基于單片機電熱杯溫控系統(tǒng)設計

1、本 科 生 畢 業(yè) 設 計（論 文）論文題目：基于單片機的電熱杯溫控系統(tǒng)設計（硬件）姓名：學號：班級：年級：專業(yè)：自動化學院：機械與電子工程學院指導教師：完成時間：作 者 聲 明本人以信譽鄭重聲明：所呈交的學位畢業(yè)設計（論文），是本人在指導教師指導下由本人獨立撰寫完成的，沒有剽竊、抄襲、造假等違反道德、學術(shù)規(guī)范和其他侵權(quán)行為。文中引用他人的文獻、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確標注出，不包含他人成果及為獲得東華理工大學或其他教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。對本設計（論文）的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本畢業(yè)設計（論文）引起的法律結(jié)果完全由本人承擔。本畢業(yè)設計（論文）成果

2、歸東華理工大學所有。特此聲明。畢業(yè)設計（論文）作者（簽字）： 簽字日期： 年 月 日 本人聲明：該學位論文是本人指導學生完成的研究成果，已經(jīng)審閱過論文的全部內(nèi)容，并能夠保證題目、關(guān)鍵詞、摘要部分中英文內(nèi)容的一致性和準確性。 學位論文指導教師簽名： 年 月 日基于單片機的電熱杯溫控系統(tǒng)設計Electric cup design of temperature control system based on single chip computer東華理工大學（論文） 摘要摘 要本設計的溫度量測及加熱控制系統(tǒng)以AT89C51單片機為核心部件，外加溫度溫度采集電路、鍵盤及顯示電路、加熱控制電路和報警電

3、路等。運用單總線型的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，以及用行列式鍵盤和LCD動態(tài)顯示的方式，運用比較好控制的光耦合器來作為加熱控制部分的開關(guān)器件。本設計不但可以對當前的溫度進行實時地顯示而且可以對溫度進行調(diào)節(jié)控制，以滿足我們設定的溫度要求，并且具有保溫功能。方便簡潔的行列式鍵盤設計可以讓我們在設定溫度時更加簡單快捷，我們的顯示方式是采用兩位整數(shù)再加一位小數(shù)的顯示方式，使得顯示精度更高、讀數(shù)更加方便。溫度控制是通過直流斬波的全控型器件IGBT來實現(xiàn)的?；赑ID控制理論上的控制算法，能夠讓控制精度進一步的達到我們最初的設計要求。通過對硬件資源以及系統(tǒng)軟件的合理設計和精確規(guī)劃，既可以讓單片機發(fā)揮其

4、集成眾多系統(tǒng)級功能單元的優(yōu)點，又可以在滿足功能要求的前提下一定程度上降低硬件成本，系統(tǒng)的操控也非常簡單方便。關(guān)鍵詞： 單片機 恒溫控制 PID控制直流斬波東華理工大學（論文） AbstractABSTRACTThe design of the temperature measurement and heating control system to AT89C51 microcontroller as the core components, plus the temperature of the temperature acquisition circuit, keyboard and di

5、splay circuit, heating control circuit and alarm circuit. The use of single-bus digital temperature sensor DS18B20, and use the keyboard and LCD dynamic display determinant way, the use of better control of heating control optocoupler as part of the switching devices. This design not only on the cur

6、rent temperature is displayed in real time and can adjust the temperature control to meet the temperature requirements set by us, and has insulation function. Simple and convenient determinant keyboard design allows us to be more simple and quick set temperature, our approach is to use two displays

7、plus a decimal integer display, making the display more accurate reading easier. Temperature control is fully controlled by the DC chopper-type device IGBT to achieve. PID control theory based control algorithm, allowing further control accuracy achieved our initial design requirements. Through the

8、hardware resources and system software design and precise rational planning, not only allows to play its integrated single-chip system-level functional units of many advantages, but also to meet the functional requirements of the premise to some extent, reduce hardware costs, system control is also

9、very simple and convenient.Key words: SCM； temperature control； PID control； DC chopper。東華理工大學（論文） 目錄目 錄緒 論1第1章 方案設計與論證21.1 總體設計思路21.2 設計方案論證與比較31.2.1 溫度檢測模塊設計31.2.2 溫度控制模塊設計51.2.3 顯示模塊的設計61.2.4 鍵盤掃描模塊81.2.5 電源模塊的設計9第二章 硬件設計102.1 系統(tǒng)控制框圖102.2 被控對象-電熱杯102.3 溫度檢測112.4 執(zhí)行環(huán)節(jié)122.5 單片機模塊142.6 鍵盤與顯示152.7 電源

10、設計18第3章 軟件設計203.1 編寫程序語言的選擇203.2數(shù)字PID控制原理203.3 單片機的資源分配213.3.1 I/O口的分配213.3.2 定時計數(shù)器的分配213.3.3 外部中斷的使用分配213.4 系統(tǒng)設計流程圖22第4章 調(diào)試部分264.1 調(diào)試方案264.2 調(diào)試方法和軟件26結(jié)論27致 謝28參考文獻29附錄30東華理工大學（論文） 緒論緒 論 溫度是工業(yè)生產(chǎn)和生活中非常重要的一項參數(shù)，形形色色的溫度控制系統(tǒng)也普遍地應用在各種制造、化工、機械、食品加工等行業(yè)中。在各種工業(yè)生產(chǎn)過程中往往都需要進行溫度控制,在某些工藝過程中如果溫度控制做的不好，會對產(chǎn)品的質(zhì)量造成不良影響

