計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)基于單片機(jī)恒溫箱設(shè)計(jì)

1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與應(yīng)用課程設(shè)計(jì) 課 題： 基于單片機(jī)恒溫箱設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 電氣工程與自動(dòng)化 姓 名： 來(lái)永亮 學(xué) 號(hào)； b12040524 摘要恒溫箱控制系統(tǒng)是通過(guò)采集溫度，將溫度反饋給系統(tǒng)，與系統(tǒng)所設(shè)的溫度進(jìn)行比較，通過(guò)判斷決定進(jìn)行加熱或制冷工作。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)按鍵設(shè)置溫度范圍，由溫度傳感器ds18b20采集箱中空氣的溫度，并反饋給stc89c51單片機(jī)，與設(shè)置的溫度進(jìn)行比較，決定要進(jìn)行加熱或制冷工作。用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行加熱、制冷工作，通過(guò)stc89c51給出指令控制兩個(gè)繼電器開關(guān)，以改變電流的正負(fù)極，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體的加熱、制冷工作，同時(shí)在半導(dǎo)體制冷片上配以風(fēng)扇，當(dāng)半導(dǎo)體朝向箱

2、內(nèi)的一面進(jìn)行制冷工作時(shí)，風(fēng)扇可將朝向箱外加熱的一面的熱量散開，以防影響箱內(nèi)制冷效果。 【關(guān)鍵字】stc89c51；ds1820;半導(dǎo)體制冷片；恒溫箱 目錄第一章 緒論3第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3 2.1系統(tǒng)功能3 2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案3第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4 3.1總體設(shè)計(jì)框圖4 3.2系統(tǒng)主要部分設(shè)計(jì)方案論證53.2.1單片機(jī)控制模塊53.2.2溫度采集器件的設(shè)計(jì)方案53.2.3顯示方案的設(shè)計(jì)63.2.4加熱或制冷方案設(shè)計(jì)7 3.3各部分設(shè)計(jì)模塊介紹83.3.1溫度傳感器ds18b2083.3.2顯示電路lcd160293.3.3 繼電器控制電流正負(fù)極原理93.3.4半導(dǎo)體制冷片的介紹9第四章 系

3、統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)10 4.1系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主流程圖10 4.2 ds18b20溫度采集流程圖11 4.3 lcd1602顯示流程圖11第五章 調(diào)試與仿真12 5.1軟件調(diào)試13 5.2仿真電路圖14 第一章 緒論隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，能源、環(huán)境問(wèn)題日益突出，節(jié)能、環(huán)保已成為當(dāng)今社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)。在生產(chǎn)、生活、軍用、工業(yè)探傷等領(lǐng)域，甚至檢測(cè)疾射的學(xué)術(shù)研究和實(shí)驗(yàn)使用中，我們經(jīng)常需要一個(gè)相對(duì)特定且穩(wěn)定的溫度環(huán)境?；诤銣叵涞膹V泛使用，本作品以此為基點(diǎn)，設(shè)計(jì)制作小型恒溫箱控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)stc89c51為核心，對(duì)恒溫箱進(jìn)行控制。利用溫度傳感器ds18b02作為恒溫箱的溫度檢測(cè)元件，ds18b02可以

4、直接把測(cè)量的溫度值變換成單片機(jī)可讀取的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)而用戶無(wú)需進(jìn)行任何操作。lcd顯示屏可顯示空氣溫度及通過(guò)按鍵所設(shè)置的溫度范圍。根據(jù)溫度傳感器ds18b20反饋給單片機(jī)stc89c51的溫度與設(shè)置的溫度進(jìn)行比較，判斷進(jìn)行加熱或制冷工作，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出“嘀嘀”響聲報(bào)告箱內(nèi)溫度在設(shè)置范圍之外。單片機(jī)stc89c51給予指令控制兩個(gè)繼電器，以改變電流的正負(fù)極，使系統(tǒng)進(jìn)行加熱或制冷操作。當(dāng)在箱內(nèi)的半導(dǎo)體的一面進(jìn)行制冷在箱外的一面進(jìn)行加熱時(shí)，放置在箱外半導(dǎo)體一面的風(fēng)扇便會(huì)工作，將該面的熱量散去，以防影響箱內(nèi)半導(dǎo)體一面的制冷效果，并且在加熱或制冷過(guò)程中，lcd可及時(shí)顯示恒溫箱內(nèi)的溫度進(jìn)行監(jiān)控。 第二章 系

