基于單片機(jī)的恒溫箱智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案-展示頁(yè)
2025-05-12 22:34本頁(yè)面
【正文】 箱以AT89C52為CPU組成單片機(jī)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)輸入信號(hào)的處理和輸出信號(hào)的控制。 單片機(jī)的選擇基于系統(tǒng)要求，系統(tǒng)所用的單片機(jī)選擇了AT89C52。 缺點(diǎn)：（1）過(guò)載能力弱；（2）抗干擾能力差；（3）導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形畸變；（4）控制電路比較復(fù)雜[8]。采用晶閘管對(duì)電熱絲的供電進(jìn)行控制。而TLC2543精度高，且與單片機(jī)接口簡(jiǎn)單，所以A/D轉(zhuǎn)換器采用TLC2543。1LSB；低供電電流(1mA典型值)；掉電模式電流為4μA。TLC2543是11個(gè)模擬輸入端的12位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有轉(zhuǎn)換快、穩(wěn)定性好、與微處理器接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于本系統(tǒng)要求對(duì)恒溫箱的溫度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和快速控制，DS18B20在速度上滿足不了要求，所以溫度傳感器采用AD590?！?，電壓范圍：+4V—+30V，低功耗。AD590是一種2端集成電路式半導(dǎo)體傳感器，輸出電流與它所受的溫度成線性關(guān)系。圖21 恒溫箱的智能控制系統(tǒng)工作框圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案確定恒溫箱的智能控制系統(tǒng)采用半導(dǎo)體集成溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，并將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，然后通過(guò)電流—電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過(guò)放大電路最終通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理后，各個(gè)檢測(cè)信號(hào)、控制信號(hào)、顯示信號(hào)通過(guò)單片機(jī)的I/O接口傳輸，并顯示于液晶顯示器上。 溫度上、下限越限報(bào)警。 溫度實(shí)時(shí)顯示；2%；1%，測(cè)量精度小于177。本控制系統(tǒng)有以下功能及指標(biāo)：設(shè)計(jì)要求：完成該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)掌握單片機(jī)采集測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，提高學(xué)習(xí)新知識(shí)、新技能的能力，培養(yǎng)獨(dú)立設(shè)計(jì)的能力。當(dāng)溫度高于或低于設(shè)定值一定程度時(shí)，發(fā)出生光報(bào)警，消除由于單片機(jī)系統(tǒng)意外失控所造成的危險(xiǎn)，提高了恒溫箱工作的可靠性和使用安全性。系統(tǒng)的全部輸入輸出控制集中由單片機(jī)統(tǒng)一管理,各有關(guān)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定，可通過(guò)鍵盤輸入，設(shè)定溫度、箱溫實(shí)時(shí)值在液晶顯示模塊上顯示，操作方便。本系統(tǒng)中采用了PID算法，其算法應(yīng)用到了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)中，對(duì)整個(gè)加熱過(guò)程使用模糊PID控制方案，對(duì)于加熱過(guò)程中所產(chǎn)生的各種干擾和恒溫箱的慣性問(wèn)題都進(jìn)行了分析[3]。溫度的控制系統(tǒng)是自動(dòng)控制系統(tǒng)較為復(fù)雜的控制，其控制的滯后性是整個(gè)系統(tǒng)中最難克服的難題，因?yàn)闇囟鹊淖兓羌儨蟓h(huán)節(jié)，而溫度的控制也是一個(gè)慣性大，應(yīng)變慢的控制對(duì)象[2]。基于單片機(jī)的恒溫箱智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案1 引言近年來(lái)為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，各個(gè)行業(yè)行為規(guī)范就越來(lái)越高，眾多機(jī)械類、醫(yī)藥類、化工類、建筑類等工業(yè)和企業(yè)都離不開(kāi)恒溫箱的使用；為了確保恒溫箱許多主要技術(shù)的指標(biāo)可以達(dá)到國(guó)家技術(shù)所要求的規(guī)定，必須對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，保證產(chǎn)品的質(zhì)量[1]。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)、研發(fā)的數(shù)字恒溫箱能非常好地解決這些問(wèn)題。在溫度的控制系統(tǒng)中一般用到的是較為先進(jìn)的控制系統(tǒng)理論和控制算法。恒溫箱的智能控制系統(tǒng)采用半導(dǎo)體集成溫度傳感器滿足溫度測(cè)量要求，溫度傳感器將采集的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，然后再由轉(zhuǎn)換電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過(guò)放大電路和模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由單片機(jī)處理后，將測(cè)量得到的溫度值顯示于液晶顯示器上。