11、，所以設計一種能夠滿足生產(chǎn)要求的高精度的溫度控制系統(tǒng)是非常有必要的。在生活中我們常見的具有溫度控制功能部件的物品有：空調(diào)、吹風機、電熱水器、電熱鍋等等。本設計就是要設計一個具有溫度控制功能的電熱杯。除了要求本設計要有溫度控制功能以外，此系統(tǒng)還要有溫度顯示、可以設置目標溫度值以及保溫等功能。本設計以AT89C51單片機為主要控制核心，采用合適的溫度傳感器進行實時溫度采集；利用LCD顯示屏接上單片機實現(xiàn)對水溫的實時顯示；通過光耦合器的接通與斷開，來控制IGBT的打開與關(guān)斷從而控制加熱電路，達到加熱功能。把這幾個功能模塊組合起來，再加上一個電源控制電路，就組成了一個完整的電熱杯溫度控制系統(tǒng)。 通過對

12、本設計系統(tǒng)的研究，加深了我們對工業(yè)生產(chǎn)中對各種溫度控制的理論原理的理解，也讓我們對加熱及溫度控制系統(tǒng)各個功能模塊有了一個全新的認識。更主要的是經(jīng)過這次設計，我們對大學四年所學的知識又重新溫習了一遍、加強了對本專業(yè)的認識，幫助我們明確了今后的發(fā)展方向。20東華理工大學（論文） 第1章方案設計與論證第1章 方案設計與論證1.1 總體設計思路本設計主要采用AT89C51單片機作為電熱杯溫控系統(tǒng)的主控芯片。采用直流脈沖寬度調(diào)制的方法對水溫進行控制。首先數(shù)字式溫度傳感器把對象的溫度量測出來，然后AT89C51單片機就能接受到有溫度傳感器傳送過來的溫度信息，通過單片機的處理，之后溫度信息就可以在顯示屏上顯

13、示出來。本設計所采用的顯示屏為LCD12864，以點陣字符的形式來顯示。它的溫度量測范圍為-55+125。單片機也接收來自溫度傳感器的超限信號，并自動處理，發(fā)送信號給加熱控制電路，使加熱電路按一定的規(guī)律工作，讓溫度逐漸靠近目標溫度，并趨于穩(wěn)定。加熱電路工作還是停止，都要通過單片機來控制。單片機發(fā)送的信號為高低電平，三極管接受該電平后，就可以控制光耦合器的通斷，這樣就能夠間接控制IGBT的導通時間，使得加熱絲斷續(xù)加熱。此方法即為：利用單片機來接收溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)發(fā)出控制信號，控制光耦耦合器的通斷，間接控制IGBT的導通占空比，加熱絲加熱使水溫達到目標溫度，并趨于穩(wěn)定。此部分

14、主要研究的內(nèi)容是：溫度傳感器對溫度的采集、PID算法、直流斬波原理。當電熱杯加熱時，溫度傳感器不停地對水溫進行采集，同時LCD顯示器對水溫進行實時顯示。此部分研究的內(nèi)容為LCD顯示屏對數(shù)據(jù)的顯示?？傮w方案設計結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：圖1 總體方案設計結(jié)構(gòu)圖1.2 設計方案論證與比較根據(jù)電熱杯的設計要求，本系統(tǒng)主要由電源模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、溫度采集模塊、溫度控制模塊、時鐘與復位電路模塊以及報警電路等幾個模塊組成。為了能夠獲得最好的設計方案，分別設計了幾種方案進行論證。1.2.1 溫度檢測模塊設計在日常生活以及工業(yè)生產(chǎn)控制領(lǐng)域中，比較常用的溫度傳感器有：半導體熱敏電阻、熱電偶傳感器、紅外傳感器以及

15、數(shù)字式溫度傳感器DS18B20等。這些傳感器都有自己的測溫原理、優(yōu)點和缺點，它們適用的領(lǐng)域也不一樣，因此，我們要選擇一種適合本設計使用的溫度傳感器，用來完成溫度采集這項工作。方案一：半導體熱敏電阻利用導體或者半導體材料的電阻率隨溫度變化的特性制成的溫度傳感器，叫作熱電阻式傳感器。它主要用于對溫度和與溫度有關(guān)的參量進行檢測。測溫范圍主要在中、低溫區(qū)域（-200650）。半導體熱敏電阻屬于熱電阻式傳感器的一種。它是利用半導體的電阻值隨溫度顯著變化的特性而制成的熱敏元件。它是由某些金屬氧化物和其他化合物按不同的配方比例燒結(jié)制成的，具有以下一些優(yōu)點。（1） 熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬大，半導體材料可以有

16、正或負的溫度系數(shù)，根據(jù)需要可以選擇。（2） 電阻率達，因此可以制成極小的電阻元件，體積小，熱慣性小，適合于測量點溫、表面溫度及快速變化的溫度。（3） 結(jié)構(gòu)簡單、機械性能好?？筛鶕?jù)不同要求，制成各種形狀。 熱敏電阻的最大缺點是線性度較差，只在某一較窄的溫度范圍內(nèi)有較好的線性度，由于是半導體材料，其復現(xiàn)性和互換性較差。 方案二：熱電偶傳感器 熱電偶傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)化為電勢變化的傳感器。在工業(yè)生產(chǎn)中，熱電偶是應用最廣泛的測溫元器件之一。它是由兩種不同的金屬A和 B構(gòu)成一個閉合回路，當兩個接觸端溫度不同，即TTo時，回路中產(chǎn)生熱電勢EAB（T，To），如圖2所示。 圖2 熱電偶熱電偶傳感器的主