5、統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 2.1系統(tǒng)功能本設(shè)計(jì)基于溫度傳感器ds18b20采集箱內(nèi)的溫度反饋給單片機(jī)stc89c51,而單片機(jī)stc89c51判斷，并給予指令控制兩個(gè)繼電器，以控制繼電器的電流正負(fù)極，以決定半導(dǎo)體加熱或制冷，而不管進(jìn)行加熱還是制冷工作，蜂鳴器都會(huì)發(fā)出“嘀嘀”的響聲以報(bào)告此時(shí)箱內(nèi)的溫度在設(shè)置的范圍之外。當(dāng)采集的箱內(nèi)溫度低于設(shè)置的最低溫度tl，則半導(dǎo)體朝向箱內(nèi)的一面加熱，朝向箱外的一面制冷；反之，當(dāng)采集的箱內(nèi)溫度高于設(shè)置的最高溫度th，則半導(dǎo)體朝向箱內(nèi)的一面制冷，朝向箱外的一面加熱，同時(shí)朝向箱外一面上的風(fēng)扇工作，將朝外一面加熱的熱量盡快散開，防止影響朝向箱內(nèi)一面的制冷效果。由此反復(fù)工作，以使箱子

6、達(dá)到恒溫的效果。 2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)的目的在于使箱內(nèi)有一個(gè)恒溫環(huán)境，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)要使溫度能夠降低，當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)要使溫度能夠升高。溫度傳感器ds18b20是“一線總線”接口，且可以直接讀出被測(cè)溫度，測(cè)溫范圍大1，因此選擇ds18b20來(lái)采集溫度,。半導(dǎo)體制冷片是用直流電流使其運(yùn)轉(zhuǎn)的，可以連續(xù)的工作，且既有加熱和制冷兩種功能2，使用兩個(gè)繼電器改變半導(dǎo)體的電流方向以實(shí)現(xiàn)加熱（制冷）工作。顯示方面則選用lcd1602,可以顯示英文及數(shù)字，質(zhì)量輕，耗電小，而且顯示內(nèi)容多3。整個(gè)系統(tǒng)選擇由stc89c51最小系統(tǒng)控制，stc89c51系列單片機(jī)具有強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的功能，且指令代碼完全兼容傳統(tǒng)

7、8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可任意選擇4。 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1總體設(shè)計(jì)框圖 總體設(shè)計(jì)框圖 3.2系統(tǒng)主要部分設(shè)計(jì)方案論證本系統(tǒng)模塊主要包括mcu處理模塊,穩(wěn)壓模塊，鍵盤和顯示模塊,溫度采集模塊，半導(dǎo)體制冷或加熱模塊。 3.2.1單片機(jī)控制模塊本設(shè)計(jì)使用stc89c51控制整個(gè)電路，stc89c51系列是從引腳到內(nèi)核都完全兼容標(biāo)準(zhǔn)8051的單片機(jī)，如圖2所示，tc系列單片機(jī)，可靠性高，性價(jià)比高，選用40腳的單片機(jī)確保了i/o能夠滿足系統(tǒng)需要；具有看門狗保護(hù)功能，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障，電路中看門狗將通過(guò)reset 信號(hào)向cpu 做出反應(yīng)，保密性能佳；只需使用max232

