于单片机的恒温箱控制系统

泉州师范学院毕业论文（设计）题目基于单片机的恒温箱控制系统物理与信息工程学院电子信息科学与技术专业07级1班学生姓名张小芬学号070303052指导教师林顺达职称讲师完成日期2011年3月教务处制1基于单片机的恒温箱控制系统物理与信息工程学院07级电子信息科学与技术070303052张小芬指导教师林顺达讲师【摘要】恒温箱控制系统是通过采集温度，将温度反馈给系统，与系统所设的温度进行比较，通过判断决定进行加热或制冷工作。本设计采用单片机控制整个系统，通过按键设置温度范围，由温度传感器DS18B20采集箱中空气的温度，并反馈给STC89C51单片机，与设置的温度进行比较，决定要进行加热或制冷工作。用半导体制冷片进行加热、制冷工作，通过STC89C51给出指令控制两个继电器开关，以改变电流的正负极，实现半导体的加热、制冷工作，同时在半导体制冷片上配以风扇，当半导体朝向箱内的一面进行制冷工作时，风扇可将朝向箱外加热的一面的热量散开，以防影响箱内制冷效果。【关键字】STC89C51；DS1820;半导体制冷片；恒温箱2目录0.引言…………………………………………………………………………………………………………31.系统方案设计………………………………………………………………………………………………31.1系统设计………………………………………………………………………………………………31.2系统设计方案…………………………………………………………………………………………32.系统硬件设计………………………………………………………………………………………………32.1总体设计框图…………………………………………………………………………………………32.2系统主要部分设计方案论证…………………………………………………………………………42.2.1单片机控制模块…………………………………………………………………………………42.2.2稳压模块…………………………………………………………………………………………42.2.3温度采集器件的设计方案………………………………………………………………………52.2.4显示方案的设计…………………………………………………………………………………52.2.5加热或制冷方案的设计…………………………………………………………………………52.3各部分设计模块介绍…………………………………………………………………………………62.3.1温度传感器DS18B20……………………………………………………………………………62.3.2显示电路LCD1602………………………………………………………………………………72.3.3继电器控制电流正负极原理……………………………………………………………………72.3.4半导体制冷片的介绍……………………………………………………………………………73.系统软件设计………………………………………………………………………………………………83.1系统程序设计主流程图…………………………………………………………………………………83.2DS18B20温度采集流程图………………………………………………………………………………93.3LCD1602显示流程图……………………………………………………………………………………94.实际调试……………………………………………………………………………………………………104.1硬件调试…………………………………………………………………………………………………104.2软件调试…………………………………………………………………………………………………105.系统实际测量………………………………………………………………………………………………106.结束语………………………………………………………………………………………………………117.设计心得……………………………………………………………………………………………………11致辞…………………………………………………………………………………………………………11参考文献……………………………………………………………………………………………………12附录1：原理图………………………………………………………………………………………………14附录2：PCB图………………………………………………………………………………………………15附录3：总程序………………………………………………………………………………………………1630.引言随着社会经济的进一步发展，能源、环境问题日益突出，节能、环保已成为当今社会关注的重点。在生产、生活、军用、工业探伤等领域，甚至检测疾射的学术研究和实验使用中，我们经常需要一个相对特定且稳定的温度环境。基于恒温箱的广泛使用，本作品以此为基点，设计制作小型恒温箱控制系统。本设计以单片机STC89C51为核心，对恒温箱进行控制。利用温度传感器DS18B02作为恒温箱的温度检测元件，DS18B02可以直接把测量的温度值变换成单片机可读取的标准电压信号而用户无需进行任何操作。LCD显示屏可显示空气温度及通过按键所设置的温度范围。根据温度传感器DS18B20反馈给单片机STC89C51的温度与设置的温度进行比较，判断进行加热或制冷工作，同时蜂鸣器发出“嘀嘀”响声报告箱内温度在设置范围之外。单片机STC89C51给予指令控制两个继电器，以改变电流的正负极，使系统进行加热或制冷操作。当在箱内的半导体的一面进行制冷在箱外的一面进行加热时，放置在箱外半导体一面的风扇便会工作，将该面的热量散去，以防影响箱内半导体一面的制冷效果，并且在加热或制冷过程中，LCD可及时显示恒温箱内的温度进行监控。1.系统方案设计1.1系统功能本设计基于温度传感器DS18B20采集箱内的温度反馈给单片机STC89C51,而单片机STC89C51判断，并给予指令控制两个继电器，以控制继电器的电流正负极，以决定半导体加热或制冷，而不管进行加热还是制冷工作，蜂鸣器都会发出“嘀嘀”的响声以报告此时箱内的温度在设置的范围之外。当采集的箱内温度低于设置的最低温度TL，则半导体朝向箱内的一面加热，朝向箱外的一面制冷；反之，当采集的箱内温度高于设置的最高温度TH，则半导体朝向箱内的一面制冷，朝向箱外的一面加热，同时朝向箱外一面上的风扇工作，将朝外一面加热的热量尽快散开，防止影响朝向箱内一面的制冷效果。