恒温制冷系统

-.z.1绪论1.1课题背景中国是工业生产大国，尤其是在电子产品方面，近几年来，随着人们生活水平的不断提高，智能化的电器也逐渐进入人们的视野。尤其对制冷恒温系统的电器更加供不应求。一直以来各个电子公司投入大量人力财力以便能研制出更平安方便的制冷恒温的家电产品。而现在所用的产品也产生了诸如漏电环保等一系列问题。所以对产品的改进和智能化设计是大势所趋。1.2课题前景在市场日益标准的今天，如何在现有技术上实现新的突破，是个厂家都在思考的问题。而平安问题则是个厂家考虑的重中之重。由于商业的原因，各厂家不愿意放弃在平安问题上的炒作和宣传。此外，控制技术是另一个开展方向，目前在控制技术上，主要的方向是大人机界面的人性化设计和网络化控制技术等方面，集中在更方便的操作多种可选控制方式各类预约技术和质登记以技术上，并采用大人机界面来时操作更容易。另一个开展方向是节能设计，应该说，节能技术是未来电气开展的重点，在注重环保以及能源日益紧*的今天，对家电产品的节能要求会越来越严格，对于各种家电来说，如何节能不仅对于有效降低用户的使用费用有益，而且对于能源日益紧*的大环境也是必需的。1.3课题研究的目的及意义设计出一款经济可靠，准确实现控制的制冷恒温电路。1、准确调温使温度到达所要求的温度2、利用PID算法进展温度控制，PID空只能是温度快速平稳准确的到达设定温度。3、利用单片机控制，即到达较好的效果，又降低了价格。2总体方案设计设计就是根据题目的要求而对硬件和软件进展规划，并选择最适宜的硬件电路和软件程序来到达目的。硬件设计是通过对设计要求的分析，对各种元器件的了解，而得出分立元件与集成块跌*些连接方法，以到达设计的功能要求。它包括对各种元器件的功能和揭露的了解，以及对各种元器件的选择和设计方案的选择。软件设计师分析设计的硬件用程序实现其功能，并且调试优化产品功能。2.1设计要求本课题是制作一款基于单片机控制的制冷恒温系统，使其能快速稳定的到达所要求的温度，以表达其所其具有的优势。要求温度传感器激战换电路与自动调节电路单片机输入输出接口电路以及显示模块的设计，其中的难点是实现PID控制温度。2.2方案设计方案设计的总体思路如下：首先通过温度传感器采集温度，原设定的温度进展比拟，如果温度小于设定值就自动调节温度使温度到达所设定的值。而当前的温度测通过LED数码管显示出来。当水温高于设定值时则自动调节温度使其到达所需的温度。所以得出单片机是该单路的核心，包括测温模块调温模块LED显示模块和输出电路等模块组成。其系统模块框图见2.1系统模块框图。温度设定温度测量温度设定温度测量单片机单片机数码管显示数码管显示2.1系统模块框图1、温度测定电路，采用温度传感器来测量温度2、单片机，是整个电路的控制核心，实现PID模糊控制3、数码管显示，单片机通过动态扫描方式输出并利用数码管显示温度。基于以上模块设计出了电路的根本构造图，如继电器驱动恒温系统单片机给定2.2系统构造图。继电器驱动恒温系统单片机给定温度传感器温度传感器2.2系统构造图构造图中以单片机为核心进展系统设计，通过单片机对偏差进展PID运算，输出占空比可变的PWM波形，即通过调节功率即可到达充值温度恒定的目的。3硬件设计3.1主板模块设计主板模块主要实现的功能是：分析处理温度传感器检测到的值，并与设定值比拟，有固化的PID程序计算出固态继电器的控制信号，如果测得的温度不在设定值范围内，单片机要做出相应的措施。以保证系统的平安运行。同时还要对数码管进展扫描，以实现实时数据的显示。为了更好的实现上述功能，本电路采用AT89C51单片机为核心进展控制。下面就AT89C51进展介绍。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器〔PEROM〕和128bytes的随机存取数据存储器〔RAM〕，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器〔CPU〕和Flash存储单元，功能强大。AT89C51单片机可为你提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。一、主要性能参数：PDIP11402393384375366357348339321031113012291328142715261625172418231922202124k字节可重擦写Flash闪存存储器P1.0VCC31000次擦写周期P1.1P0.0(AD0)4全静态操作：0Hz-24MHzP1.2P0.1(AD1)5三级加密程序存储器P1.3P0.2(AD2)6128×8字节内部RAMP1.4P0.3(AD3)732个可编程I/O口线P1.5P0.4(AD4)82个16位定时/计数器P1.6P0.5(AD5)96个中断源P1.7P0.6(AD6)10可编程串行UART通道RSTP0.7(AD7)11低功耗空闲和掉电模式(R*D)P3.0EA/VPP(T*D)P3.1ALE/PROG(INTO)P3.2PSEN〔INT1)P3.3P2.7(A15)(T0)P3.4P2.6(A14)(T1)P3.5P2.5(A13)(WR)P3.6P2.4(A12)(RD)P3.7P2.3(A11)*TAL1P2.2(A10)*TAL2P2.1(A9)GNDP2.0(A8)3.1引脚分布二、功能特性概述：AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断构造，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时AT89C51可降至0Hz静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停顿CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM的内容，但振荡器停顿工作并制止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。