单片机恒温箱温度控制系统的设计说明

课程设计课题：单片机培养箱温控系统设计

本课程设计要求：温度控制系统基于单片机，实现对温度的实时监控，实现控制的智能化。设计了培养箱温度控制系统，配备温度传感器，采用DS18B20数字温度传感器，无需数模/数转换，可直接与单片机进行数字传输，采用PID控制技术，可保持温度在要求的恒定范围内，配备键盘输入设定温度；配备数码管L ED显示温度。

技术参数及设计任务：

1、使用单片机AT89C2051控制温度，使培养箱保持最高温度110 ℃ 。

2、培养箱温度可预设，干燥过程恒温控制，控温误差小于± 2℃.

3、预设时显示设定温度，恒温时显示实时温度。采用PID控制算法，显示精确到0.1℃ 。

4、当温度超过预设温度±5℃时，会发出声音报警。

和冷却过程没有线性要求。

6、温度检测部分采用DS18B20数字温度传感器，无需数模/数转换，可直接与单片机进行数传

7 、人机对话部分由键盘、显示器、报警三部分组成，实现温度显示和报警。本课程设计系统概述

一、系统原理

选用AT89C2051单片机作为中央处理器，通过温度传感器DS18B20采集培养箱的温度，并将采集的信号传送给单片机。驱动培养箱的加热或冷却。

2、系统整体结构

总体设计应综合考虑系统的总体目标，进行初步的硬件选型，然后确定系统的草案，同时考虑软硬件实现的可行性。经过反复推敲，总体方案确定以爱特梅尔公司推出的51系列单片机为温度智能控制系统核心，选用低功耗、低成本的存储器、数显等元器件。总体规划如下：

图1 系统总体框图

2、硬件单元设计

一、单片机最小系统电路

Atmel公司的AT2051作为89C单片机，完全可以满足本系统所需的采集、控制和数据处理的需要。单片机的选择在整个系统设计中非常重要。该单片机具有与MCS-51系列单片机兼容性高、功耗低、可在接近零频率下工作等诸多优点。广泛应用于各种计算机系统、工业控制、消费类产品中。

AT 89C2051 是 AT89 系列微控制器中的精简产品。它是省略了AT 51的P0口、P2口、EA/Vpp、ALE/PROG、PSEN口线组成的20针单片机，相当于早期Intel 8031的最小应用系统。89C对于一些不太复杂的控制场合，只要一颗AT 89C2051就够了，是真正意义上的“MCU”。 AT 89C2051为很多规模不大的嵌入式控制系统提供了绝佳的选择，使传统的51系列单片机存在体积大、功耗大、可选模式少等诸多缺点。这种类型的微控制器包括：

(1) 一个 8 位微处理器 (CPU)。

(2) slice 有 2K 字节的程序存储器 (ROM) 和 128/256 字节的 RAM 。 (3) 15 条可编程双向 I/O 线。

(4) 16位定时器/计数器均可设置为计数模式对外部事件进行计数，也可设置为计时模式，可由计算机根据计数或计时的结果进行控制。 (5) 具有五个中断源的中断控制系统。

(6)采用全双工UATR(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)串行I/0口，实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信。 (7) 该芯片包含一个模拟比较器。 (8) 低功耗的空闲和掉电模式。

Title

1

2

Y112MHz

33pF

33pF

10uF

RST

+5V

+5V

R11K

R210K

RST 1

(RXD)P3.02

(TXD)P3.13

XTAL24XTAL15(INT0)P3.26(INT1)P3.37

(T0)P3.48(T1)P3.59GND 10

Vcc 20P1.719P1.618P1.517P1.416P1.315P1.214P1.1(AIN1)13P1.0(AIN0)

12P3.7

11

*AT89C2051

图2 最小系统电路

AT205189C 是一款 20 引脚双列直插式封装 (DIP) 芯片。最小系统电路包括晶振电路和手动复位电路，如图2所示。

本设计使用一块AT89C2051代替原来的8031 、 EPROM2732和地址锁存器74LS 373 ，因为AT89C2051的2KB EPROM 和128B RAM 可以满足智能温度传感器测试系统的设计要求，降低了成本和结构设计也更复杂。

