能，所以，采用微分控制可以有效的改善被控制对象有比较大的时间延迟的作用。同时，微分控制也是有着自己的局限性，比如，它不能有效的消除余差，而且更糟糕的是，它对

28、于那种偏差是恒定的输入量来说，压根就没有控制作用。所以正是因为微分控制的这个致命的局限性，我们在选择控制方法的时候，不能单一的选择微分控制来使用。正是因为微分控制有局限性，不能单一的运用，与之相比之下，比例控制和微分控制的结合，作用和效果就比较可观了。首先它们的运行速度是高速的，比之单独的比例或者微分作用都要快上很多，一般都能达到几倍以上，这样就可以使得系统执行的效率高上很多，特别是对于那些容量滞后的被控对象来说，就有着很大的改善作用，它可以很有效的控制偏差，使之幅度减少，使得系统的实用性都得到很大的提高。同时，比例微分的结合，大大缩短了控制的时间，所以它更能精准快速的采集被控量的变化，以达到

29、实时监控、精准控制的目的，使得控制系统的控制质量得到显著的提高。2.3.4比例积分微分控制（PID）比例积分微分控制是一种实用性很强、控制性能最为理想的控制规律。PID控制集合了比例、积分、微分控制这三者的优点，简单来说，就是PID控制既具备了比例控制的迅速和及时，还具有积分控制的消除余差的能力，又有微分控制的超前调节功能，是三者结合的产物，弥补了比例积分控制、比例微分控制的短板，所以PID控制在现实生活应用中应用很广泛，在工程实际中也是备受青睐。当输入的偏差量出现阶跃变化时，微分环节就会马上做出反应，目的是抑制这种偏差跃变。与此同时，比例环节也会对这种偏差进行抑制作用，以达到抑制偏差的目的，

30、因为比例环节的快速反应，还能起到令系统更加稳定的作用；当微分环节和比例环节作用之后，会产生比较大的余差，这时候积分环节就会开始作用，将余差给克服掉。所以这三种控制规律的充分结合，会使控制效果达到最佳。在控制系统的发展历程中,PID控制是一种经久不衰、生产使用性最高的控制规律。与我们工程实际密切相关，是工程设计中经常要用到的调节控制规律。当选择合适的作用参数，也就是要比例参数、积分参数和微分参数设计得当，就可以使三者的优点充分结合，使得系统的控制效果更加理想。综上所述，可以看出PID调节器集三者之长于一身，所以本次设计要采用PID调节器。它的本质就是将输入的数据按照函数关系来计算。其结构如图2-

31、2所示：桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第8页共38页其数学模型如式2-2所示：u(t)=Kpe(t)+詁；e(t)d(t)+TD普(2-1)其中比例系数、片一积分系数、TD微分系数。其传递函数的表达式如式2-2所示：GC(S)=Kp(*訝+TdS(2-2)2.4 PID的特点与参数的整定2.4.1PID调节器的特点在工程实际中，最为大家认可的就是PID调节，即比例一积分一微分控制。PID控制器以结构相对简单、可靠性强、易调节等特点在工业控制中有着十分重要的地位。尤其是被控对象的结构和参数不可以被完全掌控，或者不能建立精准的数学模型，其他的技术控制理论也难以使用，控制器只能用经验和现场

32、调试来解决时，PID算法是最简便的。2.4.2PID调节器参数的整定PID调节器参数的整定是整个控制系统的最为关键的内容。它是依照被控过程的性能特点来确认PID调节器的各项参数的大小。PID调节器的参数的整定总的来说可以分为两种：一种是理论计算整定，它包括了：桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第13页共38页（1）稳定边界法又被称为临界比例度法。当一个比例调节系统的被调量为等幅振荡时，根据经验可以求出该调节器的参数。这种方法在下面两种情况下不宜采用：一种是临界比例度过小，对生产工艺不利或不容许；另一种是工艺上要求的条件较为严苛时，等幅振荡将影响生产的安全。（2）反应曲线法用该方法整定调节

