基于單片機的恒溫箱控制系統(tǒng)設(shè)計匯總(共17頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上一課程設(shè)計內(nèi)容運用所學(xué)單片機、模擬和數(shù)字電路、以及測控系統(tǒng)原理與設(shè)計等方面的知識，設(shè)計出一臺以AT89C52為核心的恒溫箱控制器，對恒溫箱的溫度進行控制。完成恒溫箱溫度的檢測、控制信號的輸出、顯示及鍵盤接口電路等部分的軟、硬件設(shè)計，A/D和D/A轉(zhuǎn)換器件可自行確定，利用按鍵（自行定義）進行溫度的設(shè)定，同時將當(dāng)前溫度的測量值顯示在LED上。恒溫箱控制器要求如下：1） 目標穩(wěn)定溫度范圍為100攝氏度50攝氏度。2） 控制精度為±1度。3） 溫度傳感器輸入量程：30攝氏度120攝氏度，電流420mA。加熱器為交流220V，1000W電爐。二課程設(shè)計應(yīng)完成的工作1）

2、硬件部分包括微處理器（MCU）、D/A轉(zhuǎn)換、輸出通道單元、鍵盤、顯示等；2）軟件部分包括鍵盤掃描、D / A轉(zhuǎn)換、輸出控制、顯示等；3）用PROTEUS軟件仿真實現(xiàn)；4）畫出系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)圖和軟件程序框圖；5）撰寫設(shè)計說明書一份(不少于2000字)，闡述系統(tǒng)的工作原理和軟、硬件設(shè)計方法，重點闡述系統(tǒng)組成框圖、硬件原理設(shè)計和軟件程序流程圖。說明書應(yīng)包括封面、任務(wù)書、目錄、摘要、正文、參考文獻(資料)等內(nèi)容，以及硬件電路結(jié)構(gòu)圖和軟件程序框圖等材料。注：設(shè)計說明書題目字體用小三，黑體，正文字體用五號字，宋體，小標題用四號及小四，宋體，并用A4紙打印。三課程設(shè)計進程安排序號課程設(shè)計各階段名稱日期、

3、周次1總體設(shè)計，硬件設(shè)計2012年12月24日25日，17周2繪制軟件程序流程圖，編寫軟件2012年12月26日28日，17周3軟、硬件仿真調(diào)試2012年12月27日，18周4軟、硬件仿真調(diào)試2013年1月2日3日，18周 5撰寫設(shè)計說明書2013年1月4日，18周四、設(shè)計資料及參考文獻1王福瑞等單片微機測控系統(tǒng)設(shè)計大全北京航空航天大學(xué)出版社，19992現(xiàn)代測控技術(shù)與系統(tǒng) 韓九強 清華大學(xué)出版社 2007.93智能儀器 程德福，林君主編 機械工業(yè)出版社 2005年2月4測控儀器設(shè)計浦昭邦，王寶光主編 機械工業(yè)出版社 20015Keil C51幫助文檔五成績評定綜合以下因素：(1) 說明書及設(shè)計

4、圖紙的質(zhì)量(占60%)。(2) 獨立工作能力及設(shè)計過程的表現(xiàn) (占20%)。(3) 回答問題的情況(占20%)。說明書和圖紙部分評分分值分布如下：1、 需求分析與設(shè)計思路（10分）要求說明設(shè)計任務(wù)的具體技術(shù)指標打算如何實現(xiàn)，根據(jù)實現(xiàn)各技術(shù)指標的解決方法，提出總體設(shè)計的思路和解決方案，說明其中關(guān)鍵問題及其解決辦法。2、 總體方案設(shè)計（10分）根據(jù)設(shè)計思路，完成：1）軟件與硬件分工說明；2）硬件總體框圖；3）軟件結(jié)構(gòu)圖。3、 詳細設(shè)計（35分）根據(jù)總體設(shè)計：1）用Proteus畫出電路原理圖；（10分）2）列出元件清單并說明元件選擇及參數(shù)選擇的依據(jù)；（5分）3）畫出單片機片內(nèi)資源分配圖（或表）；（

