【正文】 軟件抗干擾技術(shù) ................................................ 18 9 系統(tǒng)制作與測(cè)試 ..................................................... 19 基于單片機(jī)的恒溫箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 結(jié)束語(yǔ) ............................................................. 21 參 考 文 獻(xiàn) ........................................................ 22 致謝 ............................................................... 23 基于單片機(jī)的恒溫箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 1 引言 溫度控制是工業(yè) 生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制，特別是在冶金、化工、建材、食品、機(jī)械、石油等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用，其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，因而設(shè)計(jì)一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價(jià)值的。對(duì)于不同場(chǎng)所、不同工藝、所需溫度高低范圍不同、精度不同，則采用的測(cè)溫元件、測(cè)溫方法以及對(duì)溫度的控制方法也將不同；產(chǎn)品工藝不同、控制溫度的精度不同、時(shí)效不同，則對(duì)數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制算法也不同。因而，對(duì)溫度的測(cè)控方法多種多樣。隨著電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。利用微 機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)控的技術(shù)，也便隨之而生，并得到日益發(fā)展和完善，越來越顯示出其優(yōu)越性。然而現(xiàn)有的溫度傳感元件大多為模擬器件（熱電耦）體積大、應(yīng)用復(fù)雜、而且不容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化等缺點(diǎn)，阻礙了應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展。本設(shè)計(jì)從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)選取了體積小、精度相對(duì)高的數(shù)字式溫度傳感元件 DS18B20 作為溫度采集器，單片機(jī) AT89C51 作為主控芯片，數(shù)碼管作為顯示輸出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量與恒定控制。 2 系統(tǒng)概述 簡(jiǎn)述 單片機(jī)已經(jīng)在測(cè)控中獲得了廣泛的應(yīng)用，它除了可以測(cè)量電信號(hào)以外，還可以用于溫度、濕度等非電信號(hào)的測(cè)量，能獨(dú) 立工作的單片機(jī)溫度檢測(cè)、溫度控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到很多領(lǐng)域。 單片機(jī)的接口信號(hào)是數(shù)字電信號(hào)，要想用單片機(jī)獲取溫度這類非電信號(hào)的信息，毫無疑問，必須使用溫度傳感器。溫度傳感器的作用是將溫度信息轉(zhuǎn)換為電流或電壓輸出，如果轉(zhuǎn)換后的電流或電壓輸出是模擬信號(hào)，那么還必須進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，以滿足單片機(jī)接口的需要。 傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)大多以熱敏電阻為溫度傳感器，但熱敏電阻的可靠性差、測(cè)量溫度準(zhǔn)確率低，而且必須經(jīng)過專門的接口電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后才能由單片機(jī)進(jìn)行處理。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，單片微處理器功能日益增強(qiáng)，價(jià)格低廉，在各方 面得到廣泛應(yīng)用。在溫度控制器中應(yīng)用單片機(jī)，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠性高、 控制精度高， 功能易擴(kuò)展， 有較強(qiáng)的通用性 等優(yōu)點(diǎn)。溫度控制器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)恒溫箱溫度的控制，并滿足不同用戶的個(gè)性需求。因此一個(gè)較完善的控制器應(yīng)具有以下功能： 溫度的測(cè)量與顯示；用戶設(shè)定功能 (如溫度設(shè)定，定時(shí)設(shè)定等 )； 對(duì)電加熱管的控制功能； 一些功能鍵 (如定時(shí)自動(dòng)加熱，恒溫控制，手動(dòng)加熱等 )； 安全措施 (漏電檢測(cè)，安全失效保護(hù)，限溫保護(hù)等 )。本文將采用一種數(shù)字溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)基于 51 單片機(jī)的恒溫箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 整個(gè)控制系統(tǒng)分為硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序 設(shè)計(jì)兩部分。 基于單片機(jī)的恒溫箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 3 設(shè)計(jì)思路分析 設(shè)計(jì) 51單片機(jī)的恒溫箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮下面 3個(gè)方面的內(nèi)容： ● 選擇合適的溫度傳感器芯片。顯然，本文中的核心器件是單片機(jī)和溫度傳感器，單片機(jī)采用常用的 51單片機(jī)即可，而溫度傳感器的選擇則需慎重。 ● 單片機(jī)和溫度傳感器的接口電路設(shè)計(jì)。 ● 控制溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度信息采集以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖O(shè)計(jì)。 4 方案論證 溫度傳感器 方案一：采用熱敏電阻，可滿足 40～ 90℃的測(cè)量范圍，但熱敏電阻精度、重復(fù)性、可靠性都比較差，其測(cè)量溫度范圍相對(duì)較小，穩(wěn)定性較差，不能滿足本系統(tǒng)溫度控制的范 圍要求。 方案二：采用溫度傳感器鉑電阻 Pt1000。鉑熱電阻的物理化學(xué)性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定，它能用作工業(yè)測(cè)溫元件，且此元件線性較好。在 0— 100 攝氏度時(shí)，最大非線性偏差小于 攝氏度。鉑熱電阻與溫度關(guān)系是， Rt = R0(1+At+Bt*t) 。其中 Rt 是溫度為 t 攝氏度時(shí)的電阻； R0 是溫度為 0 攝氏度時(shí)的電阻； t 為任意溫度值， A,B 為溫度系數(shù)。 方案三：采用模擬溫度傳感器 AD590K， AD590K 具有較高精度和重復(fù)性（重復(fù)性優(yōu)于 ℃），其良好的非線性可以保證優(yōu)于177。 ℃的測(cè)量精度。但其測(cè)量的值需要經(jīng)過運(yùn)算放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換再傳給單片機(jī)，硬件電路較復(fù)雜，調(diào)試也會(huì)相對(duì)困難，所以本系統(tǒng)不宜采用此法。 方案四：采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20， DS18B20 提供九位溫度讀數(shù)，測(cè)量范圍55℃ ~125℃，采用獨(dú)特 1WIRE 總線協(xié)議，只需一根口線即實(shí)現(xiàn)與 MCU 的雙向通訊，具有連接簡(jiǎn)單，高精度，高可靠性等特點(diǎn)。并且 ,DS18B20 支持一主多從 ,若想實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫 ,可方便擴(kuò)展。 綜合以上四種方案，本設(shè)計(jì)采用第四種方案，利用數(shù)字溫度計(jì) DS18B20 作為溫度傳感器。 顯示部分 方案一：采用 I/O 口直接驅(qū)動(dòng)，需要占用大量可貴的 I/O 口資源，且系統(tǒng)運(yùn)行后，更換元件不易，不符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性、易擴(kuò)展性原則。 方案二：采用串行口驅(qū)動(dòng)、靜態(tài)顯示，利用單片機(jī)的串行口輸出數(shù)據(jù)，顯示多位數(shù)碼，可節(jié)省大量的 I/O 口，但每個(gè)數(shù)碼管必須有一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片，且每位段碼須接一個(gè)限流電阻，所須元件多，硬件電路比較復(fù)雜。 方案三：采用串行口驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)掃描顯示，利用單片機(jī)的串行口輸出數(shù)據(jù)，顯示基于單片機(jī)的恒溫箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 多位數(shù)碼，多個(gè)數(shù)碼管可共用驅(qū)動(dòng)芯片和限流電阻。這樣既可以簡(jiǎn)化硬件電路，又可以節(jié)省大量的 I/O口線，為功能擴(kuò)展留下空間。 綜 合以上三種方案，本設(shè)計(jì)采用方案三：串行口驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)顯示。 根據(jù)系統(tǒng)具體指標(biāo)要求，可以對(duì)每一個(gè)具體部分進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。 輸出控制 方案一：采用繼電器，易于控制，且實(shí)行比較簡(jiǎn)單，但強(qiáng)電和弱電不能很好的隔離，抗干擾能力極差。 方案二：采用光電藕合器，控制信號(hào)與輸出信號(hào)可以很好的隔離，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和抗干擾能力。 綜合以上兩種方案，本設(shè)計(jì)采用光電藕合器控制負(fù)載工作。 5 硬件設(shè)計(jì)及工作原理 系統(tǒng)功能及工作流程介紹 根據(jù)恒溫箱控制器的功能要求，并結(jié)合對(duì) 51 系列單片機(jī)的資源分析，即單片機(jī)軟件編程自由度大 ，可用編程實(shí)現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。所以采用 AT89C51 作為電路系統(tǒng)的控制核心。恒溫箱控制器的總體布局如圖 1所示。按鍵將設(shè)置好的溫度值傳給單片機(jī)，通過溫度顯示模塊顯示出來。初始溫度設(shè)置好后，單片機(jī)開啟輸出控制模塊，使電熱器開始加熱，同時(shí)將從數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 測(cè)量到的溫度值實(shí)時(shí)的顯示出來，當(dāng)加熱到設(shè)定溫度值時(shí)，單片機(jī)控制聲光報(bào)警模塊，發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)關(guān)閉加熱器。當(dāng)自然冷卻到設(shè)定溫度 3 攝氏度以下時(shí)，單片機(jī)再次啟動(dòng)加熱器，如此循環(huán)反復(fù)，以達(dá)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 2所示，在本系統(tǒng)中， DP1～ DP3 用于七段數(shù)碼顯示； 用于接收 DS18B20 采集到的數(shù)字溫度信號(hào)； FUZA1 控制光電開關(guān)，決定電加熱器是否工作； K1～ K3用于按鍵控制； BELL 和 、 用于控制揚(yáng)聲器和發(fā)光二極管，進(jìn)行聲光報(bào)警；串行口用于輸出顯示段碼； 、 用于對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描。 基于單片機(jī)的恒溫箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 E A / V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2