33、器的参数应先测定对象的动态特性，即飞升特性。根据该特性曲线找出某几个可以有代表性的参数，之后就可以用这几个数据整定出调节器最佳参数。（3）衰减曲线法被调量偏离工作点不大，不需要把调节系统推进到稳定的边界，也可以求出比例度，因而比较安全，易操作。但是这几种方法都要依靠数学模型，经过计算才可以准确的得出控制器的参数。即使计算出准确的参数，也还是有可能不可以直接用的，一定要经过工程实际来调整修改。另一种是工程整定方法：它靠的是工程经验，可以在控制系统试验中直接进行。而且方法简便、易操作，广泛应用于各种实际工程中。2.5 本章小结本章主要介绍了本次设计的内容，设计的主要要求。并且对控制整定方法进行了较

34、为详细的分析和比较，选出最佳的控制方案，同时阐述了该方案的特点以及如何整定其参数的方法。3恒温箱温度控制系统的硬件电路的设计3.1 元器件的选择3.1.1 温度传感器的选择（1）DS18B20温度传感器该传感器尺寸小、性价比高、精度高。它是单线接口：即仅需一条口线与MCU相连。电源可以用来总线提供。其测温范围是-55C+125C，精度为土0.5C。（2）热电阻温度传感器它可以分为两类，一类是金属热电阻：它要用一种电阻温度系数和电阻率大而稳定的、易于加工的金属制作（铂、铜）。测温范围是-200C+850C。尽管其测温范围较大，但是其尺寸大，价格高。另一类是半导体热敏电阻：它又可以分为正温度系数（

35、PTC）、负温度系数（NTC）和突变型负温度系数（CTR）传感器。它们的优点是灵敏度好、体积小。但线性度较差，只要电流过大就会自热。假如把它放到高热中，那就是永久性的毁坏了。（3）热电偶温度传感器制作该种传感器的金属材料应满足物理、化学性能稳定；热电动势高，导电率高电阻温度系数小。其测温范围是-200C+1300C。其工作方式与热电阻相似。但是热电偶的复现性好，易于批量生产。综上所述，在本次毕业设计中，我们采用的是热电偶温度传感器。它的优点是：结构相对简单，测温范围符合要求、精度高。其输出信号是电信号这就为远传或信号转换奠定了好的基础。3.1.2电线的选择本次设计中，要求恒温箱电热温度控制系统

36、的输入电源为单相220V,电加热额定功率5kW。所以电流约为22.72A。一般情况下，铜线每平方毫米按46A的载流量来计算。那么，我们选用4mm2的铜线即可。但是如果选择4mm2铜线，在正常情况下的电流就基本上达到了其载流量的上限，一旦有突发状况发生，就可能会产生危险。所以，为保证安全，我们选择电线的时候应该把余量留的稍大一些，即使遇到突发状况也能保证安全。因国际标准没有5mm2的电线，所以我们选择6mm2的电线为最佳选择。3.1.3显示器的选择（1）数码管显示数码管按照几个8的显示可以分为1位数码管、2位数码管等，平时我们使用的一般是八段数码管。如何控制数码管显示出我们所需要的东西，就是要控

37、制其每段的亮或灭，如在并行口上输入11111001，数码管就显示出“1”的字样，控制数码管显示的方法相对简单，但缺陷也是显而易见的，数码管的显示的内容很单一。而且数码管的消耗还是很大的。（2）LCD1602它是字符型的液晶显示器。显示数字、英文字符、符号等比较方便。它可以显示32个字符。这也就解释了1602的意思：即16（列）*02（行）。LCD1602比数码管好上不少，需要的电压低、耗电量小，控制简单等都是LCD的优点。LCD比数码管好的多的地方在于LCD1602内部是有一个字符发生储存器的，所以显示功能格外的强大。像数码管要在并行口有输入值才可完成数码管的显示，但是LCD1602就不用这么