5、5分）4）畫出軟件流程圖；（10分）5）提交程序清單。（5分）4、 使用說明（5分，第3）項為2分，其余每項1分。）1）性能和功能介紹；2）各操作開關(guān)、按鈕、指示燈、顯示器等的作用介紹；3）使用操作步驟；4）故障處理。一、主要任務(wù)與目標： 恒溫控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中舉足輕重，溫度的控制直接影響著工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量和質(zhì)量。本課題基于單片機設(shè)計一個恒溫箱控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，其中硬件包括數(shù)據(jù)采集、顯示、控制、報警及溫度傳感器的設(shè)計，軟件包括鍵盤管理程序設(shè)計、顯示程序設(shè)計、控制程序設(shè)計和溫度報警程序設(shè)計。能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)置和調(diào)節(jié)初始溫度值，進行數(shù)碼顯示，當(dāng)加熱到設(shè)定值后立刻報警。設(shè)計過程中設(shè)計的控

6、制方案能夠保證精度，考慮系統(tǒng)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。二、主要內(nèi)容與基本要求：1.主要內(nèi)容：（1）了解溫度傳感器特點及其適用范圍，針對恒溫箱進行合理的選型；（2）掌握控制器單片機的有關(guān)知識，并熟悉其編程；（3）對單片機測控程序及其接口技術(shù)作重點的掌握；（4）在以上幾個內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進行課題的總體設(shè)計，繪制系統(tǒng)的總體電路。選擇合適的相關(guān)硬件，最終完成本課題的設(shè)計。2基本要求： 運用所學(xué)單片機、模擬和數(shù)字電路、以及測控系統(tǒng)原理與設(shè)計等方面的知識，設(shè)計出一臺以AT89C52為核心的恒溫箱控制器，對恒溫箱的溫度進行控制。完成恒溫箱溫度的檢測、控制信號的輸出、顯示及鍵盤接口電路等部分的軟、硬件設(shè)計，A/

7、D和D/A轉(zhuǎn)換器件可自行確定，利用按鍵（自行定義）進行溫度的設(shè)定，同時將當(dāng)前溫度的測量值顯示在LED上。三、恒溫箱控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計1.系統(tǒng)設(shè)計要求1)目標穩(wěn)定溫度范圍為100攝氏度50攝氏度?？刂凭葹?#177;1度。2)溫度傳感器輸入量程：30攝氏度120攝氏度，電流420mA。 加熱器為交流220V，1000W電爐。3) 鍵盤按鍵輸入, 具有設(shè)定、加溫、減溫、復(fù)位等。4) 顯示功能, 數(shù)碼管顯示設(shè)定值與當(dāng)前所測溫度值。5) 具有超溫報警功能。6) 具有掉電保護功能。2 .方案設(shè)計1) 以應(yīng)用廣泛、性能可靠的M CS 51 系列單片機組成控制系統(tǒng)。2) 溫度采樣選擇數(shù)字溫度傳感器DS18

8、B20。3) 利用P P 40 微型打印機進行溫度記錄打印。4) 單片機與上位機通信采用MA X 489 構(gòu)成標準RS- 422A 通信接口。5) 鍵盤為8 鍵式, 完成設(shè)定、增溫、降溫、清除、模式切換、復(fù)位、,3位數(shù)碼管循環(huán)顯示設(shè)定與檢測的溫度。四、恒溫箱控制系統(tǒng)框圖五、功能模塊根據(jù)上面對工作流程的分析，系統(tǒng)軟件可以分為以下幾個功能模塊：(1) 鍵盤管理：監(jiān)測鍵盤輸入，接收溫度預(yù)置，啟動系統(tǒng)工作。(2) 顯示：顯示設(shè)置溫度及當(dāng)前溫度。(3) 溫度檢測及溫度值變換(4) 溫度控制：根據(jù)檢測到的溫度控制電爐工作。(5) 報警：當(dāng)預(yù)置溫度或當(dāng)前爐溫越限時報警。六、硬件設(shè)計及工作原理1.系統(tǒng)功能及工