8、芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)化，通過(guò)串口將單片機(jī)與pc機(jī)連接，通過(guò)下載助手可以容易的將程序載進(jìn)單片機(jī)內(nèi)部。圖為stc89c51外部框圖。主要特性4：與mcs-51 兼容8k字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年全靜態(tài)工作：0hz-24hz三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定512內(nèi)部ram32可編程i/o線兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器5個(gè)中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 3.2.2溫度采集器件的設(shè)計(jì)方案溫度采集器件使用溫度傳感器，溫度傳感器包括熱電偶、熱敏電阻、rtd和ic溫度傳感器等幾種，本設(shè)計(jì)中采用ds18b20溫度傳感器，該溫度傳感器應(yīng)用時(shí)不需要任何外部器件即可實(shí)現(xiàn)

9、測(cè)溫電路，只通過(guò)一條數(shù)據(jù)線即可實(shí)現(xiàn)通信，精度可達(dá)到0.0625，測(cè)量溫度可從-55+125，且內(nèi)部設(shè)有溫度上、下限告警功能5。設(shè)計(jì)如圖所示： 溫度采集設(shè)計(jì)圖 3.2.3顯示方案的設(shè)計(jì)顯示方式可選擇led數(shù)碼管，也可選擇字符型lcd顯示。本設(shè)計(jì)采用lcd1602液晶顯示，lcd1602不僅質(zhì)量輕，體積、功耗小，而且顯示的內(nèi)容豐富，可以顯示英文和數(shù)字。設(shè)計(jì)如圖5所示： 顯示設(shè)計(jì)圖 3.2.4加熱或制冷方案設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體制冷片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的加熱和制冷。mcu通過(guò)繼電器控制電流的正負(fù)極來(lái)控制制冷片的工作，通過(guò)電流方向控制從而使半導(dǎo)體制冷片實(shí)現(xiàn)切換于制冷與加熱的狀態(tài)。由于半導(dǎo)體制冷片沒(méi)有任何滑動(dòng)部件

10、，所以它的靜音效果特別好，降溫時(shí)不使用任何化學(xué)添加劑，也不產(chǎn)生氟利昂6。該方案選擇半導(dǎo)體制冷片不僅環(huán)保，而且溫控范圍廣。設(shè)計(jì)圖如圖6所示： 3.3各部分設(shè)計(jì)模塊介紹 3.3.1溫度傳感器ds18b20溫度傳感器ds18b20是數(shù)字式溫度傳感器，是一種改進(jìn)型的只能溫度傳感器，“一線總線”接口，相對(duì)于傳統(tǒng)溫度傳感器精度高、穩(wěn)定性好、電路簡(jiǎn)單、控制方便。能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式5。ds18b20的性能特點(diǎn)5：可通過(guò)數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：3.05.5v； 測(cè)溫范圍：-55+125；無(wú)須外部器件，獨(dú)特的單線接口僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信； 多個(gè)ds

11、18b20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)功能；零待機(jī)功耗；用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置；報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過(guò)程序限定溫度（溫度報(bào)警條件）的器件；可編程的分辨率為912位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625；負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。ds18b20的引腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)分別如圖所示： ds18b20的引腳圖 ds18b20的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ds18b02內(nèi)部結(jié)構(gòu)由64位光刻rom、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警器th和tl、配置器四個(gè)部分組成。溫度的測(cè)量是：當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令執(zhí)行后，經(jīng)轉(zhuǎn)換而獲得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高

12、速暫存存儲(chǔ)器的第0和第1個(gè)字節(jié)。單片機(jī)通過(guò)單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625/lsb形式表示。對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號(hào)位s=0時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為正值，可直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)s=1時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為負(fù)值，要先將補(bǔ)碼變?yōu)樵a，再計(jì)算十進(jìn)制值。 ds18b20完成溫度轉(zhuǎn)換后，將測(cè)得的溫度值與ram中的th、tl字節(jié)內(nèi)容進(jìn)行比較。如果tth，或者ttl，則將該器件內(nèi)的報(bào)警標(biāo)志位置位，并對(duì)主機(jī)發(fā)出的報(bào)警搜索命令作出響應(yīng)。 在64位rom的最高有效字節(jié)中存儲(chǔ)有循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼（crc）。主機(jī)根據(jù)rom的前56位來(lái)計(jì)算crc值，并存入ds18b20的crc值作

