基于单片机的自动恒温箱控制系统的设计
基于单片机的自动恒温箱控制系统的设计[20200211151937]
摘要
在二十一世纪的如今，单片机已经在我们生活中起到了越来越大的作用，在很多领域都得到了重要应用，随着它的发展成熟，也将会被更多的采用。特别是在温度检测方面基于单片机的技术得到广泛引用。本文将从硬件和软件两个方面详细介绍一种基于单片机AT89S52的恒温控制系统的设计。该设计以DS18B20作为温度检测装置，并用LCD1602作为温度显示装置和还具有超温报警功能。同时本设计在温度控制方面采用了PID调节，能够更加稳定准确地控制温度的变化。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:单片机传感器温度测量PID
目 录
1绪论 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2国内外的研究现状 1
1.3课题研究的主要内容 2
2恒温控制系统方案的设计 4
2.1系统功能 4
2.2系统设计方案 4
2.3本章小结 5
3 恒温控制系统的硬件电路设计 6
3.1稳压模块 6
3.1.1变压器 7
3.1.2 7805三端稳压器 8
3.2单片机控制模块 8
3.2.1单片机AT89S52功能特性 9
3.2.2引脚作用 10
3.2.3定时器和中断 10
3.3温度检测模块 11
3.3.1温度传感器DS18B20的特性优点 12
3.3.2 DS18B20工作原理及应用 12
3.3.3单片机对DS18B20操作流程 13
3.4显示模块 14
3.4.1液晶显示器LED1602 14
3.5加热模块 15
3.5.1继电器控制电路 16
3.6温度设定模块 16
3.7声光报警模块 17
3.8本章小结 17
4恒温控制系统的软件设计 18
4.1系统主流程 18
4.2 DS18B20温度采集流程 19
4.3 LDC1602显示流程 19
4.4键盘控制流程 20
4.5加热控制流程 21
4.5.1 PID控制的原理 22
4.5.2 PID控制的参数整定 23
4.6本章小结 24
5实际调试 25
5.1 硬件检测 25
5.2 实物介绍 25
5.3实物工作现象 26
5.4本章小结 29
6总结与展望 30
参考文献 31
附录1 系统硬件原理图 32
附录2 系统整体程序 33
附录3 LCD1602液晶显示模块内部字符发生存储器中字符代码 39
致谢 40
1绪论
1.1课题研究的背景及意义
如今，在日常生活，工业生产制造等很多方面，温度这一因素起到了很重要的影响，也因此，被人们越来越多的作为一个重要方面来研究参考，以保证我们日常生活中各项工作的顺利运行，比如用水加热，大棚粮仓温度检测，火灾报警，室温调节等。因此，如今在以温度这一参数来作为基础而设计出的温度控制系统已经被广泛的开发研究和使用。在以前我们大多是通过应用温度计来采集温度信息，可是特也有着很多缺点，不但采集精度低，不准确，实时性也差，而且需要操作人员动手记录，不利于广泛推广。此外由于周围环境等因素也会很大的加大温度数据的采集难度，比如炼钢厂，火灾现场等现场，工作人员不能长时间的在一个地方停留采集现场温度，因此我们需要实现自动的温度采集与控制，从而节省人力物力的消耗。所以，如今高精度，低成本，灵敏性强的温度检测与控制系统成了主要的研究方向。
需求决定了技术，技术引导了产品的开发方向，在这样的环境下，和温度控制有关的电子产品的研究开发成为了当今一大热门项目。特别是随着单片机技术的研究日益成熟，应用的范围也越来越广，以单片机为基础的温度控制系统，也深入运用到了生活的各个方面，它对温度控制系统中存在的延时问题有了很好的解决方案，而且还节省了人力物力，提高了采样频率，大大提高了控制的效果与精度。
1.2国内外的研究现状
国内外温度控制系统发展飞快，并在自动化、自适应、参数自整定等方面都获得收获。目前在温度控制上人们大多是采用智能调节器，国产调节器与国外的相比，虽然价格要便宜很多，但是它们的分辨率和精度较低。很多科学技术领先的国家，都生产出了一批商品化的、性能精良的温度控制器及仪器仪表，并在各行各业被广泛应用。它们主要具有如下的特点[1]：一是针对那些有着大惯性或者是大滞后等复杂情况系统而设计的控制系统；二是对那些因为受控系统数学模型难以建立而制造的控制系统；三是对那些因为受控系统过程太复杂或者是参数需要经常变化的温度控制系统的控制；四是应用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法的控制系统，它们适应的范围广泛；五是能够自我整定参数的控制系统。有的还具有自学习功能，可以根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，从而保证了控制效果的最优化；六是控制系统精度高，抗干扰能力强，鲁棒性好的特点[1]。目前，国内外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。