38、麻烦，因为LCD1602可以读懂ASCII码，所以赋值就可完成LCD1602的显示。总的来说，LCD1602虽然价钱上比数码管贵上一些，但是LCD1602显示功能强大。（3）LCD12864它是点阵图形液晶显示器。与LCD1602相比较，它的优势在于可以显示简体中文，还可以显示图形。相通的地方就是编程方面差不多，原理也相差不大，但是它的价格就比LCD1602贵很多，这样就会导致成产成本的增加。在实际生产中，生产成本是一个关键的因素，又因为恒温箱的显示用不到图形或者文字，所以综合考虑，除显示外，其他功能相差不大的情况下，还是选择LCD1602更合适，性价比更高。这样既满足了实际生产的要求，又可以

39、使该设计有一个相对来说比较不错的设计效果。3.1.4稳压器的选择（1）LM7805是常用的三端稳压器。应用广泛。该芯片的内部有保护电路。输出较为稳定的直流电压，适用范围广，可靠性强，价格便宜。在使用7805时，只需要在输出端放置一个电容即可：该电容的作用是滤波。（2）LM2596是开关型稳压集成芯片。其内部含有集成频率补偿器、固定频率发生器，开关的频率为150KHz。输出线性好，效率高。满足大电流要求，最大输出电流为3A。结合上面所描述的，在本次设计中，我们采用LM7805就可以实现了。因为用到稳压器的地方是给单片机供电的稳压电路，没有过大功率。因此LM7805可以满足电路要求。3.1.5 按

40、键的选择（1）独立按键凡是单片机构成的控制系统及自动化仪器中，多数都在用的就是独立按键。该按键具有控制简单编程容易等优势；但是一旦按键数量过多，就需要占用很多的I/O口，这是其不可避免的缺点。（2）矩阵式键盘该键盘适用于按键数量较多的地方，其内部纵横交错，形成N个小四边方形。四边形的顶点则是按键的位置所在。4*4的矩阵式键盘就能形成一个16按键的键盘。显而易见的，如果某系统需要的按键数目较多，则就需要用矩阵式键盘了。它与独立按键比较，可以节省I/O接口。由以上介绍可知我们这次设计要选择独立按键。因为恒温箱温度控制系统用到的按键数量比较少，且独立按键相对于矩阵式键盘来说，编程相对简单、价格低廉，

41、可以节约生产成本。3.1.6 加热负载控制器件的选择（1）可控硅整流元件又可以称其为晶闸管，它是一类功率较大且比较常用的半导体器件。它尺寸小、结构相对简单、功能强大等。在电子设备、产品的电路中都有它的身影存在，大多数的情况下用作可控整流。在某些电路中会有交流电的无触点控制，这项功能就是靠可控硅来实现的。用继电器控制时可能会有火花产生，但可控硅就不会出现这样的现象。并且可控硅的灵敏性好、可靠性高。它的缺点就是发热严重、成本高、容量小、相对于继电器来说较难控制。（2）继电器是一种电控制器件。一般会用在自动化控制回路中，它实际上就是用弱电去控制强电的一种“自动开关”。所以继电器在电路中有着调节功能、

42、保护电路、转换电路等作用。继电器技术成熟，可靠性高；触点的容量比较大，价格便宜，基本没有功耗，与可控硅相比，发热小很多。继电器的缺点就是打开或关断时会有涌流现象。由于灵敏度不高，反应迟缓，不可能在精准的开断控制电路当中应用，比如移相调压等。所以，在恒温箱温度控制系统的设计中我们要用到移相调压，所以我们选用的是可控硅整流器件。虽然其价格略高，但是它可以体积小，符合设计所需；灵敏度高，可以让测量出的温度更加准确。3.1.7核心控制器的选择（1）AT89C51单片机：AT89C51是带4K字节的FLASH存储器；它是ATEL生产的功能强大，电压低的单片机。内部是一个有4Kbytes大的Flash可编