2.温度传感器

采用数字温度传感器DS18B20，与传统热敏电阻相比，可直接读取被测温度，并可根据实际需要通过简单编程实现9～12位数字值读取方式。它可以分别在93. 75ms和750ms内完成9位和12位数字量，从DS18B20读取或写入DS18B20的信息只需要一根端口线（单线接口）读写，温度转换电源来自数据总线，总线本身也可以为连接的DS18B20供电，无需额外供电。因此，使用DS18B20可以使系统结构更简单，可靠性更高，成本更低。测量温度范围为~ 55 ℃ ~ +125 ℃ 。 C 、一1 0 ℃ ～ +85 ℃ 。 C圆周，精度为±0.5℃ 。 DS1822的精度在± 2 °C时很差。现场温度以“一条线总线”的数字方式直接传输，大大提高了系统的抗干扰能力。其引脚分布如图3所示

图3 DS18B20引脚图

(1) 引脚功能如下：

NC (1 , 2 , 6 , 7 , 8 pins ):空管脚，如果开着不要使用。

VDD （3脚）：可选电源引脚，电源电压在3 ~ 5.5V左右。

DQ（引脚4 ）：数据输入/输出引脚，开漏，正常状态下为高电平。

(2)D S18B20测温原理

DS18B20的测温原理如图4所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用来产生固定频率的脉冲信号送入计数器1 .高温度系数晶体振荡器的振荡速率随温度变化而显着变化，产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器预设为-55℃相应的基值。计数器1对低温系数晶体振荡器产生的脉冲信号进行倒计时。当计数器1 的预置值减为 0时，温度寄存器的值将增加1 ，计数器 1 的预置值将被重新加载，计数器1 将重新启动。对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，重复此循环，直到计数器2计数到0 ，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的值为测得的温度。斜率累加器用于补偿和校正温度测量过程中的非线性，其输出用于校正计数器1的预设值。 DS18B20在正常使

用0.5℃时的测温分辨率为，如果要求更高的精度，在详细分析DS18B20测温原理编制依据上，采用直接读取DS18B20的临时寄存器的方法， DS18B20的测温分辨率为增加到0.1 ~ 0.01℃.

图4 测温示意图

(3) DS18B20与单片机接口电路

P 1.3 口与DSl8B20的DQ 管脚相连，作为单根数据线。 U2为温度传感器芯片DSl8B20。虽然本设计中只使用了一颗 DSl8B20，但没有考虑远程测温，因此为简单起见，使用了外部电源，如图 2.6 所示。测温电缆采用屏蔽4芯双绞线，其中一根为地线和信号线，另一根接VCC和地线，电源处屏蔽层单点接地。源端。

图5 DS18B20与单片机接口电路

3.键盘显示电路

将 LED 连接到控制器有并行和串行方式。由于串口方式占用接口少，应用广泛。显示电路选用MAX7219作为LED驱动芯片。 MAX7219是一款高度集成的串行输入/输出共阴极LED驱动显示器。每个芯片可以驱动8位7段带小数点的共阴极数码管。这些切片包括 BCD 解码器、多扫描控制器、字和位驱动器以及 8x8 静态RAM。只需外接一个电阻即可设置所有 LED 显示场电流。 MAX7219和控制器只需

要三根线连接，每个显示位都有控制器写入的地址。允许用户选择每个位是 BC D 解码还是不解码。用户还可以选择停止模式、数字亮度控制、从 1 到 8 位选择扫描位数以及所有 LED 显示屏的测试模式。

(1) 引脚功能

MAX7219 为 24 引脚芯片，其引脚排列如图 2.7 所示。每个引脚的功能如下：1）DIN（引脚1）：串行数据输入端，当CLK为上升沿时，将数据加载到16位移位寄存器中。

