基于单片机的恒温箱控制系统设计

一．课程设计内容

运用所学单片机、模拟和数字电路、以及测控系统原理与设计等方面的知识，设计出一台以AT89C52为核心的恒温箱控制器，对恒温箱的温度进行控制。完成恒温箱温度的检测、控制信号的输出、显示及键盘接口电路等部分的软、硬件设计，A/D和D/A转换器件可自行确定，利用按键（自行定义）进行温度的设定，同时将当前温度的测量值显示在LED上。

恒温箱控制器要求如下：

1） 目标稳定温度范围为100摄氏度——50摄氏度。 2） 控制精度为±1度。

3） 温度传感器输入量程：30摄氏度——120摄氏度，电流4——20mA。

加热器为交流220V，1000W电炉。

二．课程设计应完成的工作

1）硬件部分包括微处理器（MCU）、D/A转换、输出通道单元、键盘、显

示等；

2）软件部分包括键盘扫描、D / A转换、输出控制、显示等； 3）用PROTEUS软件仿真实现；

4）画出系统的硬件电路结构图和软件程序框图；

5）撰写设计说明书一份(不少于2000字)，阐述系统的工作原理和软、硬件设计方法，重点阐述系统组成框图、硬件原理设计和软件程序流程图。说明书应包括封面、任务书、目录、摘要、正文、参考文献(资料)等内容，以及硬件电路结构图和软件程序框图等材料。

注：设计说明书题目字体用小三，黑体，正文字体用五号字，宋体，小标题用四号及小

四，宋体，并用A4纸打印。

三．课程设计进程安排

序号 课程设计各阶段名称 1 总体设计，硬件设计 2

日期、周次 2012年12月24日~25日，17周 绘制软件程序流程图，编写软件 2012年12月26日~28日，17周 1

3 4 5 软、硬件仿真调试 软、硬件仿真调试 撰写设计说明书 2012年12月27日，18周 2013年1月2日~3日，18周 2013年1月4日，18周 四、．设计资料及参考文献 1．王福瑞等．《单片微机测控系统设计大全》．北京航空航天大学出版社，1999 2．《现代测控技术与系统》 韩九强 清华大学出版社 2007.9 3．《智能仪器》 程德福，林君主编 机械工业出版社 2005年2月 4．《测控仪器设计》浦昭邦，王宝光主编 机械工业出版社 2001 5．Keil C51帮助文档 五．成绩评定综合以下因素：

(1) 说明书及设计图纸的质量(占60%)。 (2) 独立工作能力及设计过程的表现 (占20%)。 (3) 回答问题的情况(占20%)。

说明书和图纸部分评分分值分布如下： 1、需求分析与设计思路（10分）

要求说明设计任务的具体技术指标打算如何实现，根据实现各技术指标的解决方法，提出总体设计的思路和解决方案，说明其中关键问题及其解决办法。

2、总体方案设计（10分）

根据设计思路，完成：1）软件与硬件分工说明；2）硬件总体框图；3）软件结构图。

3、详细设计（35分） 根据总体设计：

1）用Proteus画出电路原理图；（10分）

2）列出元件清单并说明元件选择及参数选择的依据；（5分） 3）画出单片机片内资源分配图（或表）；（5分） 4）画出软件流程图；（10分） 5）提交程序清单。（5分）

4、使用说明（5分，第3）项为2分，其余每项1分。）

1）性能和功能介绍；2）各操作开关、按钮、指示灯、显示器等的作用介绍；3）使用操作步骤；4）故障处理。

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一、主要任务与目标：

恒温控制在工业生产过程中举足轻重，温度的控制直接影响着工业生产的产量和质量。本课题基于单片机设计一个恒温箱控制系统，系统包括硬件和软件两部分，其中硬件包括数据采集、显示、控制、报警及温度传感器的设计，软件包括键盘管理程序设计、显示程序设计、控制程序设计和温度报警程序设计。