三、引脚功能说明：Vcc：电源电压GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写"1〞可作为高阻抗输入端用。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的缓冲输出级可驱动〔吸收或输出电流〕4个TTL逻辑门电路。对端口写"1〞，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可做输入口。做输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，*个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流〔IIL〕。P2口：P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的缓冲输出级可驱动〔吸收或输出电流〕4个TTL逻辑门电路。对端口写"1〞，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可做输入口。做输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，*个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流〔IIL〕。P3口：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的缓冲输出级可驱动〔吸收或输出电流〕4个TTL逻辑门电路。对P3口入写"1〞，他们被内部的上拉电阻拉高并可做为输入端口。做输入口使用时，被拉低的P3口将用上拉电阻输出电流〔IIL〕。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可使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE〔地址锁存允许〕输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每次访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。PSEN：系统储存允许〔PSEN〕输出是外部程序存储器的读选通讯号，当AT89C51由外部程序存储器取指令〔或数据〕时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU访问外部程序存储器〔0000H-FFFFH〕，EA必须保持低电平〔接地〕。*TAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。*TAL2：振荡器反相放大器的输出端。四、时钟振荡器AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚*TAL1和*TAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反应元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器.C2*TAL2*TAL1C1GND3．2振荡电路3.2温度模块温度模块是硬件模块非常重要的一个模块，温度检测主要任务是监测系统的采样温度，并通过相应的转换，把系统的温度转换成单片机能处理的数信号。3.2.有DALLAS半导体公司生产的DS18B20型单线智能温度传感器，属于新一代智能温度传感器，可广泛用于工业民用军事等领域的温度测量及控制仪器测温系统和大型设备中。它具有体积小姐前方便传输距离远等特点。特征：独特的单线接口仅需一个端口引脚进展通讯每个器件有唯一的64位的序列号存储在内部存储器中简单的多点分布式测温应用无需外部部件可通过数据线供电，供电范围为3.0v到5.5v测温范围为-55℃～+125在－10℃～＋85℃范围内准确度为温度及分辨率可以被使用者选择为9～12位应用包括温度控制工业系统消费品温度计或任何热感测系统引脚排列DALLASDALLAS18B20123NCNCNCNCVdoNCDQGNDS-pin150-milSOIC(DS18B20)GNDDQVDO123123(BOTTOMVIEW)TO-92(DS18B20)3.3DS18B20引脚排布测温工作DS18B20的核心功能是他的直接读数字的温度传感器，温度传感器的精度为用户可编程的9、10、11或12位。分别以0.5℃，0.25℃，0.125℃，0.625Bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0232221202-12-22-32-4Bit15bit14bit13bit12bit11bit10bit9bit8SSSSS262524表3.1温度存放器格式表3.2温度/数据关系温度℃数据输出〔二进制〕数据输出〔十六进制〕+125000001111101000007D0h+8500000101010100000550h+25.062500000001100100010191h+10.125000000001010001000A2h+0.500000000000010000008h000000000000000000000h-0.51111111111111000FFF8h-10.1251111111101011110FF5Eh-25.06251111111001101111FE6Eh-551111110010010000FC90h3.3显示模块现在驱动LED数码管采用单片机设计电路，但发现一些显示〔LED数码管〕电路设计复杂，没有充分利用单片机的电器特点、没有采用"硬件软化〞地方法。