17、要優(yōu)點是測溫范圍廣，可以在1K至2800的范圍內(nèi)使用，精度高，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)性能好，把溫度轉(zhuǎn)換為電勢信號便于處理和遠距離傳輸。但其也有一些缺點：比如熱電勢會比較小、靈敏度也會偏低、而且在高溫條件下它的機械強度會明顯的下降、再者其對污染相當?shù)拿舾?、某些金屬材料也非常的昂貴，因此一次性的投資可能會比較大。方案三：紅外傳感器紅外傳感器是如今工業(yè)生產(chǎn)以及生活中，各種溫度測量儀器當中最前沿、技術(shù)最先進的溫度量測儀器。其原理是紅外線通過對物體發(fā)射出的電磁輻射進行遠距離的溫度量測。其特點是：對非靜止的物體即運動物體的溫度的量測以及對溫度比較會變化的物體的溫度的量測會有比較可觀的效果。它有一些缺點：

18、如量測時反應不夠靈敏，測量精度也不是很高。方案四：數(shù)字式溫度傳感器DS18B20新型的可編程數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，它與通常的溫度傳感器相比，它可以把被測對象的溫度直接讀出來，在實際的應用中，他可以通過編程很容易的達到912位的讀數(shù)。它還可以僅通過單線接口來完成對DS18B20內(nèi)部溫度信息的讀取以及寫入。它具有量測精度高，微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配處理器這些優(yōu)點，他可以直接把溫度轉(zhuǎn)化成串行的數(shù)字信號送給單片機處理。它的工作電源可以從遠端引入，還能利用寄生電源方式產(chǎn)生。利用熱電偶或熱電阻作為溫度傳感器，這類傳感器與儀表之間通常要有專用的溫度補償導線，而溫度補償導線的價格比

19、較高，并且線路很長也容易影響到測量溫度值的精確度，這是直接以模擬量形式進行采集的不可避免的問題。采用新型的可編程溫度傳感器DS18B20進行溫度檢測可以避免熱電阻或熱電偶作為溫度傳感器所帶來的測量誤差過大等問題，并且DS18B20只需要一個I/O口就可以進行通信，它可以以更低的成本和更高的精度實現(xiàn)溫度的檢測，所以我們選擇了方案三。1.2.2 溫度控制模塊設計方案一：交流調(diào)功型控制法交流調(diào)功型電路和交流調(diào)壓型電路形式完全相同，只是控制方式不同。此法不是在每個交流電源周期都對輸出的電壓波形進行控制，而是將負載與交流電源接通幾個整周期再斷開幾個整周期，由控制器輸出的控制量控制接通周波數(shù)和斷開周波數(shù)的

20、比值來調(diào)節(jié)負載所消耗的平均功率。這種方法可保證主回路在電源波形的過零瞬間導通或關(guān)斷，負載電壓電流都是正弦波，不對電網(wǎng)電壓電流造成通常意義上的諧波。但這種方式負載較易收到?jīng)_擊，控制精度相對較低。方案二：繼電器通斷控制法此方法的答題控制思路是：在我們的加熱電路中加入繼電器1與加熱器連接，需要制冷時再加一個與制冷設備連接的繼電器2。當采集到的溫度超過設定溫度的上限時，單片機輸出控制信號啟動繼電器2，開啟制冷設備制冷；當采集到的溫度低于設定溫度的下限時，單片機輸出信號控制啟動繼電器1，開始加熱。經(jīng)過一段時間的反復調(diào)整后達到設定的溫度。這種方法思路比較簡單，控制上也比較容易，但是調(diào)節(jié)時間長，溫度控制不穩(wěn)

21、定，存在波動，屬于有差控制。多用在控制要求不高的場合。方案三：交流調(diào)壓型控制法這種方法是基于可控硅電力控制器的，其思路是：在每個電源周期，溫度傳感器實時采樣水溫信號，返回給溫度控制器，溫度控制器將所測值與給定值比較后得到偏差，經(jīng)運算后得到控制值輸出給可控硅，以控制可控硅的導通角和控制角的比例來改變輸出電壓平均值，由此達到溫控的效果。這種方法輸出的連續(xù)性比較好，被控參數(shù)比較穩(wěn)定，可以通過變壓器、互感器來實現(xiàn)電量反饋來提高性能，所以應用場合很多。但是此法輸出的波形為缺角正玄波，在導痛的瞬間可能會產(chǎn)生較大的自感電勢。 方案四:直流脈沖寬度調(diào)制法這種方法的思路是：將220V交流電整流成直流后，通過斬波

22、電路生成一系列脈沖波。只要改變斬波電路中IGBT（選用全控型）的導通時間和關(guān)斷時間的比例（占空比）就可以改變加到負載上的平均電壓。按不同的控制規(guī)律改變占空比就可達到溫控的效果。結(jié)論：第一種方法實現(xiàn)起來最簡單，但是其控制滯后于參數(shù)的改變，且有波動，溫度不穩(wěn)定；第二種方法輸出波形連續(xù)性好，控制穩(wěn)定，但是得在電源波的每個周期進行控制，且易產(chǎn)生諧波污染電源，成本也高；第三種方法比第二種要簡單些，且是在電源波形的過零瞬間接通或關(guān)斷，不會產(chǎn)生諧波，但是此法對負載有一定要求，而且需要過零檢測，精度也相對低一些。第四種方法控制思路簡單，控制穩(wěn)定，所用的全控型器件通、斷都易于控制。這種方法不用過零檢測，也不會產(chǎn)

