单片机电热恒温箱控制系统设计
如今在医疗、工业生产、食品加工等领域恒温箱已得到了广泛的运用。对于工业生产来说恒温控制是极其重要的，生产产量和产品质量很大地取决于温度控制的快速准确与否。
本课题设计了一种基于单片机的恒温箱控制系统，采用PID算法，通过单片机对恒温箱的温度进行控制，使其温度稳定在设定值上，实现了自动控制温度的目的。课题的设计内容包含了硬件和软件两个部分。硬件电路以单片机STC89C52为核心，设计了温度信号采集电路，键盘电路，显示电路，温度控制电路，加温、降温电路，蜂鸣器电路以及系统电源供电设计8个模块。本系统由单片机将按键输入的信号与温度传感器采集的温度信号进行分析处理比较，控制加温电路和降温电路的通断从而对整个恒温箱系统进行温度控制。整个过程由液晶1602显示屏进行实时监控。 M000193
关键词：温度控制 STC89C52单片机 PID算法 M000193
Today, in the field of medical, industrial production, food processing and other incubators have been widely used. Temperature control for industrial production is extremely important, production yield and product quality depends greatly on whether or not fast and accurate temperature control.
This topic is designed thermostat control system based on a single chip, using PID algorithm, the microcontroller to control the temperature of the incubator to stabilize the setpoint temperature to achieve the purpose of automatic temperature control. Content includes topics designed hardware and software in two parts. STC89C52 microcontroller hardware circuit as the core, the design of the temperature signal acquisition circuit, keyboard circuit, display circuit, the temperature control circuit, heating, cooling circuit, buzzer circuit and system power supply design eight modules. Temperature sensor signal and the temperature signal acquisition system will be a key input from the microcontroller to analyze treatment compared to control heating and cooling circuits circuit off and thus the whole incubator system for temperature control. The whole process from the LCD display 1602 real-time monitoring.
Key words：MCU ST89C52；temperature control；PID algorithm
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1 绪论 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 课题研究的意义 1
1.3 课题研究的内容 1
2 恒温箱总设计方案 3
2.1 课题要求 3
2.2 系统总体设计 3
2.3 控制方法的选择 4
2.4开发环境和编程语言的选择 5
3 系统硬件的设计 7
3.1 控制系统硬件设计总图 7
3.2各模块电路设计 8
3.2.1基于单片机STC89C52最小系统的设计 8
3.2.2温度采集电路的设计 12
3.2.3显示电路的设计 15
3.2.4 键盘电路的设计 16
3.2.5温度控制电路的设计 16
3.2.6 报警电路的设计 17
3.3 PCB电路图的绘制 18
4 系统软件的设计 20
4.1系统整体程序流程图 20
4.2功能模块软件设计 20
4.2.1 温度采集模块的设计 20
4.2.2显示模块的设计 21
4.2.3键盘模块的设计 22
4.2.4 温度控制模块的设计 23
4.2.5 报警模块的设计 24
5 系统的调试 26
5.1 硬件调试 26
5.2软件调试 26
5.3 系统功能测试 27
5.4 系统误差分析 27
结语 28
参考文献 29
附录 30
致谢 45
课题研究的背景 查看完整请+Q:351916072获取