直接用单片机的8为数据口作为数码管的8段显示驱动口。这种显示方式虽然简便，电路也最简单，但现实的数位很少〔只有4位〕。但已经满足此次设计要求，所以选用此方式。3.LED数码管是由多个发光二极管封装在一起组成"8〞字型的器件，因现已在内部连接完成，只需引出他们的各个笔画，公共电极。LED数码管常用段数一般为7段，有的另加一个小数点，还有一种类似与三位"+1〞型，位数有半位，1,2,3,4,5,6,8,10位等等......LED数码管根据LED的解法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性队变成是很重要的。LED数码管广泛应用于仪表、时钟、车站、家电等场合。选用时要注意产品的尺寸、颜色、功耗、亮度、波长等。3.4继电器及驱动电路的设计继电器用来控制电热丝加热的开端，在电路中有非常重要的作用，充值电路图如下列图，用于在闭环控制系统中对被控对象实施控制，采用对所加电压进展同短的方法进展控制，从而到达对温度控制的目的。可采用W171DIP-21继电器。VCCR9300J7121234R7Q21212349013100R5W171DIP-21OUT1K图3.4W171DIP-21及其驱动电路3.5电源及其他电路的设计在以上硬件根底上本系统的硬件已经根本能到达本次系统设计的要求，为了便于调试和方便扩展，本次设计参加了几个发光二极管以指示系统的工作状态，具体电路如图3.5所示。VCCLED1R2P2.1LED2R3P2.2LED3R4P2.3VccvccJ1vccJ2vccJ3121212C111212121042POWERPOWERPOWER图3.5电源及指示灯电路4软件设计4.1测温子程序开场开场初始化DS18B20初始化DS18B20启动测温启动测温读取12位2进制数据读取12位2进制数据12位数据双8位别离12位数据双8位别离10进制温度显示10进制温度显示图4.1测温子程序流程图4.2数字PID控制器的实现由上一个小组可确定本系统采用的PID算法应使用位置式PID算法，继电器的导通率就像一般的控制系统的阀门，通过调节占空比来调节输出功率。具体流程图如图4.2所示。返回主程序设定温度返回主程序设定温度取得测量温度取得测量温度保存误差保存误差计算偏差计算偏差输出限制输出限制计算控制增量计算控制增量图4.2数字PID控制流程图4.3主程序流程图本系统实现对温度的实时显示、控制功能，首先对DS18B20进展初始化，然后判断设定温度和从DS18B20温度传感器侧来的温度进展比拟，当设定温度大于实测温度时继电器常开触头闭合，电热丝加热。图4.3显示了本系统的主程序流程图。开场开场初始化初始化读取温度读取温度设定温度实测温度设定温度实测温度加热加热停顿加热停顿加热返回返回返回返回图4.3主程序流程图5软件的调试5.1ProteusISIS的介绍Proteus具有和其他EDA工具一样的原理图编辑、印刷电路板(PCB)设计及电路仿真功能，最大的特色是其电路仿真的交互化和可视化，如图2-1所示。通过Proteus软件的VSM(虚拟仿真模式)，用户可以对模拟电路、数字电路、模数混合电路、单片机及外围元器件等电子线路进展系统仿真。Proteus软件由ISIS和ARES两局部构成，其中ISIS是一款便捷的电子系统原理设计和仿真平台软件，ARES是一款高级的PCB布线编辑软件。交互可视化的电子线路仿真ProteusISIS是一种操作简便而又功能强大的原理图编辑工具，它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路。该软件的特点有：1、实现了单片机仿真和SPICE电路仿真的结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真等功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。2、支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。3、提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、存放器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2等软件。4、具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的电路设计和仿真软件，功能极其强大。5.2Keil软件介绍单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断开展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断开展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境〔uVision〕将这些局部组合在一起。KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面，使您能在很短的时间内就能学会使用keilc51来开发您的单片机应用程序。