近年来，温度检测理论已经发展得很成熟了，但在实际的操作中，如何把采集温度信息变得高效，并对之进行有效的控制，仍然是需要解决的首要问题。温度测量技术和温度控制技术是温度测控技术的两个方面。在温度的测量技术中，很早就有所研究的是接触式测温，由于它简单、可靠、低廉、测量精度较高的有点而被被广泛应用。可是不可避免的在运用中也发现了很多不足之处，比如受热惯性影响，它响应时间较长，难以精确测量出热容量小的物体，并且对腐蚀性介质测量，对超高温测量，对运动物体的温度测量，接触式都不适合。另一种测温方法就是非接触式测温，它通过对物体进行辐射，测其能量，比如红外线、紫外线来对物体测温，它能有效地解决接触式测温的不足之处。但它也应为不能解除而对测温产生了大的误差，并且大多是测出的物体表面温度，价格昂贵等缺点不能被广泛应用。因此，在实际的温度测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入[2]。
就目前情况而定，国内外对于温度控制的研究重心已经从机械化向着智能化方向发展，市场上已经出现了越来越多的智能电子式的温度控制器。相信随着科技的发展，智能化的温度测控技术必将在短期内全面取代机械式温度测控技术。此外，在测控技术的功能，精度，可靠性等方面也将会有长足的发展。相信对于温度测控技术的研究以后将会让我们的生活更加方便，并且会具有更加有效的功能，而且在安全，可靠性方面也会有更大的保障。目前国内对于温度控制系统的研究虽然方法、技术各具一格，且各有千秋，但是它们的目的是一样的，不能脱离一个大的方向。故有综各界之成果设计一新型温度控制器的想法。目前面临的问题就是如何才能做到取长补短，从而来设计出新型的温度控制器[19]。
1.3课题研究的主要内容
课题所研究的内容主要是利用单片机AT89S52为核心，选择体积小，精度高的数字式温度传感器DS18B20来作为采集温度的装置，通过液晶显示器LCD1602作为输出显示，实现对温度的测量、显示与恒温控制。
在设计中主要包括了对温度的采集，显示及控制这三个部分，编写程序结合硬件进行调试，实现了温度设定和实时温度显示功能，还具有温度上限报警和调节控制功能。当温度高于设定值一定程度时，会发出声光报警，然后停止加热，提高了控制系统恒温工作的可靠性和安全性。
本片论文主要从如下几个方面介绍了恒温控制系统：
第一章，我们阐述了课题研究的背景及意义，并且大概讲述了国内外的发展现状与趋势，同时也介绍了本课题所要研究的主要内容；
第二章，我们阐述恒温控制系统的系统功能，从而设计出总体结构，并叙述了它的工作原理；
摘要
在二十一世纪的如今，单片机已经在我们生活中起到了越来越大的作用，在很多领域都得到了重要应用，随着它的发展成熟，也将会被更多的采用。特别是在温度检测方面基于单片机的技术得到广泛引用。本文将从硬件和软件两个方面详细介绍一种基于单片机AT89S52的恒温控制系统的设计。该设计以DS18B20作为温度检测装置，并用LCD1602作为温度显示装置和还具有超温报警功能。同时本设计在温度控制方面采用了PID调节，能够更加稳定准确地控制温度的变化。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:单片机传感器温度测量PID
目 录
1绪论 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2国内外的研究现状 1
1.3课题研究的主要内容 2
2恒温控制系统方案的设计 4
2.1系统功能 4
2.2系统设计方案 4
2.3本章小结 5
3 恒温控制系统的硬件电路设计 6
3.1稳压模块 6
3.1.1变压器 7
3.1.2 7805三端稳压器 8
3.2单片机控制模块 8
3.2.1单片机AT89S52功能特性 9
3.2.2引脚作用 10
3.2.3定时器和中断 10
3.3温度检测模块 11
3.3.1温度传感器DS18B20的特性优点 12
3.3.2 DS18B20工作原理及应用 12
3.3.3单片机对DS18B20操作流程 13
3.4显示模块 14
3.4.1液晶显示器LED1602 14
3.5加热模块 15
3.5.1继电器控制电路 16
3.6温度设定模块 16
3.7声光报警模块 17
3.8本章小结 17
4恒温控制系统的软件设计 18
4.1系统主流程 18
4.2 DS18B20温度采集流程 19
4.3 LDC1602显示流程 19
4.4键盘控制流程 20
4.5加热控制流程 21
4.5.1 PID控制的原理 22
4.5.2 PID控制的参数整定 23
4.6本章小结 24
5实际调试 25
5.1 硬件检测 25
5.2 实物介绍 25
5.3实物工作现象 26
5.4本章小结 29
6总结与展望 30
参考文献 31
附录1 系统硬件原理图 32
附录2 系统整体程序 33
附录3 LCD1602液晶显示模块内部字符发生存储器中字符代码 39
致谢 40
1绪论
1.1课题研究的背景及意义