43、程存储器，还有256RAM，但其不具备ISP功能。该单片机共有40个引脚，包括主电源引脚VCC,GND；时钟电路引脚XTAL1，XTAL2；和控制引脚RST/VPD，ALE/PROG，PSEN，EA/VPP；32个I/O口。内部具有2个16位定时/计数器和一个串口中断，定时器/计数器有3中工作模式，分别由内部特殊功能寄存器控制。（2）STC12C5A60S2单片机STC系列的单片机是高速、功耗小、抗干扰能力强的8051单片机，是由宏晶科技生产的。它可以完全兼容以前的8051单片机，但反应速度是以前的8051的812倍STC系列单片机片上含有1280bytesRAM。它共有4个16位定时器/计数

44、器、A/D转换共有8路，这8路还都是10位精度的；它拥有双串行通道，用户可以根据自己的需求选择使用内部的R/C振荡器还是外部的晶体/时钟。通过上面分析，STC12C5A60S2系列单片机功能完全兼容8051系列单片机，其成本较低，所以我们选用STC12C5A60S2系列单片机作为核心控制器。3.2单片机电路的设计（1）复位电路的设计对于单片机系统来说，复位电路的作用就是让其内部的程序从最初开始执行。当单片机的复位引脚处有2us以上高电平时，单片机即可复位。复位电路用一独立按键然后并联一个的电容，接着再串联一个的电阻，就可实现上电复位和手动复位。其原理是：当上电后，相当于电阻给电容充电，那么现在

45、的电容就与导线无异，则刚开始上电时可以保持RST引脚为高电平，选择相应的电容就能使RST引脚的高电平持续时间大于2us，从而实现复位。同时，设计的独立按键的作用就是通过按下按键，可以RST引脚的高电平拉倒VDD，系统将会复位。放手后，电压又会被拉到低电平，系统就继续正常工作了。其电路图如3-1所示：桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第14页共38页图3-1复位电路图(2)振荡电路设计在单片机运行过程中，它需要一个时钟信号让其正常工作。在时钟信号控制下的单片机会十分有秩序的按指令操作。精准、稳定的时钟信号是可以让单片机正常工作的基础。单片机上，XTAL1引脚为反向振荡放大器的输入端，XTA

46、L2是内部时钟工作电路的输入端。在这要在两个引脚上面接晶振，在分别接入一个合适的电容接地。在此次毕设中，我们选择的是30PF的电容，并且在设计电路时，要让电容尽可能的让两个电容靠近晶振，两个电容的作用就是去耦合，同时使振荡器振荡的稳定性增加。由此可以看出电容的大小会对振荡器的稳定性、快速性振动有影响。电路图如3-2所示：C13bKVXTALI吨旧CM宇爲zH1MCUXTAL230pF图3-2振荡电路3.3显示电路的设计在显示部分，我们选用的是LCD1602字符型的液晶显示器。主要功能特性如表3-1所示：表3-1LCD1602基本特性列表3.3V或5V工作电压，对比度可调有80字节显示数据存储器

47、DDRAM内含复位电路内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM提供各类控制的命令，比如字符闪烁、清屏、移位、光标闪烁等多种功能显示8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第18页共38页LCD1602用于显示温度控制系统的实时温度和目标温度。其电路图如3-3所示:-.TO仇Ti.L却H211*%二LEEM5LIDEK占Ll?DDOLCDmEL5D2勺vcvlsiJtWE现DIDeDjD4D5r:i12d.nFBLAWCBLKC-It二叵jLCDDtii3LCIhDTij图3-4按键电路图3-3LCD1602电路图如图，通过并行操作方式