23、生諧波。針對本次設計的實際情況與要求，故選擇第四種方法。1.2.3 顯示模塊的設計本設計對顯示模塊的要求是:不僅要能夠顯示得兩側(cè)對象的實時溫度，而且還要能夠顯示對象溫度的實時變化曲線，兩者必須可以相互切換。在我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中經(jīng)常用到的在市場上比較常見的顯示器有LED數(shù)碼顯示器、LCD12864液晶顯示屏等。方案一：LED數(shù)碼管LED數(shù)碼管是各種顯示電路中經(jīng)常用到的顯示器之一，它主要有以下一些特點。（1） 驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流非常小，與ITL電路、CMOS電路等等都是相互兼容的；（2）反應比較靈敏，能在極短的時間內(nèi)響應，具有良好的高頻時的特性，而且其單色性也不錯，具有挺高的亮度；（2） 小巧玲瓏

24、的外形，使其具有良好的抵抗沖擊的性能；（3） 其使用壽命非常長，可以達到10萬小時之上，價格也比較低，在各種數(shù)字儀表，計算機等的顯示方面使用廣泛。 以上都是其優(yōu)點，它也有一些缺點，如耗電多、但只能顯示數(shù)字而不能顯示文字或者圖形。 方案二：LCD12864液晶顯示屏LCD12864液晶顯示屏是一款帶有中文字庫的并且含有4位或者8位的并行的、具有2線或者3線的串行的具有好幾種接口方式的具有點陣圖形液晶顯示功能的模塊；它具有12864的顯示分辨率，內(nèi)置的16*16點的漢字有8192個，并且16*8點的ASCII字符集也有128個。該種模塊具有非常靈活的接口方式并且操作指令也相當?shù)暮喗莘奖?，因此全中?/p>

25、的人與機交互的圖形界面的構(gòu)成成為可能。對84行1616點陣的漢字進行顯示是其基本功能，顯示圖形是它的另一大特色功能。它的另一個顯著的特點就是功耗比較低。由這個模塊所構(gòu)成的液晶顯示方案與相同類型的圖形點陣液晶顯示的模塊相互比較，不管是硬件電路的結(jié)構(gòu)還是顯示程序都要簡單很多，而且這個模塊的價格也要比相同點陣的圖形液晶模塊低一些。其基本特性有：（1）電源電壓比較低，一般在35.5V（2）它的顯示的分辨率為12864點 （3）內(nèi)部具有漢字字庫，1616的點陣漢字有8192個（4）內(nèi)部具有 168點陣字符 128個（5）時鐘頻率 為2MHZ（6）顯示方式有STN、半透和正顯 （7）驅(qū)動方式：1/32DU

26、TY，1/5BIAS （8）視角方向：6點（9）背光方式為側(cè)部高亮的白色LED，功耗特別低 （10具有串行和并口可選 的通訊方式（11）內(nèi)部有DC-DC的轉(zhuǎn)換電路，不需要外加負壓 （12）不需要片選信號，這樣可以使軟件設計得到簡化（13）工作溫度范圍比較寬，一般為0 +55 ,存儲溫度一般為-20 +60由于本設計要求能夠顯示對象的溫度值、溫度實時變化曲線以及對漢字顯示也做出了要求。 因此，經(jīng)過綜合比較，我們選擇LCD12864液晶顯示屏來顯示溫度數(shù)據(jù)以及溫度變化曲線。1.2.4 鍵盤掃描模塊鍵盤有編碼式的鍵盤以及非編碼式的鍵盤之分。二者在工作原理以及功能特點方面都有一定的區(qū)別。方案一：編碼式

27、鍵盤編碼式鍵盤除了自身帶有按鍵之外，它還附帶有不可或缺的硬件電路，其按鍵的ASCII碼可以由其自身直接提供，它還具有抖動去除以及具有能夠識別多按鍵的硬件裝置。由于它可以把按鍵的ASCII直接提供出來，因此其軟件程序會比較簡單，這樣在工作時可以為CPU節(jié)省更多的時間，但它的硬件電路相對來說會非常的復雜，使用時的靈活性也非常不夠。方案二：非編碼式鍵盤對于非編碼式鍵盤來說，能夠根據(jù)用戶的需要由若干個按行、列相互排列，從而構(gòu)成矩陣開關(guān)。對于其來說，其按鍵之識別、按鍵之代碼以及抖動的去除等都是通過軟件編程來完成的。這種類型的鍵盤其成本會比較的低，并且因其鍵盤主要由軟件來識別閉合鍵，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用靈活

28、等特點，因此被廣泛使用于單片機系統(tǒng)。我們本著節(jié)約成本、要求軟硬件電路都能比較容易實現(xiàn)，因此我們最終果斷選擇了第二種方案，即采用非編碼式鍵盤。組成鍵盤的按鍵有觸點式和非觸點式兩種。本系統(tǒng)采用的是由機械觸點構(gòu)成的鍵盤開關(guān)，機械鍵盤在接觸過程中通常會產(chǎn)生抖動，一般可以通過軟件設計來完成去抖。按照行列式鍵盤的結(jié)構(gòu)，按鍵跨接在行、列線的交叉點上，均有上拉電阻。當無按鍵被按下時行線處于高電平狀態(tài)；當有按鍵被按下時，行線電平發(fā)生了改變，即與該鍵跨接的行、列線瞬間接在一起，如果此時列線送出低電平0，則該行線的電平就變?yōu)榈碗娖剑ㄟ^判斷行線電平的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下。由于行列式鍵盤中的行、列線多鍵共用，首先