9、作流程介紹根據(jù)恒溫箱控制器的功能要求，并結(jié)合對51系列單片機的資源分析，即單片機軟件編程自由度大，可用編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。所以采用AT89C52作為電路系統(tǒng)的控制核心。按鍵將設(shè)置好的溫度值傳給單片機，通過溫度顯示模塊顯示出來。初始溫度設(shè)置好后，單片機開啟輸出控制模塊，使電熱器開始加熱，同時將從數(shù)字溫度傳感器DS18B20測量到的溫度值實時的顯示出來，當(dāng)加熱到設(shè)定溫度值時，單片機控制聲光報警模塊，發(fā)出聲光報警，同時關(guān)閉加熱器。當(dāng)自然冷卻到設(shè)定溫度50攝氏度以下時，單片機再次啟動加熱器，如此循環(huán)反復(fù)，以達到恒溫控制的目的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)基本硬件電路圖如圖所示，在本系統(tǒng)中，

10、DP1DP3用于七段數(shù)碼顯示；P1.0用于接收DS18B20采集到的數(shù)字溫度信號；P1.6控制光電開關(guān)，決定電加熱器是否工作；KEY1KEY3即P1.1，P1.2，P1.3用于按鍵控制；P1.7和P1.5用于控制揚聲器和發(fā)光二極管，進行聲光報警；串行口用于輸出顯示段碼；P2.0、P2.1用于對數(shù)碼管進行動態(tài)掃描。2.微處理器AT89C52AT89C52單片機是最新的一種低功耗、高性能內(nèi)含SK字節(jié)閃電存儲器的8位CMOS微控制器，與工業(yè)標準MCS51指令系列和引腳完全兼容有超強的加密功能，其片內(nèi)閃電存儲器的編程與擦除完全用電實現(xiàn)，數(shù)據(jù)不易揮發(fā)，編程/擦除速度快，它的主要特點有：(1)內(nèi)部程序存儲

11、器為電擦除可編程只讀存儲器EEPROM，容量SKB，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器容量256B(不包括專用寄存器)，外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間64KB，外部程序存儲器尋址空間64KB；(2)有三個16位的定時器/計數(shù)器；(3)可利用兩根I/O口線作為全雙工的串行口，有四種工作方式，可通過編程選定； (4)內(nèi)部ROM中開辟了四個通用工作寄存器區(qū)，共32個通用寄存器，以適應(yīng)多種中斷或子程序嵌套的情況；(5)內(nèi)部有6個中斷源，分為二個優(yōu)先級，每個中斷源優(yōu)先級是可編程的；(6)堆棧位置是可編程的，堆棧深度可達128字節(jié)；(7)內(nèi)部有一個由直接可尋址位組成的布爾處理機，在指令系統(tǒng)中包含了一個指令子集，專用于對布爾處理機的各

12、位進行各種布爾處理，特別適用于控制目的和解決邏輯問題 AT89C52其引腳結(jié)構(gòu)3.溫度傳感器 采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，DS18B20提供九位溫度讀數(shù)，測量范圍-55125，采用獨特1-WIRE 總線協(xié)議，只需一根口線即實現(xiàn)與MCU 的雙向通訊，具有連接簡單，高精度，高可靠性等特點。并且,DS18B20支持一主多從,若想實現(xiàn)多點測溫,可方便擴展。DS18B20采用的是1Wire總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對AT89C52單片機來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對DS18B20芯片的訪問。DS18B20的特點：（

13、1）獨特的單線接口方式，與單片機通信只需一個引腳，DS18B20與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。 （2）在使用中不需要任何外圍元件。 （3）可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+3.0+5.5 V。 （4）測溫范圍為-55 +125 。在-10+85范圍內(nèi)誤差為0.5 。 （5）通過編程可實現(xiàn)912位的數(shù)字讀數(shù)方式。 （6）用戶可自設(shè)定非易失性的報警上下限值。 （7）支持多點組網(wǎng)功能，通過識別芯片各自唯一的產(chǎn)品序列號從而實現(xiàn)單線多掛接，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的線上，簡化了分布式溫度檢測的應(yīng)用，實現(xiàn)多點測溫。 （8）負壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因