能够实现设置和调节初始温度值，进行数码显示，当加热到设定值后立刻报警。设计过程中设计的控制方案能够保证精度，考虑系统的安全性、可靠性和稳定性。

二、主要内容与基本要求：

1.主要内容：

（1）了解温度传感器特点及其适用范围，针对恒温箱进行合理的选型； （2）掌握控制器单片机的有关知识，并熟悉其编程； （3）对单片机测控程序及其接口技术作重点的掌握；

（4）在以上几个内容的基础上，进行课题的总体设计，绘制系统的总体电路。选择合适的相关硬件，最终完成本课题的设计。

2．基本要求：

运用所学单片机、模拟和数字电路、以及测控系统原理与设计等方面的知识，设计出

一台以AT89C52为核心的恒温箱控制器，对恒温箱的温度进行控制。完成恒温箱温度的检测、控制信号的输出、显示及键盘接口电路等部分的软、硬件设计，A/D和D/A转换器件可自行确定，利用按键（自行定义）进行温度的设定，同时将当前温度的测量值显示在LED上。

三、恒温箱控制系统的硬件设计

1.系统设计要求

1)目标稳定温度范围为100摄氏度——50摄氏度。控制精度为±1度。 2)温度传感器输入量程：30摄氏度——120摄氏度，电流4——20mA。 加热器为交流220V，1000W电炉。

3) 键盘按键输入, 具有设定、加温、减温、复位等。 4) 显示功能, 数码管显示设定值与当前所测温度值。 5) 具有超温报警功能。 6) 具有掉电保护功能。

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2 .方案设计

1) 以应用广泛、性能可靠的M CS 51 系列单片机组成控制系统。 2) 温度采样选择数字温度传感器DS18B20。 3) 利用P P 40 微型打印机进行温度记录打印。

4) 单片机与上位机通信采用MA X 489 构成标准RS- 422A 通信接口。

5) 键盘为8 键式, 完成设定、增温、降温、清除、模式切换、复位、,3位数码管循环显示设定与检测的温度。

四、恒温箱控制系统框图

五、功能模块

根据上面对工作流程的分析，系统软件可以分为以下几个功能模块： (1) 键盘管理：监测键盘输入，接收温度预置，启动系统工作。 (2) 显示：显示设置温度及当前温度。 (3) 温度检测及温度值变换

(4) 温度控制：根据检测到的温度控制电炉工作。 (5) 报警：当预置温度或当前炉温越限时报警。

六、硬件设计及工作原理

1.系统功能及工作流程介绍

根据恒温箱控制器的功能要求，并结合对51系列单片机的资源分析，即单片机软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。所以采用AT89C52作为电路系统的控

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制核心。按键将设置好的温度值传给单片机，通过温度显示模块显示出来。初始温度设置好后，单片机开启输出控制模块，使电热器开始加热，同时将从数字温度传感器DS18B20测量到的温度值实时的显示出来，当加热到设定温度值时，单片机控制声光报警模块，发出声光报警，同时关闭加热器。当自然冷却到设定温度50摄氏度以下时，单片机再次启动加热器，如此循环反复，以达到恒温控制的目的。系统结构框图如图1所示，系统基本硬件电路图如图所示，在本系统中，DP1～DP3用于七段数码显示；P1.0用于接收DS18B20采集到的数字温度信号；P1.6控制光电开关，决定电加热器是否工作；KEY1～KEY3即P1.1，P1.2，P1.3用于按键控制；P1.7和P1.5用于控制扬声器和发光二极管，进行声光报警；串行口用于输出显示段码；P2.0、P2.1用于对数码管进行动态扫描。

2.微处理器AT89C52

AT89C52单片机是最新的一种低功耗、高性能内含SK字节闪电存储器的8位CMOS微控制器，与工业标准MCS—51指令系列和引脚完全兼容有超强的加密功能，其片内闪电存储器的编程与擦除完全用电实现，数据不易挥发，编程/擦除速度快，它的主要特点有：

(1)内部程序存储器为电擦除可编程只读存储器EEPROM，容量SKB，内部数据存储器容量256B(不包括专用寄存器)，外部数据存储器寻址空间64KB，外部程序存储器寻址空间64KB；

(2)有三个16位的定时器/计数器；

(3)可利用两根I/O口线作为全双工的串行口，有四种工作方式，可通过编程选定； (4)内部ROM中开辟了四个通用工作寄存器区，共32个通用寄存器，以适应多种中断或子程序嵌套的情况；