2）CLK（13脚）：串行时钟脉冲输入，最高工作频率可达10MHz。

3） LOAD（12脚）：片选端，当LOAD为低电平时，芯片从DIN接收数据，接收后L OAD返回高电平，接收到的数据将被锁定。

4）DIG0~DIG7（2、3、5、6、7、8、10、11脚）：吸收显示器共阴电流的位驱动线，最大值可达500mA。

图6 MAX7219引脚图

5）SEGA~SEGG、SEGDP（引脚14、15、16、17、20、21、22、23）：驱动7段显示和小数点的输出电流，一般为40mA，可编程调节。

6）ISET（18脚）：硬件亮度调节端子。

7）DOUT（24脚）：串行数据输出端； V+，正电源。

8) GND（引脚 9）：接地。

(2) MAX7219与单片机和LED与键盘的接口电路

1）MAX7219的三个输入端DIN、CLK和LOAD接单片机的三个I/O口，DIG0～DIG7分别接8个共阴LED的公共端，SEGA接SEGG和SEGDP分别与每个 LED 的七个 LED 相

连。部分

与小数点驱动端子相连。电路图如图 7 所示。

2) 键盘功能介绍

采用独立按键设计，如上图所示。由于只有四个按键，按键接口电路的设计比较简单。单片机的端口P1.4～P1.7设置为输入状态，通常通过电阻上拉到Vcc。按下按钮时，相应端口的电平被拉低。这样就可以通过查询P1的高4位来判断有门或按钮被按下，并且每个按钮都连接了一条输入线。通过读取I/O口，判断每个I/O口的电平状态，可以识别按下的按钮。 4个按钮定义如下：

A. P1.4：S1功能键，按此键启动键盘控制。

B. P1.5：S2加，按此键，温度设定增加1度。

C. P1.6：S3减，按此键将温度设置降低1度。

D. P1.7：S4发送，按下该键将传感器的温度发送到上位机。

图7 MAX7219与单片机和LED与键盘的接口电路

4、驱动控制电路

(1) 热电制冷简介

热电制冷原理：半导体热电偶由N型半导体和P型半导体组成。当电流的极性如图8所示时，电子从电源的负极出发，经过连接片、P型半导体、连接片、N型半导体，最后返回正极的电源。 N 型材料具有多余的电子并具有负热电势。 P型材料电子不足，具有热电势；当电子通过结从P型到N型时，其能量必然增加，增加的能量相当于结所消耗的能量。这可以通过温差的减小来证明。相反，当电子从 N 型材料流向 P 型材料时，结的温度会升高。实际参考中没有直接接触的热电偶电路，因此改用图8中的连接方法。实验证明，在温差电路中引入铜连接件和导线不会改变电路的特性。简单地说，当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料连接起来形成一个电流对，在这个电路中接通一个直流电流后，就可以产生能量转移，电流从从 N 型元素到 P 型元素。它吸收能量，成为冷端；从 P 型元件流向 N 型元件的接头释放热量并成为热端。吸收和放热的大小由通过电流的大小以半导体材料 N 和 P 的元素对数来确定。

图8 半导体制冷示意图

(2) 驱动控制电路

光耦三端双向可控硅驱动器是单片机输出端与三端双向可控硅开关的理想接口器件。它由两部分组成：输入和输出。输入部分为砷化镓发光二极管。二极管在 5mA 至 15mA 时为正。在电流的作用下，发出足够强度的红外光来触发输出部分。连接电路如图9所示，输出部分为硅光敏双向可控硅，可在红外线作用下双向导通。

光耦是一种以光为介质传输电信号的“电-光-电”转换器件。它由两部分组

成：光源和光接收器。发光源和光接收器组装在同一外壳内，并通过透明绝缘体相互隔离。发光源管脚为输入端，受光器件管脚为输出端。

对光耦合器的输入端施加上电信号，使发光源发光。光的强度取决于激发电流的大小。光照射到封装好的光接收器上后，由于光电效应产生光电流，由光接收器输出。引出端子，实现“电-光-电”转换。在光耦部分，由于发光管与受光器之间的耦合电容很小，共模输入电压对通过电极间耦合电容的输出电流影响不大，因此共模抑制比非常高。

在发光二极管上提供偏置电流，信号电压通过电阻耦合到发光二极管，使光电三极管接收到在偏置电流上增大或减小的光信号，其输出电流将跟随输入信号。电压呈线性变化。光耦也可以工作在开关状态，传输脉冲信号。在脉冲信号的传输中，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟，不同结构的光耦的输入输出延迟时间差别很大。