二十世纪是科学技术飞速发展的信息时代，电子技术的应用，单片机技术是前所未有的广泛。因为单片机的集成度高、功能强大、可靠性强，所以广泛应用于各种电子仪器，家用电器，节能设备，军事设备，机器人，工业控制等领域。人们逐渐意识到单片机技术的种种优势，也开始普遍的使用单片机技术。在温度控制系统中单片机可以将温度控制做到最好，单片机对温度进行控制的经典应用之一就是恒温箱，作为主控单元单片机可非常好的完成对温度的采集和控制。
医疗、工业生产和食品加工等领域对于温度控制的要求是非常高的，所以对温度的测量与控制举足轻重。一般的温度传感器都是电压输出，传感器不同，所展现的非线性曲线也会不同，这就会使其难以具备互换性和通用性。温度传感器使用数量大、应用范围广，但在常规的环境参数中由于温度受其它因素影响较大，所以很难校准，因此，温度是非常难以准确测量的一个参数。误差大、准确度低、时间长、是传统测量的一些缺点。随着近年来科技的不断发展，也涌现出许多新的温度传感器，在本设计中就将采用DS18B20温度传感器。
1.2 课题研究的意义
恒温箱主要应用于实验室、工业、医药这三个方面。在实验室中，尤其是生物实验室，对恒温实验环境的要求非要高。实验的研究过程和最终得出的实验结果很大取决于恒温箱的控制效果。研究结果越准确，对实际应用也会产生极大的作用，例如对种植业等将产生巨大的提升。恒温箱也广泛的应用于工业生产中，恒温箱在工业中是用来直接生产产品的，所以对恒温箱的需求也非常大。而且工业生产中恒温箱的控制性能必须非常好，对于那些需要批量生产的厂家来说这是极其重要的一个环节。在医药方面，医用恒温箱主要作用是制药与药物的储存运输；疫苗，血液的冷藏保温，透析液的加温，生理盐水的加温等，这些都是极其关键的。
1.3 课题研究的内容
不同产品的温度控制精密度和温度控制算法的使用也各不相同。对于那些对温度控制精度要求非常高的设计来说大多采用PID算法或者达灵顿算法。
单片机的外围电路包括温度采集电路、LCD显示电路、键盘电路、报警电路、和温度控制电路。系统工作流程为：开机后，通过按键设定预设温度，温度传感器DS18B20采集当前温度信号传送给单片机，单片机经过PID算法计算后发出控制指令来控制加热和制冷电路中两个继电器的通断来实现控制，当恒温箱温度低于设定的温度，运行加热系统，进行加热；当恒温箱温度高于设定的温度，运行降温系统，进行降温；使恒温箱温度稳定在预设值左右。
2 恒温箱总设计方案
2.1 课题要求
本设计的任务是做一个恒温箱控制系统，选取单片机STC89C52芯片作为核心芯片，采用温度传感器DS18B20采集温度信号。加热系统利用加热电阻进行加热，降温系统利用风扇来进行冷却，显示应用的是LCD1602液晶屏，显示字体清晰，显示效果如图2.1所示。 同时本设计还利用51单片机仿真软件来进行仿真，方便调试、观察运行效果。
图2-1 液晶显示效果示意图
本设计所需要实现的主要功能有：
实时显示监控恒温箱的温度；
可通过按键设置恒温箱的预设温度；
当恒温箱温度低于预设值时，启动加热系统，进行加热；当恒温箱温度高于预设值时，启动降温系统，进行降温；使恒温箱温度稳定在预设值左右；
在此过程中，需要完成的任务有：
设计出系统总体硬件电路图。
完成程序的编写与系统的仿真。
完成元器件的布局、绘制好电路图、完成电路的焊接并进行调试。
2.2 系统总体设计
本系统是利用STC89C52芯片为主要控制芯片，加上DS18B20温度传感器、LCD1602液晶、加温降温模块、键盘输入模块及蜂鸣器报警模块等，实现温度的监视、控制并显示。STC89C52接受并处理DS18B20温度数据的处理显示及键盘输入的控制信息的处理，自动实现系统加温、降温。系统组成框图如图2.2所示，软件流程图如图2.3所示。
图2-2 系统硬件电路
图2-3 系统软件程序流程图
2.3 控制方法的选择
如今控制算法主要有模糊控制算法、PID算法和大林算法这三种。模糊控制算法本质是一个的数学模型，其并不依赖于处理对象，具备模糊逻辑“概念”的抽象能力和非线性处理能力，而且不会随着过程参数而变化，是将模糊数学、控制理论两者相结合得出的。大林算法是由美国IBM公司的大林在20世纪60年代为了应对生产过程中那些纯滞后的控制对象的而设计的控制算法，其主要目的是设计一个适合的数字控制器，使系统里面所有的闭环传递函数都具有纯滞后时间的一阶惯性环节，这与本设计不相符合。PID控制技术成熟，控制结构简单,参数易调整，调节时并不需要计算出对象的数字模型，十分的方便，因此在温度控制系统中一般都是使用的PID算法。
PID中三个字母分别是比例积分微分的意思，这种调节方法在持续系统中应用技术最为成熟，也是应用最为广泛的。何为PID调节？即将输入值按比例、积分、微分三种函数关系进行运算，然后得出运算结果从而可以用来控制。在现实控制情况中三个环节的功用分别为：①比例调节作用：比例是对系统偏差的反应，只要系统存在偏差，比例调节就会产生作用，从而削减系统的偏差。比例作用越大，调节速度越快，误差也会越小，不过过大的比例作用会降低系统的稳定性，甚至导致系统混乱；②积分调节作用：消除系统中存在的静态误差，提升无差度。由于存在误差，积分调节就会开始，一直到无差后，积分调节会终止。其输出为一恒定值，积分时间常数Ti直接决定了积分调节作用强度。 使用了积分调节会降低系统的稳定性，减缓动态响应。积分调节也常被用来配合其他两种调节规律一起变为PI调节或PID调节；③微分调节作用：微分是对系统偏差信号变化率的反应，能够预知偏差变化的趋向。这就使微分调节具备了超前的控制作用。微分调节能在偏差出来之前便将其去除，对于系统的动态性能具有良好的改善作用。若时间恰当，能够减少超调，缩短调节所需的时间。微分调节作用能变大噪音干扰，若微分调节作用过强，系统的抗干扰能力会随之大大的降低。需要小心的是，微分反映的是变化率，如果没有改变输出，则也不会有微分调节。因此微分调节是不可以单独工作的，需要配合其他两种调节规律一起变为PI调节器或PID调节器。