由此反复工作，以使箱子达到恒温的效果。1.2系统设计方案本设计的目的在于使箱内有一个恒温环境，当温度过高时要使温度能够降低，当温度过低时要使温度能够升高。温度传感器DS18B20是“一线总线”接口，且可以直接读出被测温度，测温范围大[1]，因此选择DS18B20来采集温度,。半导体制冷片是用直流电流使其运转的，可以连续的工作，且既有加热和制冷两种功能[2]，使用两个继电器改变半导体的电流方向以实现加热（制冷）工作。显示方面则选用LCD1602,可以显示英文及数字，质量轻，耗电小，而且显示内容多[3]。整个系统选择由STC89C51最小系统控制，STC89C51系列单片机具有强抗干扰、高速、低功耗的功能，且指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择[4]。2.系统硬件设计2.1总体设计框图本设计主要由七个部分组成，总体设计框图如下图1所示：图1总体设计框图42.2系统主要部分设计方案论证本系统模块主要包括MCU处理模块,稳压模块，键盘和显示模块,温度采集模块，半导体制冷或加热模块。2.2.1单片机控制模块本设计使用STC89C51控制整个电路，STC89C51系列是从引脚到内核都完全兼容标准8051的单片机，如图2所示，TC系列单片机，可靠性高，性价比高，选用40脚的单片机确保了I/O能够满足系统需要；具有看门狗保护功能，当系统发生故障，电路中看门狗将通过RESET信号向CPU做出反应，保密性能佳；只需使用MAX232芯片进行电平转化，通过串口将单片机与PC机连接，通过下载助手可以容易的将程序载进单片机内部。图2为STC89C51外部框图。主要特性[4]：·与MCS-51兼容·8K字节可编程闪烁存储器·寿命：1000写/擦循环·数据保留时间：10年·全静态工作：0Hz-24Hz·三级程序存储器锁定·512内部RAM·32可编程I/O线·两个16位定时器/计数器·5个中断源·可编程串行通道·低功耗的闲置和掉电模式·片内振荡器和时钟电路图2STC89C51外部框图2.2.2稳压模块本设计中涉及到12v和5v两种电源，除半导体制冷片和继电器使用12v电源外其余均使用5v电源，而设计中只使用一个电源端子，必须使用稳压电源将12v电源转为5v电源，本设计采用78L05三短稳压器件。78L05是线性降压型DC/DC转换器，不仅成本较低，而且简单易用。设计图如图3所示：图3稳压模块设计图52.2.3温度采集器件的设计方案温度采集器件使用温度传感器，温度传感器包括热电偶、热敏电阻、RTD和IC温度传感器等几种，本设计中采用DS18B20温度传感器，该温度传感器应用时不需要任何外部器件即可实现测温电路，只通过一条数据线即可实现通信，精度可达到0.0625℃，测量温度可从-55℃~+125℃，且内部设有温度上、下限告警功能[5]。设计如图4所示：图4温度采集设计图2.2.4显示方案的设计显示方式可选择LED数码管，也可选择字符型LCD显示。本设计采用LCD1602液晶显示，LCD1602不仅质量轻，体积、功耗小，而且显示的内容丰富，可以显示英文和数字。设计如图5所示：图5显示设计图2.2.5加热或制冷方案设计本设计采用半导体制冷片实现系统的加热和制冷。MCU通过继电器控制电流的正负极来控制制冷片的工作，通过电流方向控制从而使半导体制冷片实现切换于制冷与加热的状态。由于半导体制冷片没有任何滑动部件，所以它的静音效果特别好，降温时不使用任何化学添加剂，也不产生氟利昂[6]。该方案选择半导体制冷片不仅环保，而且温控范围广。设计图如图6所示：6图6实现加热、制冷功能设计图2.3各部分设计模块介绍2.3.1温度传感器DS18B20温度传感器DS18B20是数字式温度传感器，是一种改进型的只能温度传感器，“一线总线”接口，相对于传统温度传感器精度高、稳定性好、电路简单、控制方便。能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式[5]。DS18B20的性能特点[5]：①．可通过数据线供电，电压范围：3.0~5.5V；②．测温范围：-55~+125℃；③．无须外部器件，独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；④．多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；⑤．零待机功耗；⑥．用户可定义的非易失性温度报警设置；⑦．报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；⑧．可编程的分辨率为9~12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃；⑨．负压特性：电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。DS18B20的引脚图和内部结构分别如图7、图8所示：图7DS18B20的引脚图7图8DS18B20的内部结构DS18B02内部结构由64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警器TH和TL、配置器四个部分组成。温度的测量是：当温度转换命令执行后，经转换而获得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。单片机通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0.0625℃/LSB形式表示。对应的温度计算：当符号位S=0时，表示测得的温度值为正值，可直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变为原码，再计算十进制值。DS18B20完成温度转换后，将测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容进行比较。如果TTH，或者TTL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报