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能表达高级语言的优势。KeilSoftware公司推出的uVision3是一款可用于多种8051MCU的集成开发环境(IDE)，该IDE同时也是PK51及其它开发套件的一个重要组件。除增加了源代码、功能导航器、模板编辑以及改进的搜索功能外，uVision3还提供了一个配置向导功能，加速了启动代码和配置文件的生成。此外其内置的仿真器可模拟目标MCU，包括指令集、片上外围设备及外部信号等。uVision3提供逻辑分析器，可监控基于MCUI/O引脚和外设状态变化下的程序变量。uVision3提供对多种最新的8051类微处理器的支持，包括AnalogDevices的ADuC83*和ADuC84*，以及Infineon的*C866等5.3PROTEUS和KEIL的联调1.假假设KeilC51与Proteus均已正确安装在D:\ProgramFiles的目录里，把D:\ProgramFiles\LabcenterElectronics\Proteus7Professional\MODELS\VDM51.dll复制到D:\ProgramFiles\keilC\C51\BIN目录中，2.用记事本翻开D:\ProgramFiles\keilC\C51\TOOLS.INI文件，在[C51]栏目下参加：TDRV5=BIN\VDM51.DLL("ProteusVSMMonitor-51Driver")。其中"TDRV5〞中的"5〞要根据实际情况写，不要和原来的重复即可。〔步骤1和2只需在初次使用设置。〕3.需要设置KeilC的选项单击"Project菜单/OptionsforTarget〞选项或者点击工具栏的"optionfortarget〞按钮，弹出窗口，点击"Debug〞按钮。在出现的对话框里在右栏上部的下拉菜单里选中"ProteusVSMMonitor一51Driver〞。并且还要点击一下"Use〞前面说明选中的小圆点。再点击"Setting〞按钮，设置通信接口。最后将工程编译，进入调试状态，并运行。设置完之后，请重新编译、、生成可执行文件。4．Proteus的设置。进入Proteus的ISIS，鼠标左键点击菜单"Debug〞，选中"useromotedebugermonitor〞，此后，便可实现KeilC与Proteus连接调试。5．Proteus里加载可执行文件。左键双击AT89C52原理图，点击加载可执行HE*文件6．KeilC与Proteus连接仿真调试。单击仿真运行开场按钮，我们能清楚地观察到每一个引脚的电频变化，红色代表高电频，蓝色代表低电频。注意：软件的调试主要通过Keil软件进展操作，对程序编写过程中的错误进展查找，找出错误，进展修改，然后再进展编译直至编译成功，生成HE*文件，才能下载到单片机里，继而实现相应功能。6总结与体会本文涉及的制冷恒温系统由单片机AT89C51、温度传感器DS18B20及显示电路。该系统的设计采用模块化构造，主要有系统程序、LED显示程序等程序组成。该控制系统具有较强的智能。本次设计是对所学知识的一次综合性运用，其中包括对模拟电子技术、数字电子技术、PID、单片机等知识的运用，从而完成了本次设计。在设计过程中发现了自己的缺乏，但收获也挺多，体会很深刻，并且对我们所学的知识也产生了浓厚的兴趣。在设计过程中也学会了很多东西，最典型的就是PROTEUS软件的应用，以及与KEIL软件联合使用功能，当然最重要的是学到了关于根本电子设计的一些根本方法，同时也加深了对一些常用的电子元件的理解及其根本用法的掌握。另外也使我明白了和理想中的自己存在差距，也让我深刻的感受到完成一份工作的不易，更让我明白了以后开展的方向，以及解决事情的方法。此次设计是我第一次进展有关编程方面的事情，当然，内容多多少少有些借鉴别人的东西，尽管这样我也是受益匪浅。当中遇到了很多问题。诸如如何对系统进展调温等。经过我多方查阅资料，对于调温的过程，我已初步有了了解。相对来说虽然不怎么完美，但是我已尽了最大努力，这也会鞭策我在以后的道路上应更加努力。还有就是在查阅资料的过程中，我看到了很多有关编程方面的实例，从中我也学到了不少在课堂上没有学到的知识。我认为学习不光是课堂上的事情，课外阅读和网上查阅资料，都有助于知识的积累！古人云：学而不思则罔，思而不学则殆！学习并非固定思维，而是如何将所学知识灵活运用，并能够举一反三。学习是一种过程，而知识的慢慢积累则是一种学习的升华！从质变到量变的过程，往往可以收到意想不到的效果！在此次设计即将完毕的时候，我要衷心感谢我的导师鞠教师，从选课题到根本框图的构思，到最后的总体设计，鞠教师一直给我鼓励，同时也在我不懂的方面给我答题解惑，才使我能顺利完成这次设计。另外我还要感谢我的同学，在这次设计中也给予了我不少的帮助。通过这次课程设计，我更有理由相信在今后的道路中我将会更加自信的走下去。我的未来不是梦！参考文献万福君,潘松峰,*芳.MCS-51单片机原理、系统设计及应用.:清华大学,2021年李全利主编.单片机原理及接口技术.:高等教育，2021年方康玲主编.过程控制系统.**：**理工大学，2021年王手中编著.51单片机开发入门与典型事例.：人民邮电，2007年〔美〕D.H.施因果德编著，*德炳译.传感器的接口及信号调理电路.：国防工业，1984年沈德金编著.MCS-51系列单片机接口电路与应用程序设计.：航空航天大学，1999年孙进平，*大鹏，丁金滨.51系列单片机原理开发与应用实例.：中国电力，2021年.附录LED_REDEQUP1.0LED_GREENEQUP1.1L