13、比較，以判斷主機(jī)收到的rom數(shù)據(jù)是否正確。 3.3.2顯示電路lcd1602本設(shè)計(jì)中顯示部分采用的是lcd1602液晶顯示模塊，具有體積小，功耗低，顯示內(nèi)容豐富，超薄輕巧7等優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的運(yùn)用。字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件。lcd1602液晶顯示屏不僅可以顯示兩行，每行16個(gè)字符，采用單+5v電源供電，而且外圍電路配置簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，具有很高的性價(jià)比。 lcd1602外觀如圖所示：rs r/w e db0db7 v0 vss vdd leda ledk 4 5 6 714 3 1 2 15 16 圖9 lcd1602外觀圖液晶顯示

14、的原理是利用液晶的物理特性，通過(guò)電壓對(duì)其顯示的區(qū)域進(jìn)行控制，有電通過(guò)的地方就會(huì)顯示，而沒(méi)電通過(guò)的地方則就不會(huì)顯示，這樣即可顯示出相應(yīng)的圖形。lcd1602液晶模塊內(nèi)部的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，而這些字符每一個(gè)都有一個(gè)固定的代碼，只要將字符的代碼即地址發(fā)送我們便可看到相應(yīng)的點(diǎn)陣字符7。 3.3.3 繼電器控制電流正負(fù)極原理繼電器一共有五個(gè)引腳，其中一邊有三只腳，中間是輸出出點(diǎn)的公共端子，另外兩個(gè)引腳是線圈引腳，即接驅(qū)動(dòng)端，還有兩個(gè)腳分別是常開和常閉點(diǎn)。將公共端子和常開或常閉引腳連接，即可控制繼電器的開關(guān)8。通過(guò)控制與兩個(gè)繼電器連接的兩個(gè)單片機(jī)引腳的高低電平即可實(shí)現(xiàn)電流正負(fù)極的改變

15、。 3.3.4半導(dǎo)體制冷片的介紹半導(dǎo)體制冷片也叫熱電制冷片，是一種熱泵，他的工作原理是用直流電源，它既可制冷又可加熱，通過(guò)改變直流電流的極性來(lái)決定該半導(dǎo)體制冷片兩面哪面加熱哪面制冷，而這個(gè)結(jié)果的產(chǎn)生采用的就是通過(guò)熱電的原理。半導(dǎo)體制冷片的優(yōu)點(diǎn)是不需要任何的制冷劑，沒(méi)有污染源，沒(méi)有滑動(dòng)部件，是一種固體片件，工作是沒(méi)有噪音、振動(dòng)，壽命長(zhǎng)，安裝容易。半導(dǎo)體制冷片雖然可以進(jìn)行制冷工作，又可以進(jìn)行加熱工作，但是制冷效率一般不高，而制熱效率比較高，一般都大于1。它的溫差范圍可以從-130到+90。半導(dǎo)體制冷片的工作原理是：當(dāng)一塊n型半導(dǎo)體材料和一塊p型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對(duì)時(shí)，在這個(gè)電路中接通直流電流后，