2.4开发环境和编程语言的选择
本文在硬件电路的设计过程中，原理图和PCB的绘制采用ProtelDXP2004软件，ProtelDXP2004是Altium公司在2004年推出的一个集原理图编辑，PCB设计等功能于一体的软件操作简单易上手，得到了广泛的应用。而软件开发中，则选择keilC51软件。keilC51在中国应用非常广泛，也是我在单片机编程学习中所用的编程软件。单片机的语言发展迅速，也在不断引进高级语言，其中汇编语言和C语言比较受大众的欢迎。在可控性方面来看汇编语言比C语言更具有优越性。C语言和汇编语言是现在比较常见的。总体来说，汇编语言可控性较好，简洁明了，但缺点是不易入门，一般很难深入了解。相反的，C语言虽然复杂了点，但C语言更符合人们的思考习惯。而且C语言很快就能上手，单片机就是一种非常适用于C语言的处理器，所以在学习C语言的过程中，也很容易就能熟悉单片机的工作原理。C语言还有良好的模块化、容易理解、翻遍维修等优点，程序模块还可以移植。综合比较C语言和汇编语言的优缺点，本设计决定采用C语言进行软件方面的设计。采用C语言编程有如下特点：简明、便捷、运算符、数据结构充足、为结构式语言、语法限制松，设计自由度大、C语言适用范围广，可移植性好等。 查看完整请+Q:351916072获取
本课题设计了一种基于单片机的恒温箱控制系统，采用PID算法，通过单片机对恒温箱的温度进行控制，使其温度稳定在设定值上，实现了自动控制温度的目的。课题的设计内容包含了硬件和软件两个部分。硬件电路以单片机STC89C52为核心，设计了温度信号采集电路，键盘电路，显示电路，温度控制电路，加温、降温电路，蜂鸣器电路以及系统电源供电设计8个模块。本系统由单片机将按键输入的信号与温度传感器采集的温度信号进行分析处理比较，控制加温电路和降温电路的通断从而对整个恒温箱系统进行温度控制。整个过程由液晶1602显示屏进行实时监控。 M000193
关键词：温度控制 STC89C52单片机 PID算法 M000193
Today, in the field of medical, industrial production, food processing and other incubators have been widely used. Temperature control for industrial production is extremely important, production yield and product quality depends greatly on whether or not fast and accurate temperature control.
This topic is designed thermostat control system based on a single chip, using PID algorithm, the microcontroller to control the temperature of the incubator to stabilize the setpoint temperature to achieve the purpose of automatic temperature control. Content includes topics designed hardware and software in two parts. STC89C52 microcontroller hardware circuit as the core, the design of the temperature signal acquisition circuit, keyboard circuit, display circuit, the temperature control circuit, heating, cooling circuit, buzzer circuit and system power supply design eight modules. Temperature sensor signal and the temperature signal acquisition system will be a key input from the microcontroller to analyze treatment compared to control heating and cooling circuits circuit off and thus the whole incubator system for temperature control. The whole process from the LCD display 1602 real-time monitoring.