图9 加热冷却驱动控制电路

5、看门狗与上位机通讯电路

(1) 串行通讯功能的实现

在实际工作中，信息经常在计算机的CPU和外部设备之间进行交换，信息也经常在计算机和其他计算机之间进行交换。所有这些信息交换都可以称为通信。

串行通信是指数据是一种按顺序逐位传输数据的通信方式。其突出的优点是只需要一对传输线（线可以作为传输线使用），大大降低了成本，特别适合远距离通信；它的缺点是传输速度低。

(2) MAX232与MCU的接口电路设计

图10为MAX232与单片机的接口电路；通过它可以连接单片机和计算机，实现远程通讯功能。

(3)看门狗和电源监控芯片的介绍

由于工业现场可能对控制系统造成强干扰，为了保证控制器在任何干扰条件下都能正常工作，需要对单片机的运行情况进行监控，避免死机、程序跑路或进入一个无限循环。使用看门狗电路可以大大提高整个系统的抗干扰能力。

本系统选用MAX 813L，芯片可以监控电源电压、电池故障以及单片机的工作状态。MAX813L引脚功能如下：

1）MR（引脚1）：手动复位输入，低电平有效。

2）PRI（4脚）、PFO（5脚）：分别为掉电输入和掉电输出。

3）WDI（6脚）、WDO（8脚）：分别为看门狗输入和看门狗输出。

4）RESET（引脚7）：复位输出。

MAX813L芯片：

1）复位输出：当系统上电、断电、电源电压降低时，第7脚产生复位脉冲。复位脉冲宽度典型值为200ms，高电平有效，复位阈值为4.65V。

2）看门狗电路输出：如果电路在1.6s内没有触发，则第8脚输出低电平信号。

3）手动复位输入：低电平有效，即如果第一个引脚输入低电平，地7引脚将产生复位输出。

4) 当4脚输入电压为1.25V时，5脚输出低电平信号。

(5) MAX813L与MCU的连接

MAX的典型应用电路如图10所示。在软件设计中，P3.7连续输出脉冲信号。81 3L如果由于某种原因进入死循环，P3.7没有脉冲输出，所以1.6s后，813L在MAX的第8脚输出低电平。这个低电平加到引脚 1，使 MAX813L产生一个复位输出，有效地复位微控制器并摆脱死循环。另外，当电源电压低于4.65V的限制值时，MAX813 L也会产生复位输出，使单片机处于复位状态，不执行任何指令，直到电压电压恢复正常，从而有效防止单片机因电源电压低而产生错误错误。行动。

图10 MAX232与单片机接口电路

6.电源电路

图 11 电源电路

电源电路虽然简单，但需要功能可靠。去耦应使用CBB电容和优质ELNA电容。这个

功能，电路如图11

7、PID控制算法

(1) PID的数学模型

PID控制是一种比较成熟的控制理论。通过比例、积分、微分部分的合理组合，可以以比较简单的方式获得满意的控制效果。 PID的数学模型如图12所示：

图 12 PID 数学模型

给定值R(t)和实际值Y(t)构成控制误差：

E ( t ) = R ( t ) - Y ( t )公式2-1

E(t)，PID控制器将误差的比例(P) 、积分(I)和微分(D)通过线性组合形成控制变量来控制被控对象。控制律如公式2 所示：

U(t)=K

P [e(t)+

()

1

()

t

d

i

T de t

E t dt

T dt

+

⎰]公式 2-2

U(t) - 控制器输出函数； E(t) - 控制器误差函数；

K

P——比例系数； T

i

——积分时间常数； T

d——

微分时间常数。

最简单的控制器只能有比例部分，它可以产生与输入信号成比例的输出信号，所以一旦出现误差，控制器立即产生控制作用，使受控变量向减小误差的方向变化，而控制效果的强弱取决于比例系数K