如今，在日常生活，工业生产制造等很多方面，温度这一因素起到了很重要的影响，也因此，被人们越来越多的作为一个重要方面来研究参考，以保证我们日常生活中各项工作的顺利运行，比如用水加热，大棚粮仓温度检测，火灾报警，室温调节等。因此，如今在以温度这一参数来作为基础而设计出的温度控制系统已经被广泛的开发研究和使用。在以前我们大多是通过应用温度计来采集温度信息，可是特也有着很多缺点，不但采集精度低，不准确，实时性也差，而且需要操作人员动手记录，不利于广泛推广。此外由于周围环境等因素也会很大的加大温度数据的采集难度，比如炼钢厂，火灾现场等现场，工作人员不能长时间的在一个地方停留采集现场温度，因此我们需要实现自动的温度采集与控制，从而节省人力物力的消耗。所以，如今高精度，低成本，灵敏性强的温度检测与控制系统成了主要的研究方向。
需求决定了技术，技术引导了产品的开发方向，在这样的环境下，和温度控制有关的电子产品的研究开发成为了当今一大热门项目。特别是随着单片机技术的研究日益成熟，应用的范围也越来越广，以单片机为基础的温度控制系统，也深入运用到了生活的各个方面，它对温度控制系统中存在的延时问题有了很好的解决方案，而且还节省了人力物力，提高了采样频率，大大提高了控制的效果与精度。
1.2国内外的研究现状
国内外温度控制系统发展飞快，并在自动化、自适应、参数自整定等方面都获得收获。目前在温度控制上人们大多是采用智能调节器，国产调节器与国外的相比，虽然价格要便宜很多，但是它们的分辨率和精度较低。很多科学技术领先的国家，都生产出了一批商品化的、性能精良的温度控制器及仪器仪表，并在各行各业被广泛应用。它们主要具有如下的特点[1]：一是针对那些有着大惯性或者是大滞后等复杂情况系统而设计的控制系统；二是对那些因为受控系统数学模型难以建立而制造的控制系统；三是对那些因为受控系统过程太复杂或者是参数需要经常变化的温度控制系统的控制；四是应用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法的控制系统，它们适应的范围广泛；五是能够自我整定参数的控制系统。有的还具有自学习功能，可以根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，从而保证了控制效果的最优化；六是控制系统精度高，抗干扰能力强，鲁棒性好的特点[1]。目前，国内外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。
近年来，温度检测理论已经发展得很成熟了，但在实际的操作中，如何把采集温度信息变得高效，并对之进行有效的控制，仍然是需要解决的首要问题。温度测量技术和温度控制技术是温度测控技术的两个方面。在温度的测量技术中，很早就有所研究的是接触式测温，由于它简单、可靠、低廉、测量精度较高的有点而被被广泛应用。可是不可避免的在运用中也发现了很多不足之处，比如受热惯性影响，它响应时间较长，难以精确测量出热容量小的物体，并且对腐蚀性介质测量，对超高温测量，对运动物体的温度测量，接触式都不适合。另一种测温方法就是非接触式测温，它通过对物体进行辐射，测其能量，比如红外线、紫外线来对物体测温，它能有效地解决接触式测温的不足之处。但它也应为不能解除而对测温产生了大的误差，并且大多是测出的物体表面温度，价格昂贵等缺点不能被广泛应用。因此，在实际的温度测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入[2]。
就目前情况而定，国内外对于温度控制的研究重心已经从机械化向着智能化方向发展，市场上已经出现了越来越多的智能电子式的温度控制器。相信随着科技的发展，智能化的温度测控技术必将在短期内全面取代机械式温度测控技术。此外，在测控技术的功能，精度，可靠性等方面也将会有长足的发展。相信对于温度测控技术的研究以后将会让我们的生活更加方便，并且会具有更加有效的功能，而且在安全，可靠性方面也会有更大的保障。目前国内对于温度控制系统的研究虽然方法、技术各具一格，且各有千秋，但是它们的目的是一样的，不能脱离一个大的方向。故有综各界之成果设计一新型温度控制器的想法。目前面临的问题就是如何才能做到取长补短，从而来设计出新型的温度控制器[19]。
1.3课题研究的主要内容
课题所研究的内容主要是利用单片机AT89S52为核心，选择体积小，精度高的数字式温度传感器DS18B20来作为采集温度的装置，通过液晶显示器LCD1602作为输出显示，实现对温度的测量、显示与恒温控制。
在设计中主要包括了对温度的采集，显示及控制这三个部分，编写程序结合硬件进行调试，实现了温度设定和实时温度显示功能，还具有温度上限报警和调节控制功能。当温度高于设定值一定程度时，会发出声光报警，然后停止加热，提高了控制系统恒温工作的可靠性和安全性。
本片论文主要从如下几个方面介绍了恒温控制系统：
第一章，我们阐述了课题研究的背景及意义，并且大概讲述了国内外的发展现状与趋势，同时也介绍了本课题所要研究的主要内容；
第二章，我们阐述恒温控制系统的系统功能，从而设计出总体结构，并叙述了它的工作原理；
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