14、發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。（9）告警尋找命令可以識別和尋址那些溫度超出預(yù)設(shè)告警界限的器件。（3）DS18B20在電路中的連接，見圖。（2）1-wire總線支持一主多從式結(jié)構(gòu)，硬件上需外接上拉電阻。當(dāng)一方完成數(shù)據(jù)通信需要釋放總線時，只需將總線置高點平即可；若需要獲得總線進行通信時則要監(jiān)視總線是否空閑，若空閑，則置低電平獲得總線控制權(quán)。DS18B20測溫電路4.顯示部分 顯示采用 3 位共陽LED 動態(tài)顯示方式,顯示內(nèi)容有溫度值的十位、個位及小數(shù)點后一位。用P2 口作為段控碼輸出，并用74ls164 作驅(qū)動。P0.0P0.2作為位控碼輸出，用PNP型三極管做驅(qū)動.5.鍵盤輸入電路鍵盤設(shè)定：用于溫

15、度設(shè)定。共三個按鍵。 KEY1（P1.1）: 狀態(tài)切換；溫度設(shè)置確認；溫度重新設(shè)置。KEY2（P1.2）: 設(shè)置溫度“+”。KEY3（P1.3）: 設(shè)置溫度“-”。 6.輸出控制采用光電藕合器，控制信號與輸出信號可以很好的隔離，增強了系統(tǒng)的安全性和抗干擾能力。輸出控制電路，MOC3021內(nèi)部帶有過零控制電路,MOC3021輸出端額定電壓為400V。加熱電路中采用MOC3021的目的有兩個:其一是實現(xiàn)強電與弱電的隔離;其二是實現(xiàn)雙向可控硅的過零觸發(fā),從而使流過雙向可控硅的電流波形為正弦波,減少諧波。電路連接如圖所示，其在電路中的工作原理是單片機根據(jù)傳感器和設(shè)定開關(guān)輸入的控制指令，控制電器的電源通

16、斷。SW1為雙向開關(guān),其最大通態(tài)電流為1A。當(dāng)電源控制電路的輸出管腳P1.6送出的開關(guān)控制指令為高電平，MOC3021截止，Q2截止，電器被關(guān)閉；當(dāng)電源控制電路的輸出管腳P1.6送出的開關(guān)控制指令為低電平，MOC3041導(dǎo)通，Q2導(dǎo)通，電器被打開。通過MOC3021內(nèi)部的過零觸發(fā)電路，保證Q2在電壓過零時導(dǎo)通和截止，對供電系統(tǒng)干擾極小。R6和C6是Q2的保護電路。 光耦控制輸出電路7.溫度越線報警電路報警電路如圖所示，該電路采用一個小功率三極管Q2驅(qū)動蜂鳴器,當(dāng)單片機接收到超額溫度信號或危險信號時,輸出腳P1.7輸出高點平,Q2導(dǎo)通，致使蜂鳴器得電工作，發(fā)出報警聲。同時，電路中的發(fā)光二極管指示

17、出電路的工作狀態(tài)。報警電路8.恒溫箱控制器硬件系統(tǒng)圖七、系統(tǒng)的軟件設(shè)計軟件描述：在軟件設(shè)計時，必須先弄清恒溫控制系統(tǒng)的操作過程和工作過程。加熱器開始時處于停止?fàn)顟B(tài)，首先設(shè)定溫度，顯示器顯示溫度，溫度設(shè)定后則可以啟動加熱。溫度檢測系統(tǒng)不斷檢測并顯示系統(tǒng)中的實時溫度，當(dāng)達到設(shè)定值后停止加熱，當(dāng)溫度下降到下限(小于設(shè)定值1)時再自動啟動加熱，這樣不斷的循環(huán)，使溫度保持在設(shè)定范圍之內(nèi)。啟動加熱以后就不能再設(shè)定溫度，因為溫度的設(shè)定可以根據(jù)實驗要求改變。若要改變設(shè)定的溫度，可以先按復(fù)位停止鍵再重復(fù)上述過程。根據(jù)以上對操作和工作過程的分析，程序應(yīng)分為兩個階段：一是通電或復(fù)位后到啟動加熱，程序主要是按鍵設(shè)定、