P

。比例控制的缺点是它不能在设定点和反馈点之间产生零误差（松弛），必须保持零误差才能产生有限的输出信号。增

大K

P 可以减小静态误差，但是如果K

P

过大，动态性能会变差，甚至闭环系统也会

不稳定。

为了消除这种静态误差，可以引入积分控制环节。积分环节可以记忆并积分误差。即使只有很小的偏差，也可以集成应用到操作部分，有利于消除静态误差。但积分作用具有滞后特性，总是滞后于偏差的存在，使系统容易振荡，结果经常

出现超调，使受控量波动较大。积分控制常用于补偿高精度控制系统。

微分控制可以区分误差，对误差的变化趋势敏感，对运算部分施加预期的动作。增加微分控制效果可以加快系统的响应速度，减少超调量，增加系统的稳定性。缺点是微分控制对扰动同样敏感，降低了系统抑制扰动的能力。微分控制可用于补偿快速变化的控制系统。 ( 2 ) PID 控制律的离散化

为了用计算机实现PID 控制，必须将表示PID 控制规律的连续形式变为离散形式，这可以通过编程来实现。若温度采样周期设为T ，则第n 次采样得到的输入偏差为en ，输出为Un 。 公式 2-3的微分代入差异1

()n n e e de t dt T

--=

用求和代替

0()n

t

k

k e t dt e

T ==∑⎰公式2-4积分

这样， PID 控制器控制算法的离散形式改写为

1

1

[]n

n n n P n k d

k i

e e U K e e T T T T

-=-=+

+∑公式2-5 该算法的缺点是由于全输出，每个输出都与过去的状态有关，计算时需要累加E(n) ，因此计算机工作量大。而且，由于计算机输出的U(n)对应的是执行器的实际位置，如果计算机出现故障， u(n)的较大变化会引起执行器位置的较大变化，这往往是生产实践中的案例。如果不允许，在某些情况下，可能会造成重大的生产事故，于是产生了增量PID 控制的控制算法。

所谓增量PID 控制算法是指数字控制器的输出只是控制量的增量U(n) 。当执行器需要的是控制量的增量时，提供增量的PID 控制算法可以从公式中推导出来。根据递归定律：

1

0(1)(1)()[(1)(2)]n P i d j U n K e n K e j K e n e n -=-=-++---∑公式2-6

从公式2-5 中减去公式2-6得到：

112[()(1)(2)]d n n P n n n n i T T

U U K e n e n e e e e T T

----=--+

+-+公式2-7 改写为：

1{()(1)()[()2(1)(2)]}

n n P I D U U K E n E n K E n K E n E n E n -=+--++--+-

=(1)P I D U n P P P -+++公式2-8

事实证明，对于像PID 这样简单的控制器，它可以应用于广泛的工业和民用对象，并且以其高性价比占据市场主导地位，体现了PID 控制，但在工业控制中经常遇到过程。充电后的大时延、时变、非线性复杂系统，其中一些是非线性系统；有的有延迟和随机干扰；有些无法获得更准确的数学模型或模型非常粗糙。对于上述系统，如果采用常规的PID 控制器， PID 参数很难整定，难以达到预期的控制效果。同时，在实际生产现场，由于参数整定方法复杂，常规PID 控制器的参数往往整定较差，性能较差，工矿作业适用性较差。 3. 软件设计

一、温度传感器DS18B20模块软件设计

DS18B20上电，处于空闲状态，需要控制器产生能量来完成温度转换。 DS18B20的单线通讯功能分时完成，对时序要求严格，而AT205189C 单片机不支持单线传输，必须使用软件模拟单线协议时序。 DS18B20的操作必须严格遵守协议。工作协议流程为：主机发送复位脉冲初始化DS18B20 → DS18B20发送响应脉冲→主机发送ROM 操作命令→主机发送存储器操作命令→数据传输。

DS18B20 ，首先重置它。复位时， DQ 线拉低480 ~ 960us ；然后将数据线拉高15 ~ 60us ；最后DS18B20发送一个60 ~ 240us 的低电平作为响应信号，此时主机可以进行读写操作。