29、需要對鍵盤按規(guī)定進行編碼，然后對行、列線逐次分析，準確識別按鍵的位置，最后與鍵盤編碼進行比對，準確識別出按鍵。1.2.5 電源模塊的設計在各種工業(yè)生產(chǎn)活動中，比較常見的穩(wěn)壓電源有：交流穩(wěn)壓電源、直流穩(wěn)壓電源、逆變式穩(wěn)壓電源以及開關(guān)穩(wěn)壓電源。由于本設計系統(tǒng)需要在5V的直流電源下工作，我們最選擇直流穩(wěn)壓電源作為本系統(tǒng)的供電電源。 直流穩(wěn)壓電源也就是我們通常所說的直流之穩(wěn)壓器。為其提供電壓的通常都是交流電，假如交流之供電電壓發(fā)生變化，或者說輸出之負載電阻發(fā)生變化的時候，穩(wěn)壓電源之直接的輸出電壓一般情況下都會保持在一個比較穩(wěn)定的狀態(tài)。直流穩(wěn)壓電源所需要用到的芯片為7805三端穩(wěn)壓IC。以7805的三端

30、穩(wěn)壓IC所組成得穩(wěn)壓電源要用到比較少的外圍元器件，其電路的內(nèi)部往往有過流、過熱和調(diào)整管等的起保護作用的電路，運用也非常簡單方便，花費的成本也不高。由于類似這樣的三端固定集成的穩(wěn)壓電路使用起來既簡單又方便，電子制作中經(jīng)常采用，本設計就是采用的7805芯片來實現(xiàn)穩(wěn)壓。東華理工大學（論文） 第2章 硬件設計第2章 硬件設計2.1 系統(tǒng)控制框圖本系統(tǒng)的控制框圖如圖3所示，其中被控量為溫度、給定量為我們設定的“目標溫度”、單片機作為控制器、執(zhí)行機構(gòu)為IGBT、被控對象為電加熱杯、DS18B20溫度傳感器作為測量變送裝置。系統(tǒng)工作原理為：來自溫度傳感器所測得的水溫的瞬時值與目標溫度進行比較，經(jīng)過單片機的分

31、析與處理，按照PID算法進行控制，控制執(zhí)行機構(gòu)IGBT的導通與斷開，從而控制電加熱杯是否加熱，最終達到溫度控制的目的。圖3 系統(tǒng)控制框圖2.2 被控對象-電熱杯溫度控制系統(tǒng)的被控對象是一個容量為2L、額定電壓為220V的電熱杯，它的杯體是絕緣的，其加熱絲能夠與加熱控制電路相連接。電熱杯內(nèi)加滿水后，只要接上220V電壓就能正常工作。當溫度達到設定值時，要保持電熱杯中的水溫基本不變的條件是：輸送給電熱杯中水的熱量和輸出的熱量相等。此時電熱杯中水的溫度保持不變。由于本電熱杯的加熱原理是：利用電阻元件通電發(fā)熱的原理，然后通過熱傳遞，熱量由溫度高的加熱絲傳遞給電熱杯中的水；不斷地給加熱絲加熱并同時進行熱

32、傳遞，最終達到讓水溫升高的目的。本電熱杯在安全性方面的設計也很有特點：杯體分為兩層，杯體內(nèi)部采用的是不銹鋼材質(zhì)，這樣可以加快熱量的傳遞，時水溫升高的比較快，既省時又省電；外面一層采用的是耐高溫的安全型塑料，一方面它可以起到絕緣的作用，另一方面還有絕熱的作用，這讓我們使用起來不僅方便、安全，而且保溫效果也比較好。本電熱杯還有一個設計特點，就是為DS18B20測溫探頭預留了孔位，方便測溫。2.3 溫度檢測溫度檢測是本設計系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)，我們選用DS18B20溫度傳感器作為溫度檢測的元件。DS18B20溫度傳感器工作原理框圖如圖4所示： 圖4 DS18B20溫度傳感器工作原理框圖低溫度系數(shù)晶振的

33、振蕩頻率受溫度影響很小，它用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在-55所對應的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預置值。溫度檢測電路模塊如圖5所示。其中 DQ作為數(shù)字

34、信號的輸入/輸出的端口；GND 為電源接地地；VCC 是外接電源的輸入端。 圖5溫度檢測電路數(shù)字信號輸入輸出端口接單片機P2.5，溫度傳感器檢測到的溫度就是通過該端口傳送給單片機，然后由單片機分析處理。該電路還必須接一個4.7K的上拉電阻，以增強其驅(qū)動能力。DS18B20的上拉電阻的阻值是一個需要注意的參數(shù)，如果DS18B20放置的位置離電路板較遠，需要用較長的電纜來連接時，上拉電阻要相應減小，以彌補線路損耗，而且連接電纜要選用優(yōu)質(zhì)的三芯帶屏蔽層的電纜，否則不能正常讀寫數(shù)據(jù)。2.4 執(zhí)行環(huán)節(jié)所謂的執(zhí)行環(huán)節(jié)就是系統(tǒng)的加熱控制部分，其主要的功能元件為IGBT。它是一種電壓型控制器件，它所需要的驅(qū)動