16、就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由n型元件流向p型元件的接頭吸熱熱量，成為冷端,由p型元件流向n 型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。吸熱和放熱的大小則是通過(guò)電流的大小以及半導(dǎo)體材料n、p的元件對(duì)數(shù)來(lái)決定9。 半導(dǎo)體制冷片的特點(diǎn)9：a、 不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作，沒(méi)有污染源沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件，不會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)，沒(méi)有滑動(dòng)部件，是一種固體片件，工作時(shí)沒(méi)有振動(dòng)、噪音、壽命長(zhǎng)、安裝容易。b、 半導(dǎo)體制冷片具有兩種功能，既能制冷。又能加熱，制冷效率一般不高，但制熱效率很高，永遠(yuǎn)大于1。因此使用一個(gè)片件就可以代替分立的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。c、 半導(dǎo)體制冷片是電流換能型片件，通過(guò)輸入電流的控制，可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，再

17、加上溫度檢測(cè)和控制手段，很容易實(shí)現(xiàn)遙控、程控、計(jì)算機(jī)控制，便于組成自動(dòng)控制系統(tǒng)。 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主流程圖系統(tǒng)程主流程圖如圖所示： 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主流程圖如圖所示，本設(shè)計(jì)中控制模塊采用stc89c51，將ds18b20所采集到的溫度和按鍵所設(shè)置的溫度送到lcd顯示出來(lái)，同時(shí)判斷ds18b20所采集的溫度是否在設(shè)置的溫度范圍之內(nèi)，并比較大小，給出指令以控制半導(dǎo)體加熱或制冷工作。 4.2 ds18b20溫度采集流程圖ds18b20溫度采集流程圖如圖11所示： ds18b20溫度采集流程圖ds18b20從測(cè)溫結(jié)束到將溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字量需要一定的轉(zhuǎn)化時(shí)間，所以要保證足夠的延時(shí)時(shí)間以

18、保證轉(zhuǎn)換結(jié)果的正確性。4.3 lcd1602顯示流程圖lcd1602顯示流程圖如圖所示： 第五章 調(diào)試與仿真5.1軟件調(diào)試將寫好的程序進(jìn)行編譯，編譯成功后下載至實(shí)驗(yàn)板上，發(fā)現(xiàn)未能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，lcd1602上顯示的溫度固定在85，分析可能是因?yàn)檠訒r(shí)不夠?qū)е?，檢查程序延時(shí)時(shí)間是足夠的。重新嘗試，結(jié)果一樣，將ds18b20溫度傳感器子程序載入單片機(jī)，lcd顯示的還是一樣的結(jié)果，始終保持不變的溫度，溫度傳感器ds18b20雖然可以工作，但是可能由于某方面的原因無(wú)法正常工作。重新?lián)Q一個(gè)ds18b20溫度傳感器發(fā)現(xiàn)溫度可以正常顯示。通過(guò)按鍵設(shè)置溫度范圍，當(dāng)箱內(nèi)的溫度在設(shè)置的溫度范圍內(nèi)時(shí)，蜂鳴器不會(huì)發(fā)出“嘀嘀”聲響，并且溫度半導(dǎo)體不會(huì)進(jìn)行工作，而當(dāng)溫度不在設(shè)置的溫度范圍內(nèi)時(shí)，蜂鳴器便會(huì)發(fā)出“嘀嘀”的聲響，以示警告，并且半導(dǎo)體進(jìn)行加熱和制冷工作。當(dāng)箱內(nèi)的溫度高于設(shè)置的最高溫度時(shí)，半導(dǎo)體箱內(nèi)的一面會(huì)進(jìn)行制冷，箱外的一面則進(jìn)行加熱工作，同時(shí)風(fēng)扇也開始工作。相反當(dāng)箱內(nèi)的溫度低于設(shè)置的最低溫度時(shí)，半導(dǎo)體箱內(nèi)的一面會(huì)進(jìn)行加熱工作，箱外的一面進(jìn)行制冷工作，此時(shí)風(fēng)扇停止工作。發(fā)現(xiàn)當(dāng)半導(dǎo)體箱內(nèi)的一面進(jìn)行加熱工作時(shí)，溫度升得很慢。將半導(dǎo)體拿下直接用直流穩(wěn)壓電源，電壓用12v同時(shí)