(5)内部有6个中断源，分为二个优先级，每个中断源优先级是可编程的； (6)堆栈位置是可编程的，堆栈深度可达128字节；

(7)内部有一个由直接可寻址位组成的布尔处理机，在指令系统中包含了一个指令子集，专用于对布尔处理机的各位进行各种布尔处理，特别适用于控制目的和解决逻辑问题

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3.温度传感器

AT89C52其引脚结构

采用数字温度传感器DS18B20，DS18B20提供九位温度读数，测量范围-55℃~125℃，

采用独特1-WIRE 总线协议，只需一根口线即实现与MCU 的双向通讯，具有连接简单，高精度，高可靠性等特点。并且,DS18B20支持一主多从,若想实现多点测温,可方便扩展。DS18B20采用的是1－Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89C52单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。

DS18B20的特点：

（1）独特的单线接口方式，与单片机通信只需一个引脚，DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。 （2）在使用中不需要任何外围元件。

（3）可用数据线供电，电压范围：+3.0～+5.5 V。

（4）测温范围为-55 ～+125 ℃。在-10～+85℃范围内误差为0.5 ℃。 （5）通过编程可实现9～12位的数字读数方式。 （6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。

（7）支持多点组网功能，通过识别芯片各自唯一的产品序列号从而实现单线多挂接，多个DS18B20可以并联在唯一的线上，简化了分布式温度检测的应用，实现多点测温。 （8）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。 （9）告警寻找命令可以识别和寻址那些温度超出预设告警界限的器件。

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（3）DS18B20在电路中的连接，见图。

（2）1-wire总线支持一主多从式结构，硬件上需外接上拉电阻。当一方完成数据通信需要释放总线时，只需将总线置高点平即可；若需要获得总线进行通信时则要监视总线是否空闲，若空闲，则置低电平获得总线控制权。

DS18B20测温电路

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4.显示部分

显示采用 3 位共阳LED 动态显示方式,显示内容有温度值的十位、个位及小数点后 一位。用P2 口作为段控码输出，并用74ls164 作驱动。P0.0—P0.2作为位控码输出， 用PNP型三极管做驱动.

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5.键盘输入电路

键盘设定：用于温度设定。共三个按键。

KEY1（P1.1）: 状态切换；温度设置确认；温度重新设置。 KEY2（P1.2）: 设置温度“+”。 KEY3（P1.3）: 设置温度“-”。

6.输出控制

采用光电藕合器，控制信号与输出信号可以很好的隔离，增强了系统的安全性和抗干扰能力。

输出控制电路，MOC3021内部带有过零控制电路,MOC3021输出端额定电压为400V。加热电路中采用MOC3021的目的有两个:其一是实现强电与弱电的隔离;其二是实现双向可控硅的过零触发,从而使流过双向可控硅的电流波形为正弦波,减少谐波。电路连接如图所示，其在电路中的工作原理是单片机根据传感器和设定开关输入的控制指令，控制电器的电源通断。SW1为双向开关,其最大通态电流为1A。当电源控制电路的输出管脚P1.6送出的开关控制指令为高电平，MOC3021截止，Q2截止，电器被关闭；当电源控制电路的输出管脚P1.6

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送出的开关控制指令为低电平，MOC3041导通，Q2导通，电器被打开。通过MOC3021内部的过零触发电路，保证Q2在电压过零时导通和截止，对供电系统干扰极小。R6和C6是Q2的保护电路。

光耦控制输出电路

7.温度越线报警电路

报警电路如图所示，该电路采用一个小功率三极管Q2驱动蜂鸣器,当单片机接收到超额温度信号或危险信号时,输出脚P1.7输出高点平,Q2导通，致使蜂鸣器得电工作，发出报警声。同时，电路中的发光二极管指示出电路的工作状态。