35、電流跟驅(qū)動功率都非常小，可直接與模擬或數(shù)字功能塊相接而不須加任何附加接口電路。它和普通三極管一樣，可工作在線性放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)，它主要是作為開關(guān)器件來應用。其控制端口通過合適的驅(qū)動電路與單片機相連，這樣就可以通過單片機來控制它的導通與斷開，從而控制電加熱杯是否加熱。使IGBT開通的柵射極驅(qū)動電壓一般取1520V，所以我們選用輸出電壓為15V的驅(qū)動電壓來驅(qū)動IGBT，為了滿足我們的設計要求我們采用M57962L型IGBT驅(qū)動器作為器驅(qū)動，其原理圖如圖6所示：圖6 M57962L型IGBT驅(qū)動器原理圖M57962L具有高速的輸入輸出隔離，輸入電平與TTL電平兼容，適于單片機控制；內(nèi)部有定時邏

36、輯短路保護電路，同時具有延時保護特性；采用雙電源供電方式，使IGBT更可靠地通斷。其相應的電路圖如圖7所示：圖7 IGBT驅(qū)動電路其工作過程為：電源接通后，首先檢測IGBT是否有過載與短路現(xiàn)象，若有，則IGBT的C極電位升高，經(jīng)外接二極管VD1流入檢測電路的電流增加，柵極關(guān)斷電路動作，切斷IGBT的柵極驅(qū)動信號，同時在“8”腳輸出高電平報警信號。IGBT正常時，輸入信號經(jīng)光電耦合，接口電路，再經(jīng)驅(qū)動級功率放大后驅(qū)動IGBT?？墒瞧涔ぷ鬟^程需雙電源供電，且通電后或保護復位后均須一定的自檢時間（12s），在工作頻率或控制精度較高的場合需引起注意。溫度控制本次設計所采用的控制方式是直流脈沖寬度調(diào)制法

37、，加熱絲接在Uo兩端；IGBT的信號控制管腳通過驅(qū)動電路接到單片機的P2.6，用于接收單片機的高低電平控制信號。此法就是通過控制全空型器件IGBT的導通和關(guān)斷來控制接在加熱絲兩端的電壓，從而達到溫度調(diào)節(jié)的效果。其原理如圖8所示： 圖8降壓斬波電路降壓斬波原理圖如圖8，當VT1導通，電源向負載供電，則Uo= Ui，負載電流按指數(shù)曲線上升；當VT1關(guān)斷，負載電流經(jīng)二極管VD1續(xù)流，負載電壓近似為0。負載電流按指數(shù)曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小，通常串接L1值較大的電感。 2.5 單片機模塊單片機最小系統(tǒng)，或者稱為最小應用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。對51系列單片機來說,

38、最小系統(tǒng)一般應該包括:單片機、晶振電路、復位電路。如圖9所示為本設計系統(tǒng)的單片機的最小系統(tǒng)電路圖。 圖9 單片機最小系統(tǒng)復位電路：有電容串聯(lián)電阻構(gòu)成，由圖并結(jié)合電容電壓不能突變的性質(zhì)，可以知道，當系統(tǒng)一上電，RST腳將出現(xiàn)高電平，并且這個高電平持續(xù)的時間由電路的RC值來確定。典型的51單片機當RST腳的高電平持續(xù)兩個機器周期以上就將復位，所以適當組合RC的取值就可以保證可靠復位。復位電路的原理是單片機RST引腳接收到2s以上的電平信號，只要保證電容的充放電時間大于2s，即可實現(xiàn)復位，所以電路中的電容值是可以改變的。按鍵按下系統(tǒng)復位，是電容處于一個短路電路中，釋放了所有的電能，電阻兩端的電壓增加

39、所引起的。時鐘電路：典型的晶振取11.0592MHz，用于有串口通迅的場合。單片機模塊接線圖如圖10所示：圖10 單片機接線圖按照單片機I/O口的分配，將各個模塊分別接在單片機相應的I/O口線上，單片機上電復位后，各模塊就可以根據(jù)各子程序的執(zhí)行而執(zhí)行相應的動作。在單片機的精確控制下，各模塊都按照一定的控制規(guī)律有序且穩(wěn)定的工作，從而最終達到控制水溫的目的。2.6 鍵盤與顯示單片機所用的鍵盤有編碼鍵盤和非編碼鍵盤之兩種。1. 編碼鍵盤本身除了按鍵之外，還包括產(chǎn)生鍵碼的硬件電路。只要按下編碼鍵盤的某個鍵，他就能夠產(chǎn)生該鍵的代碼，并稱為鍵碼。與此同時還產(chǎn)生一個脈沖信號，以通知CPU接受鍵碼，編碼鍵盤的

40、優(yōu)點是使用比較方便，亦不需編寫太復雜的程序。其缺點是使用的硬件電路較復雜。2. 非編碼鍵盤的按鍵是排成行、列矩陣形式的。按鍵的作用僅僅是簡單的實現(xiàn)節(jié)點的接通或斷開，因此必須有一套相應的程序與支配合，才能產(chǎn)生相應的鍵碼，非編碼鍵盤幾乎不需要附加什么硬件電路。因此為了簡潔電路，我們使用非編碼鍵盤。但使用非編碼鍵盤還需要使用軟件來解決按鍵的識別，防抖動以及如何產(chǎn)生鍵碼的問題。用單片機的并行口P1接4*4矩陣鍵盤，以P1.0P1.3作輸入線，以P1.4P1.7作輸出線。每個按鍵有它的行值和列植，行值和列植的組合就是識別這個按鍵的編碼，通過編碼去做相應的處理。鍵盤電路如圖11所示： 圖11 鍵盤電路圖中