48、来控制。通过STC12C5A60S2单片机的P0.5、P0.6、P0.7来控制RS引脚、RW引脚和EN引脚。用P2控制并行数据口，以此来实现数据和命令的写入。我们还要通过一个10K的滑阻来调节液晶显示的对比度。3.4按键电路的设计经过上文的比较分析，本次设计采用独立按键来实现人机交互。其工作原理为：单片机上电工作后，将与按键相连的单片机I/O口调整到高电平。按下按键，与该按键相应的I/O口的电平被拉低，此时单片机能检测到低电平，以此判断是哪个按键被按下。通过程序控制，可以实现按键对目标温度的调节，来达到设置适宜温度的目的。这次我们使用的按键都是机械弹性按键，随着按键的断开与闭合，因为是机械触点

49、的原因，一个按键在闭合时不可能会马上接合，断开是如此，断开时也不可能马上断开。所以按键在闭合好断开的那一瞬间会伴有抖动，抖动对系统影响十分严重。若不及时消除抖动，每按下按键一次，系统检测到的按下次数就不会是一次，由于这样的原因，在设计程序时，3.5报警电路的设计报警模块采用有源蜂鸣器来实现，利用蜂鸣器的声响来实现报警功能。当模块被触动时，发出声音来报警。其电路图如3-5所示：VW取XTO5VGNTJ图3-5报警电路如图，当单片机上电后，单片机通过P3.4管脚对蜂鸣器进行控制，其中1K的电阻在基极为限流的作用。若没有此电阻，单片机为低电平时，PN节正向偏置，电流直接流入其中，也许会使单片机烧毁。

50、接在5V电源上的电阻为上拉电阻，其作用是提高该电路的稳定性。因为当单片机输出高电平时，单片机可能会出现误触发或者瞬间的低电平的状态，此时的上拉电阻就可以把基集的电压稳定在5V,保证了该电路的稳定性。再来说蜂鸣器，当MCU的P3.4为低电平时，三极管会被导通，电流从发射极流过集电极后进入电蜂鸣器，这样就会发出声音。相反，MCU的P3.4为高电平时，蜂鸣器不会发出声音。3.6稳压电路的设计该电路由变压、整流、滤波、LM7805稳压后输出5V直流电压。MCU控制系统、报警电路、按键电路等的电源都是该电路提供的。其原理图如3-6所示：图3-6稳压电路其原理是：市电经过变压器后变成9V的交流低压，然后再

51、通过整流电路和滤波电容（在该电路中，滤波电容由电解电容和独石电容组成，电解电容将电路中的低频信号除掉；独石电容将电路中的高频信号除掉。的整流和滤波。在三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成稳定性不是特别高的直流电压。前面形成的不怎么稳定的直流电压通过LM7805的稳压和C4的滤波就可以在稳压电源的输出端输出精度高、稳定性高的直流电压。图中的D3为发光二极管，即电源指示灯。其工作电流是5mA20mA，它的光亮的程度与电流是正比的关系，D3的压降大概是1.1V。220V的市电经一系列的变化后的输出的电压为5V，若取电流为8mA,那么电阻的阻值为式3-1所示：R=5V11v=0.55K（3-

52、1）7mA取R=510Q,电流值为式3-2：/=5V1-1V=7.6mA（3-2）510Q通过计算可知：1=7.6mA20mA，符合设计要求。3.7过零检测电路过零检测指的是在交流系统中,当波形从正向往负向转换过零点时，系统有相应的反应。由此可知，应在何时给可控硅的门级发出触发脉冲信号。零点电压触发晶闸管的通和断可以降低晶闸管的通断损耗。它可以让晶闸管的损耗降到最低，从而可以延长晶闸管寿命。其原理图如3-7所示：图3-7过零检测电路其原理是：所谓的过零检测就是每过一次零点就检测一次。是通过全桥整流电路将输入电压的负电压翻转，频率是之前的两倍。当电压在零点时，光耦的发射端将不导通，所以光耦的接收