18、顯示器顯示設(shè)定溫度；二是檢測并顯示系統(tǒng)的實時溫度，并根據(jù)檢測的結(jié)果控制電熱器，這時系統(tǒng)不接收鍵盤的輸入。因此，程序可以分為以下幾個功能模塊：溫度設(shè)定和啟動；顯示；溫度檢測；溫度控制以及報警。1、溫度傳感器DS18B20模塊軟件設(shè)計 DS18B20上電后處于空閑狀態(tài),需要控制器發(fā)能完成溫度轉(zhuǎn)換。DS18B20的單線通訊功能是分時完成的，具有嚴格的時序要求，而AT89C2052單片機并不支持單線傳輸,必須采用軟件的方法來模擬單線的協(xié)議時序。DS18B20的操作必須嚴格按照協(xié)議進行。工作協(xié)議流程為：主機發(fā)復(fù)位脈沖初始化DS18B20DS18B20發(fā)響應(yīng)脈沖主機發(fā)ROM操作指令主機發(fā)存儲器操作指令數(shù)據(jù)

19、傳輸。對DS18B20操作時，首先要將它復(fù)位。復(fù)位時，DQ線被拉為低電平，時間為480960us；接著將數(shù)據(jù)線拉為高電平，時間為1560us；最后DS18B20發(fā)出60240us的低電平作為應(yīng)答信號，這時主機才能進行讀寫操作。進行寫操作時，將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平，產(chǎn)生寫起始信號。從DQ線的下降沿起計時，在15us到60us這段時間內(nèi)對數(shù)據(jù)線進行檢測，如數(shù)據(jù)線為高電平則寫1；若為低電平，則寫0，完成了一個寫周期。在開始另一個寫周期前，必須有1us以上的高電平恢復(fù)期。每個寫周期必須要進行寫操作時，將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平，產(chǎn)生寫起始信號。從DQ線的下降沿起計時，在15us到60us這段時間內(nèi)

20、對數(shù)據(jù)線進行檢測，如數(shù)據(jù)線為高電平則寫1；若為低電平，則寫0，完成了一個寫周期。在開始另一個寫周期前，必須有1us以上的高電平恢復(fù)期。每個寫周期必須要有60us以上的持續(xù)期。讀操作時，主機將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平1us以上，再使數(shù)據(jù)線升為高電平，從而產(chǎn)生讀起始信號。從主機將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平起15us至60us，主機讀取數(shù)據(jù)。每個讀周期最短的持續(xù)期為60us，周期之間必須有1us以上的高電平恢復(fù)期。溫度轉(zhuǎn)換讀取溫度數(shù)值程序流程如圖所示。 溫度轉(zhuǎn)換讀取溫度數(shù)值程序流程2、鍵盤管理模塊鍵盤管理子程序流程如圖所示。 當(dāng)通電或復(fù)位以后，系統(tǒng)進入鍵盤管理狀態(tài)，單片機只接收設(shè)定溫度和啟動。當(dāng)檢測到

21、有鍵閉合時先去除抖動，這里采用軟件延時的方法，延時一段時間后，再確定是否有鍵閉合，然后將設(shè)定好的值送入預(yù)置溫度數(shù)據(jù)區(qū)，并調(diào)用溫度合法檢測報警程序，當(dāng)設(shè)定溫度超過最大值如100時就會報警，最后當(dāng)啟動鍵閉合時啟動加熱。鍵盤設(shè)定：用于溫度設(shè)定。共三個按鍵。 KEY1（P1.1）: 狀態(tài)切換；溫度設(shè)置確認；溫度重新設(shè)置。KEY2（P1.2）: 設(shè)置溫度“+”。KEY3（P1.3）: 設(shè)置溫度“-”。 系統(tǒng)上電后，數(shù)碼管全部顯示為零，根據(jù)按 KEY1 次數(shù),決定顯示的狀態(tài)，根據(jù)相應(yīng)的狀態(tài)，利用KEY2、KEY3進行加減，當(dāng)溫度設(shè)定好之后，再按KEY1確定，系統(tǒng)開始測溫，啟加熱器。3、顯示模塊顯示子程序的功能是將緩沖區(qū)的二進制數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)換成3個BCD碼，再將其分別存入百位、十位、個位3個顯示緩沖區(qū)，送往串行口，利用單片機的P0口進行掃描，讓數(shù)據(jù)動