Key words：MCU ST89C52；temperature control；PID algorithm
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1 绪论 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 课题研究的意义 1
1.3 课题研究的内容 1
2 恒温箱总设计方案 3
2.1 课题要求 3
2.2 系统总体设计 3
2.3 控制方法的选择 4
2.4开发环境和编程语言的选择 5
3 系统硬件的设计 7
3.1 控制系统硬件设计总图 7
3.2各模块电路设计 8
3.2.1基于单片机STC89C52最小系统的设计 8
3.2.2温度采集电路的设计 12
3.2.3显示电路的设计 15
3.2.4 键盘电路的设计 16
3.2.5温度控制电路的设计 16
3.2.6 报警电路的设计 17
3.3 PCB电路图的绘制 18
4 系统软件的设计 20
4.1系统整体程序流程图 20
4.2功能模块软件设计 20
4.2.1 温度采集模块的设计 20
4.2.2显示模块的设计 21
4.2.3键盘模块的设计 22
4.2.4 温度控制模块的设计 23
4.2.5 报警模块的设计 24
5 系统的调试 26
5.1 硬件调试 26
5.2软件调试 26
5.3 系统功能测试 27
5.4 系统误差分析 27
结语 28
参考文献 29
附录 30
致谢 45
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二十世纪是科学技术飞速发展的信息时代，电子技术的应用，单片机技术是前所未有的广泛。因为单片机的集成度高、功能强大、可靠性强，所以广泛应用于各种电子仪器，家用电器，节能设备，军事设备，机器人，工业控制等领域。人们逐渐意识到单片机技术的种种优势，也开始普遍的使用单片机技术。在温度控制系统中单片机可以将温度控制做到最好，单片机对温度进行控制的经典应用之一就是恒温箱，作为主控单元单片机可非常好的完成对温度的采集和控制。
医疗、工业生产和食品加工等领域对于温度控制的要求是非常高的，所以对温度的测量与控制举足轻重。一般的温度传感器都是电压输出，传感器不同，所展现的非线性曲线也会不同，这就会使其难以具备互换性和通用性。温度传感器使用数量大、应用范围广，但在常规的环境参数中由于温度受其它因素影响较大，所以很难校准，因此，温度是非常难以准确测量的一个参数。误差大、准确度低、时间长、是传统测量的一些缺点。随着近年来科技的不断发展，也涌现出许多新的温度传感器，在本设计中就将采用DS18B20温度传感器。
1.2 课题研究的意义
恒温箱主要应用于实验室、工业、医药这三个方面。在实验室中，尤其是生物实验室，对恒温实验环境的要求非要高。实验的研究过程和最终得出的实验结果很大取决于恒温箱的控制效果。研究结果越准确，对实际应用也会产生极大的作用，例如对种植业等将产生巨大的提升。恒温箱也广泛的应用于工业生产中，恒温箱在工业中是用来直接生产产品的，所以对恒温箱的需求也非常大。而且工业生产中恒温箱的控制性能必须非常好，对于那些需要批量生产的厂家来说这是极其重要的一个环节。在医药方面，医用恒温箱主要作用是制药与药物的储存运输；疫苗，血液的冷藏保温，透析液的加温，生理盐水的加温等，这些都是极其关键的。
1.3 课题研究的内容
不同产品的温度控制精密度和温度控制算法的使用也各不相同。对于那些对温度控制精度要求非常高的设计来说大多采用PID算法或者达灵顿算法。
单片机的外围电路包括温度采集电路、LCD显示电路、键盘电路、报警电路、和温度控制电路。系统工作流程为：开机后，通过按键设定预设温度，温度传感器DS18B20采集当前温度信号传送给单片机，单片机经过PID算法计算后发出控制指令来控制加热和制冷电路中两个继电器的通断来实现控制，当恒温箱温度低于设定的温度，运行加热系统，进行加热；当恒温箱温度高于设定的温度，运行降温系统，进行降温；使恒温箱温度稳定在预设值左右。
2 恒温箱总设计方案
2.1 课题要求
本设计的任务是做一个恒温箱控制系统，选取单片机STC89C52芯片作为核心芯片，采用温度传感器DS18B20采集温度信号。加热系统利用加热电阻进行加热，降温系统利用风扇来进行冷却，显示应用的是LCD1602液晶屏，显示字体清晰，显示效果如图2.1所示。 同时本设计还利用51单片机仿真软件来进行仿真，方便调试、观察运行效果。
图2-1 液晶显示效果示意图