41、各個按鍵的功能定義如下。 復位鍵：按下復位鍵，對所有硬件進行復位操作；設定鍵：按下設定鍵，可以對目標溫度、報警溫度上下限進行設定；09鍵：當按下設定鍵后，可以利用數(shù)字鍵方便簡捷地進行溫度設定；取消鍵：如果不想對當前參數(shù)進行更改，則可以按下該鍵取消更改。確定鍵：當要更改參數(shù)時，按下“確定”鍵進行確認后才能產(chǎn)生效果，否則無效；其中設定鍵與單片機的INT0引腳相連接09、確定、取消等鍵采用四行四列的方式連接單片機P0口，復位鍵可以實現(xiàn)硬件復位的功能，與R、C 構(gòu)成復位電路。由于按鍵是機械觸點，當機械觸點閉合和斷開時，觸點會存在抖動現(xiàn)象，為了準確的判斷每次有效按鍵，對每次按鍵只做一次響應，就必須考慮消

42、除抖動。在此我們選用雙穩(wěn)態(tài)去抖法使用兩個與非門構(gòu)成RS觸發(fā)器電路實現(xiàn)按鍵去抖，其去抖電路如圖12所示： 圖12 去抖電路 本設計的顯示部分要求能夠?qū)λ疁剡M行實時顯示，因此顯示元件的選擇非常重要。若用數(shù)碼管來顯示時間溫度的數(shù)據(jù)操作會比較方便，但是這種方式需要用到的數(shù)碼管數(shù)量比較多，占用的I/O口也就自然而然的變多了，這樣就會造成I/O口的利用率不高的現(xiàn)象；而如果用LCD來顯示，雖然在編寫程序是在一定程度上比數(shù)碼管顯示程序編寫要稍微的復雜一些，但是它占用的I/O資源相對來說會比較的少，并且能顯示出來的內(nèi)容要比數(shù)碼管顯示的內(nèi)容豐富很多，不僅能顯示溫度數(shù)值還能顯示英文字符。LCD12864液晶顯示器能

43、夠滿足本設計要求，它不僅可以顯示溫度數(shù)值，而且還能夠顯示溫度的實時變化曲線。它還能夠顯示1616的點陣漢字字形。其引腳DB0DB7分別接單片機的P0.0P0.7；使能信號引腳E接單片機P2.1接口；P2.2接顯示屏的讀寫信號引腳；片選信號CS1、CS2分別接P2.5、P2.4接口，其與單片機的引腳連接如圖13所示：圖13顯示屏與單片機引腳連接 2.7 電源設計由于本設計所用到的電壓有+5V、+15V和-10V的，所以必須設計出既能輸出+5V、+15V的又能輸出-10V的電壓。其電路圖如圖14所示：圖14 電源電路本電源電路相當于一個直流穩(wěn)壓電源，需要用到7815穩(wěn)壓管、7805穩(wěn)壓管以及791

44、2穩(wěn)壓管。直流穩(wěn)壓電源是一種將220v工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出直流電壓的裝置，它主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路這四部分電路組成，其原理圖如圖15所示圖： 圖15穩(wěn)壓電路原理 （1）電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網(wǎng)供給的交流電u1（220v、50Hz）降壓后，得到符合電路需要的交流電壓u2，并送給整流電路。 （2）整流電路：利用單向?qū)щ娫?，?0Hz的正弦交流電u2變換成方向不變、大小隨時間變化的脈動電壓u3。 （3）濾波電路：可以將整流電路輸出電壓u3中的交流分量大部分濾除，從而可以得到比較平直的直流電壓uI。 （4）穩(wěn)壓電路：但上述直流輸出電壓uI，還會隨交流電網(wǎng)電壓的波

45、動或負載的變動而變化，在對直流供電要求較高的場合，還需要使用穩(wěn)壓電路，以保證輸出電壓更加穩(wěn)定。穩(wěn)壓電路就能滿足使輸出的直流電壓Uo更加穩(wěn)定的要求。其中7815穩(wěn)壓電路和7912穩(wěn)壓電路所得到的輸出電壓主要用于IGBT的驅(qū)動電路。7912穩(wěn)壓電路得到的輸出電壓要經(jīng)過分壓，得到一個-10V電壓用于IGBT驅(qū)動電路。7805穩(wěn)壓電源所得到的輸出電壓為+5V，主要給單片機以及各模塊提供工作電壓。東華理工大學（論文） 第3章 軟件設計第3章 軟件設計3.1 編寫程序語言的選擇匯編語言是一種面向機器的語言，它能夠直接管理和控制硬件設備，占用的存儲空間比較小，運行效率高，屬于低級語言，脫離不開具體的的機器硬

46、件，因此缺乏通用性，可移植性差。即使完成較簡單的工作也需要大量匯編語言代碼，易產(chǎn)生bug，難于調(diào)試，同時編程人員必需對對單片機的硬件和指令有深入的了解。C語言是一種計算機程序設計語言，同時具有高級語言和匯編語言的特點。C語言簡潔緊湊、靈活方便、運算符和數(shù)據(jù)類型豐富、可移植性好、表達力強。由于C語言程序比用匯編程序更符合人們的思考習慣，且較易調(diào)試，故本系統(tǒng)采用C語言編寫方法。3.2數(shù)字PID控制原理數(shù)字PID算法是用差分方程來近似實現(xiàn)的，用差分方程表示的PID控制規(guī)律的理想算式是： U（t）=Kpe(t)+1/Tie(t)dt+Tdde(t)/dt (1)單片機只能處理數(shù)字信號，上式可等價于：