当执行写操作时，数据线从高电平拉到低电平以产生写开始信号。从 DQ 线的下降沿开始，从 15us 到60us 检测到数据线。如果数据线为高，则写1 ；如果为低，则写入0 ，完成一个写入周期。在开始另一个写周期之前，必须有超过1us 的高恢复期。当每个写周期都必须进行写操作时，将数据线从高电平拉到低电平以产生写开始信号。从 DQ 线的下降沿开始，从 15us 到60us 检测到数据线。如果数据线为高，则写1 ；如果为低，则写入0 ，完成一个写入周期。在开始另一个写周期之前，必须有超过1us 的高恢复期。每个写周期的持续时间必须超过60us 。

在读操作过程中，主机将数据线从高电平拉低1us 以上，然后将数据线拉高到高电平，从而产生读开始信号。主机将数据线从高拉低15us 到60us ，主机读取数据。每个读周期的最短持续时间为60us ，周期之间必须有1us 以上的高电平恢复

期。

温度转换和读取温度值的程序流程如图13所示

图13 温度转换读取温度值程序流程

2.显示编程

MAX7219上电、解码模式、亮度调节、扫描数字、待机开关和显示检测5

所有控制寄存器都被清除。对于MAX7219，串行数据以16位数据包的形式从DIN管脚串行输入，在CLK的每个上升沿被一一送入芯片部分的16位移位寄存器，与负载引脚的状态。 LOAD 引脚必须在同一时间或第 16 个上升沿之后，但在下一个 CL K 上升沿之前变为高电平，否则移位的数据将丢失。

3. 键盘编程

在按键的软件设计中考虑了按键去抖技术。因为按键的无操作抖动很可能会影响单片机对按键的判断，所以必须考虑去抖动的问题。键盘的程序流程图如图14所示

图14键盘程序流程4、PID控制程序设计

等式 2-8可以改写为：

P(K)=P(K-1)+K

P [E(K)-E(K-1)]+K

I

E (K)+K

D

[E(K)-2E(K-1) + E(K-2)]

=P(K-1)+P

P +P

I

+P

D

公式 3-1

根据公式3-1 进行编程，对应的框图如图 15 所示：

图15 PID算法程序流程图

5、主程序流程图及程序设计

( 1 )系统主程序流程图如图16所示。

通过各功能块的软件实现方法，软件的整体设计变得简单。软件设计的一个重要思想是采用模块化设计，将一个大任务分解成几个小任务，分别编译和实现这些小任务。任务的子程序，然后按照整体要求组装子程序，就可以实现大任务了。这种思想对于可重用的子程序特别有利，因为不仅程序结构清晰，而且节省了程序存储空间。

图 16 主程序流程图

(2) 主程序设计

#include " AT 89 C2 051.h"

#include

位 TSOR=P1^7; //温度测试终端

位 DIN=P1^2; //MAX7219串行数据输入

位负载=P1^1； //MAX7219加载数据输入

位 LCK=P1^0; //MAX7219时钟输入

位 SCL=P3^2; //AT 24C32信号线

位 SDA=P3^3; // AT 24C32数据线

位 OUT0=P3^4; //控制冷却光耦

位 OUT1=P3^5; //控制加热光耦

sbit weidog=P3^7; //看门狗

/****************************全局变量******************* *** *********

***/

#define uchar unsigned chau;

#define uint 无符号 uint;

uchar temp1,temp2; //温度的整数和小数

uchar setb,sets,setg,setx;//预设温度的百位、十位、一位和小数位

uchar xianb,xians,xiang,xianx;//显示温度的百位、十位、一位和小数位uchar add_1,add_10;//

uchar 计数； //T0中断计数

uchar pid; //PID值

bit outflag;//加热冷却标志位

有点警觉；

/****************************函数声明******************* ***** ******* *****/

无效初始化中断（）；

/****************************键盘扫描******************* * *********** */

uchar键（）；

/************************ MAX7219子程序*********************** * ***** ***/

无效发送（uchar 添加，dat）

/************************温度传感器子程序************************** ** ****/

无效延迟15（）； //延迟15us

无效延迟60（）； //延迟60us

无效延迟100ms（）； //延迟100ms

无效的 Write0TS(); //写入DS18B20数据位0

无效的 Write1TS(); //写DS18B20数据位1

无效 ReadTS(); //读取DS18B20数据位

无效重置TS（）； //复位DS18B20

无效的WriteBTS（）； //写入1个字节