本设计所需要实现的主要功能有：
实时显示监控恒温箱的温度；
可通过按键设置恒温箱的预设温度；
当恒温箱温度低于预设值时，启动加热系统，进行加热；当恒温箱温度高于预设值时，启动降温系统，进行降温；使恒温箱温度稳定在预设值左右；
在此过程中，需要完成的任务有：
设计出系统总体硬件电路图。
完成程序的编写与系统的仿真。
完成元器件的布局、绘制好电路图、完成电路的焊接并进行调试。
2.2 系统总体设计
本系统是利用STC89C52芯片为主要控制芯片，加上DS18B20温度传感器、LCD1602液晶、加温降温模块、键盘输入模块及蜂鸣器报警模块等，实现温度的监视、控制并显示。STC89C52接受并处理DS18B20温度数据的处理显示及键盘输入的控制信息的处理，自动实现系统加温、降温。系统组成框图如图2.2所示，软件流程图如图2.3所示。
图2-2 系统硬件电路
图2-3 系统软件程序流程图
2.3 控制方法的选择
如今控制算法主要有模糊控制算法、PID算法和大林算法这三种。模糊控制算法本质是一个的数学模型，其并不依赖于处理对象，具备模糊逻辑“概念”的抽象能力和非线性处理能力，而且不会随着过程参数而变化，是将模糊数学、控制理论两者相结合得出的。大林算法是由美国IBM公司的大林在20世纪60年代为了应对生产过程中那些纯滞后的控制对象的而设计的控制算法，其主要目的是设计一个适合的数字控制器，使系统里面所有的闭环传递函数都具有纯滞后时间的一阶惯性环节，这与本设计不相符合。PID控制技术成熟，控制结构简单,参数易调整，调节时并不需要计算出对象的数字模型，十分的方便，因此在温度控制系统中一般都是使用的PID算法。
PID中三个字母分别是比例积分微分的意思，这种调节方法在持续系统中应用技术最为成熟，也是应用最为广泛的。何为PID调节？即将输入值按比例、积分、微分三种函数关系进行运算，然后得出运算结果从而可以用来控制。在现实控制情况中三个环节的功用分别为：①比例调节作用：比例是对系统偏差的反应，只要系统存在偏差，比例调节就会产生作用，从而削减系统的偏差。比例作用越大，调节速度越快，误差也会越小，不过过大的比例作用会降低系统的稳定性，甚至导致系统混乱；②积分调节作用：消除系统中存在的静态误差，提升无差度。由于存在误差，积分调节就会开始，一直到无差后，积分调节会终止。其输出为一恒定值，积分时间常数Ti直接决定了积分调节作用强度。 使用了积分调节会降低系统的稳定性，减缓动态响应。积分调节也常被用来配合其他两种调节规律一起变为PI调节或PID调节；③微分调节作用：微分是对系统偏差信号变化率的反应，能够预知偏差变化的趋向。这就使微分调节具备了超前的控制作用。微分调节能在偏差出来之前便将其去除，对于系统的动态性能具有良好的改善作用。若时间恰当，能够减少超调，缩短调节所需的时间。微分调节作用能变大噪音干扰，若微分调节作用过强，系统的抗干扰能力会随之大大的降低。需要小心的是，微分反映的是变化率，如果没有改变输出，则也不会有微分调节。因此微分调节是不可以单独工作的，需要配合其他两种调节规律一起变为PI调节器或PID调节器。
2.4开发环境和编程语言的选择
本文在硬件电路的设计过程中，原理图和PCB的绘制采用ProtelDXP2004软件，ProtelDXP2004是Altium公司在2004年推出的一个集原理图编辑，PCB设计等功能于一体的软件操作简单易上手，得到了广泛的应用。而软件开发中，则选择keilC51软件。keilC51在中国应用非常广泛，也是我在单片机编程学习中所用的编程软件。单片机的语言发展迅速，也在不断引进高级语言，其中汇编语言和C语言比较受大众的欢迎。在可控性方面来看汇编语言比C语言更具有优越性。C语言和汇编语言是现在比较常见的。总体来说，汇编语言可控性较好，简洁明了，但缺点是不易入门，一般很难深入了解。相反的，C语言虽然复杂了点，但C语言更符合人们的思考习惯。而且C语言很快就能上手，单片机就是一种非常适用于C语言的处理器，所以在学习C语言的过程中，也很容易就能熟悉单片机的工作原理。C语言还有良好的模块化、容易理解、翻遍维修等优点，程序模块还可以移植。综合比较C语言和汇编语言的优缺点，本设计决定采用C语言进行软件方面的设计。采用C语言编程有如下特点：简明、便捷、运算符、数据结构充足、为结构式语言、语法限制松，设计自由度大、C语言适用范围广，可移植性好等。 查看完整请+Q:351916072获取
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