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)溫度顯示和溫度設(shè)定功能，還具有溫度上、下限報(bào)警和自動(dòng)控制功能。設(shè)計(jì)任務(wù)為：用單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)控制溫度范圍在30℃～80℃的智能溫度控制系統(tǒng)。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析 系統(tǒng)功能分析恒溫箱的智能控制系統(tǒng)由核心處理模塊、溫度采集模塊、鍵盤輸入模塊、液晶顯示模塊、及控制執(zhí)行模塊等組成。 溫度控制設(shè)定波動(dòng)范圍小于177。1%，控制精度小于177。 實(shí)現(xiàn)功能：可以升溫、控溫； 按鍵輸入，設(shè)定可控制范圍內(nèi)任意溫度值；根據(jù)以上控制系統(tǒng)要求，可得出恒溫箱的智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖21所示。 溫度傳感器的選擇采用集成半導(dǎo)體溫度傳感器AD590。溫度傳感器具有重復(fù)性好、精度高等特點(diǎn)，其測(cè)量溫度范圍為：55℃～+150℃，線性度177。AD590具有標(biāo)準(zhǔn)化的輸出，固有的線性關(guān)系[6]。 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇采用高精度A/D轉(zhuǎn)換器。TLC2543的主要特性如下：66ksps的采樣速率；最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μS；SPI串行接口；線性度誤差最大為177。本系統(tǒng)要求控制精度較高，且占用單片機(jī)的接口較多。 控制元件的選擇恒溫箱控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件是電熱絲，電熱絲的供電電源為市電交流220V，其功率對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)非常大，單片機(jī)不能直接控制的，所以，我們還要解決電熱絲的供電的控制方案。晶閘管的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： （1）功率放大倍數(shù)可達(dá)幾十萬(wàn)倍；（2）控制靈敏，反應(yīng)快；（3）損耗小，效率高；（4）體積小，重量輕；（5）改善了工作條件，維護(hù)方便。綜上所述，選用晶閘管作為電熱絲供電的控制元件。AT89C52是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（EPROM）和256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS－51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大AT89C52單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合，可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案.3 系統(tǒng)硬件的分析與設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件的結(jié)合是一個(gè)非常嚴(yán)格的過(guò)程，對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)，硬件的設(shè)計(jì)不是一成不變的，不一定只有一種方案才能實(shí)現(xiàn)，但是每個(gè)模塊都有一個(gè)最佳的設(shè)計(jì)方案，我們要綜合考慮如何搭配各個(gè)方案，選擇哪一種方案更好，不僅要考慮一個(gè)系統(tǒng)的精度，還要從成本上考慮等很多方面的問(wèn)題。用溫度傳感器檢測(cè)箱內(nèi)溫度，由于溫度傳感器的輸出信號(hào)很微弱，需經(jīng)過(guò)放大電路放大，再由模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理，將溫度值顯示在液晶顯示器上。 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源電路原理電子設(shè)備一般都需要直流電源供電。直流的穩(wěn)壓電源有電源變換的電路、整流的電路、濾波的電路、穩(wěn)壓的電路和負(fù)載的電路五部分組成，其原理框圖如圖31所示。但這樣的直流輸出電壓，還會(huì)隨交流電網(wǎng)電壓的波動(dòng)或負(fù)載的變動(dòng)而變化。圖31 直流穩(wěn)壓電源電路原理框圖電源變換電路一般由變壓器或阻容分壓電路來(lái)完成；整流電路主要是利用二極管的單向?qū)щ娦缘脑?，將交流電壓變化為單向脈動(dòng)電壓；濾波電路是利用電容的充放電儲(chǔ)能原理，將波動(dòng)變化大的脈動(dòng)電壓濾波成較平滑的電壓；穩(wěn)壓電路是直流穩(wěn)壓電源的核心，因?yàn)檎鳛V波之后的電壓雖然已是直流電壓，但它還是隨輸入電網(wǎng)的波動(dòng)而變化，是一種電壓值不穩(wěn)定的直流電壓，而且紋波系數(shù)也比較大，所以須加入穩(wěn)壓電路才能輸出穩(wěn)定的直流電壓。因此，電源變壓器采用雙15V變壓器，輸入220V，50Hz交流電，經(jīng)過(guò)單相橋式整流電路進(jìn)行整流，濾波，在分別經(jīng)過(guò)L781L7809和L7805進(jìn)行穩(wěn)壓后得到12V、9V和5V電壓分別給OP0晶閘管和單片機(jī)進(jìn)行供電，電路原理圖如圖32所示。 溫度傳感器AD590的概述AD590是一種2 端恒流集成電路式半導(dǎo)體傳感器，輸出電流與它所受的溫度成線性關(guān)系。℃，電壓范圍：+4V—
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