53、端处于截止状态。此时，输出信号是高电平，然后再由三极管整形。根据原理图3-8可知当三极管的基级为高电平时,它才可以导通，因此集电极输出低电平；相反就会输出高电平。220V的市电经过30K,2W的电阻后，电流变为IN4007可以承受的电流值，经整流后，输出脉冲信号。选用30K,2W的电阻是因为光电耦合器发射端二极管导通压降约为1.8V,3mA，而直接把发光二极管点亮的交流电有效值是220V,所以，大约串联60K的电阻，才不会使发光二极管烧坏。之所以用了两个30K，是起到差分作用，这样也比较安全。因为两个30k电阻在220V的电压下，功率约为1.6W，一般功率电阻的原则是至少取工作功率的2倍，由于

54、是两个电阻，所以选了2W（总功率4W，大于1.6的2倍）。3.8加热器件驱动电路3.8.1光电耦合器介绍加热器件为220VAC单相交流电负载，而单片机驱动为5VDC直流电；为了实现两者之间的联系，保证系统的安全性，且实现强电对操作者不构成危害，控制系统跟驱动电路需要隔离，常用为光电耦合器及变压器隔离。这里选择光电耦合器作为电路的隔离器件，完全适合用在可控硅隔离电路上。用作可控硅驱动的光电耦合器又称光电隔离触发器，分为过零触发和非过零触发，过零触发型为当开启光耦时需要经过零点才能触发导通，该型号光耦只适合用作普通的控制开关电路中，如果用在PWM驱动电路中因为只能在零点触发，周期及占空比都不可调，

55、因此不适合。常用型号为MOC3041和MOC3061；非过零触发为只要开启光耦即可触发导通，因为是即时触发，因此不仅能作为普通开关的控制器件还可作为PWM调节控制器件，常用型号为MOC3021。光电隔离触发器内部结构图如图3-8所示：ANrE冃ND图3-8光电隔离触发器内部结构JANTERM3.8.2可控硅介绍可控硅又称晶闸管，是一种广泛应用于各种电子产品及设备中的无触点开关器件，是日常生活中消费产品中不可或缺的器件。它由三个PN结的四层结构构成的大功率半导体器件。分为单向晶闸管和双向晶闸管两种类型，单向可控硅触发后只能从阳极向阴桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第19页共38页极单方向

56、导通，双向可控硅不存在导通方向之分。在控制极关闭的情况下，可控硅阳极跟阴极之间外加的是交流电或者脉冲直流电时，在电压过零点时晶闸管会自行关闭。利用晶闸管这特有的特点，在PWM调节电路中能够安全可靠的实现调节。3.8.3可控硅驱动电路设计根据光电耦合器的特性知，单片机需要控制光耦的发射端，然后通过光耦的接收端控制可控硅的导通与截止。光耦的发射端可作为发光二极管处理，阳极接电源5VDC中间再加一个限流电阻，防止直接导通电流过大烧毁光耦及单片机。根据资料可知发射端的最大电流为60mA,导通压降为1.2V，去电流为10mA，限流电阻为式3-3：R=512V=3800(3-3)10mA阴极直接与单片机的

57、控制端口连接，当单片机输出高电平时发射端之间不存在电压差，处于截止状态，当单片机输出低电平时光耦发射端存在电压差，处于导通状态。光耦的接收端可作为一个触发器处理，两端分别与可控硅的控制极及阴极连接，中间增加一个4700限流电阻。当光耦的发射端处于截止状态时，接收端也处于截止状态；当发射端处于工作状态时，接收端接收到发射端的信号后进入工作状态，驱动可控硅进入导ANODEMAINTEniCATHODENCNCMAINTEniKKJC3021U2X-1CUP弗2T2Z5ZIR1422K2WJ22R1?E347QR图3-9加热负载驱动电路通状态。在PWM调节中在关闭瞬间存在反向冲击电压，在电路中增加一个电阻和电容串联与