47、Un=Kpen+T/Ti+Td/T(e(n)-e(n-1) (2)寫成遞推公式： Un=Un-1+Kpen-e(n-1)+T/Tie(n)+Td/T(e(n)-2e(n-1)-e(n-2) (3) 其中，Un為第n次的采樣值，Un-1為第n-1的采樣值，en為第n次采樣的偏差量；e(n-1)為第n-1次采樣的偏差量；T為采樣周期；Ti為積分時間；Td為微分時間；Kp為比例系數(shù)。3.3 單片機的資源分配3.3.1 I/O口的分配P0.0P0.7用于控制LCD12864對溫度的顯示，P1.0P1.3控制鍵盤的輸入線，P1.4P1.7控制鍵盤的輸出線，P2.0用于接收溫度傳感器DS18B20傳來的溫

48、度信號以及控制傳感器進行采樣，P2.1使能端口，P2.2控制LCD12864進行讀寫操作，P2.3控制LCD顯示數(shù)據(jù)或溫度曲線，T0用于定時溫度采集，T1用于控制IGBT，外部中斷0用于鍵盤掃描。3.3.2 定時計數(shù)器的分配定時/計數(shù)器T0：工作方式為16為的定時器（定時器方式，方式1），用于溫度采集模塊，定時6S，每隔6S采集一次溫度數(shù)據(jù)。定時/計數(shù)器T1：工作方式為16位的定時器（定時器方式，方式1），用于加熱控制模塊，控制IGBT的通斷。3.3.3 外部中斷的使用分配外部中斷0（）：定義為電平觸發(fā)方式，低電平有效，用于鍵盤掃描模塊，當有按鍵按下時引腳上出現(xiàn)低電平，向CPU請求中斷，通過鍵

49、盤掃描程序進行按鍵識別。3.4 系統(tǒng)設計流程圖本系統(tǒng)主要分為測溫模塊、顯示模塊、鍵盤掃描模塊以及溫度控制模塊，各個模塊的程序流程圖如下所示：主程序流程圖如圖16所示： 圖16 主程序流程圖系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)初始化，設定PID參數(shù)、定時器賦初值，12864LCD顯示初始字幕，之后就開始判斷是否有按鍵被按下，若無按鍵按下，則繼續(xù)判斷；若有按鍵按下，則判別按下的是什么鍵，然后進入相應的子程序，直到結(jié)束。35東華理工大學（論文） 第3章 軟件設計鍵盤掃描模塊程序流程圖如圖17所示： 圖17 鍵盤掃描采用中斷的方式進行鍵盤掃描。當掃描到有鍵被按下時，執(zhí)行相應的去抖程序，進行去抖，在執(zhí)行相應的子程序就能找到

50、并識別按鍵。定時器T0主要用于定時溫度檢測，程序流程圖如圖18所示： 圖18 定時溫度采集流程圖溫度檢測我們采用定時的方式，利用定時器T0，設定定時時間為6S，即每6S DS18B20進行一次溫度檢測，然后將檢測得到的溫度值送給單片機進行分析處理。定時器T1主要用于控制IGBT的導通時間，程序流程圖如圖19所示： 圖19 IGBT控制流程圖IGBT的導通時間就是電熱杯的加熱時間，定時器T1可以用于IGBT的導通定時，從而控制電熱杯加熱。DS18B20溫度檢測流程圖，如圖20所示： 圖20 DS18B20溫度采集流程圖單片機上電后，DS18B20進行復位，然后開始測溫，所測溫度值可以直接讀出，最

51、后傳給單片機進行分析處理。東華理工大學（論文） 第4章 調(diào)試部分 第4章 調(diào)試部分4.1 調(diào)試方案本設計的調(diào)試部分主要分為：各個子模塊的調(diào)試和系統(tǒng)調(diào)試。其中子模塊的調(diào)試主要是在該模塊設計好之后，根據(jù)該子模塊要達到的的要求以及功能進行單獨的調(diào)試，只有當各個子模塊的功能都達到要求后才會進行系統(tǒng)調(diào)試。所謂系統(tǒng)調(diào)試，就是將所有子模塊按照單片機的資源分配組合在一起，看整個系統(tǒng)能否按照當初的設計要求正常工作。我們調(diào)試的原則是“先設計好一個模塊，馬上進行調(diào)試，有問題就馬上修改，在調(diào)試”，反復的調(diào)試，直到達到設計要求為止。4.2 調(diào)試方法和軟件調(diào)試所用到的儀器有：、溫度計、數(shù)字萬用表、手表、proteus等。 溫度計是用來測量水溫的，將其所測得的數(shù)值與DS18B20相比較，就可以初步得出本設計測溫部分的測量精度；數(shù)字萬用表則主要用于測試個部分電路中的電阻、壓降、電流等與電相關(guān)的參數(shù)；手表用于測試從常溫加熱到目標溫度所需的時間；proteus則用于軟件仿真。東華理工大學（論文） 結(jié)論 結(jié)論我們設計的溫度控制系統(tǒng)是基于AT89C51單片機來實現(xiàn)的，它不僅可以對當前水溫進行實時的顯示，而且還可以根據(jù)使用者的需求做出相對應的控制動作。本設計控制系