报警电路

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8.恒温箱控制器硬件系统图

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七、系统的软件设计

软件描述：

在软件设计时，必须先弄清恒温控制系统的操作过程和工作过程。加热器开始时处于停止状态，首先设定温度，显示器显示温度，温度设定后则可以启动加热。温度检测系统不断检测并显示系统中的实时温度，当达到设定值后停止加热，当温度下降到下限(小于设定值1℃)时再自动启动加热，这样不断的循环，使温度保持在设定范围之内。启动加热以后就不能再设定温度，因为温度的设定可以根据实验要求改变。若要改变设定的温度，可以先按复位／停止键再重复上述过程。

根据以上对操作和工作过程的分析，程序应分为两个阶段：一是通电或复位后到启动加热，程序主要是按键设定、显示器显示设定温度；二是检测并显示系统的实时温度，并根据检测的结果控制电热器，这时系统不接收键盘的输入。因此，程序可以分为以下几个功能模块：温度设定和启动；显示；温度检测；温度控制以及报警。

1、温度传感器DS18B20模块软件设计

DS18B20上电后处于空闲状态,需要控制器发能完成温度转换。DS18B20的单线通讯功

能是分时完成的，具有严格的时序要求，而AT89C2052单片机并不支持单线传输,必须采用软件的方法来模拟单线的协议时序。DS18B20的操作必须严格按照协议进行。工作协议流程为：主机发复位脉冲初始化DS18B20→DS18B20发响应脉冲→主机发ROM操作指令→主机发存储器操作指令→数据传输。

对DS18B20操作时，首先要将它复位。复位时，DQ线被拉为低电平，时间为480～960us；接着将数据线拉为高电平，时间为15～60us；最后DS18B20发出60～240us的低电平作为应答信号，这时主机才能进行读写操作。

进行写操作时，将数据线从高电平拉至低电平，产生写起始信号。从DQ线的下降沿起计时，在15us到60us这段时间内对数据线进行检测，如数据线为高电平则写1；若为低电平，则写0，完成了一个写周期。在开始另一个写周期前，必须有1us以上的高电平恢复期。每个写周期必须要进行写操作时，将数据线从高电平拉至低电平，产生写起始信号。从DQ线的下降沿起计时，在15us到60us这段时间内对数据线进行检测，如数据线为高电平则写1；若为低电平，则写0，完成了一个写周期。在开始另一个写周期前，必须有1us以上的高电平恢复

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期。每个写周期必须要有60us以上的持续期。

读操作时，主机将数据线从高电平拉至低电平1us以上，再使数据线升为高电平，从而产生读起始信号。从主机将数据线从高电平拉至低电平起15us至60us，主机读取数据。每个读周期最短的持续期为60us，周期之间必须有1us以上的高电平恢复期。温度转换读取温

度数值程序流程如图所示。

开始初始化DS18B20 No 应答脉冲？Yes发起Skip ROM命令发起Convert T命令延时1s，等待温度转换完成初始化DS18B20No 应答脉冲？Yes发起Read Scratchpad命令读取第1、2字节即为温度数据 温度转换读取温度数值程序流程

2、键盘管理模块

键盘管理子程序流程如图所示。

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当通电或复位

以后，系统进入键盘管理状态，单片机只接收设定温度和启动。当检测到有键闭合时先去除抖动，这里采用软件延时的方法，延时一段时间后，再确定是否有键闭合，然后将设定好的值送入预置温度数据区，并调用温度合法检测报警程序，当设定温度超过最大值如100℃时就会报警，最后当启动键闭合时启动加热。

键盘设定：用于温度设定。共三个按键。

KEY1（P1.1）: 状态切换；温度设置确认；温度重新设置。 KEY2（P1.2）: 设置温度“+”。 KEY3（P1.3）: 设置温度“-”。

系统上电后，数码管全部显示为零，根据按 KEY1 次数,决定显示的状态，根据相应的状态，利用KEY2、KEY3进行加减，当温度设定好之后，再按KEY1确定，系统开始测温，启加热器。

3、显示模块

显示子程序的功能是将缓冲区的二进制数据先转换成3个BCD码，再将其分别存入百位、

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十位、个位3个显示缓冲区，送往串行口，利用单片机的P0口进行扫描，让数据动态的显示出来，可显示设置温度和测量温度。

4、控制模块

温度控制子程序流程如图所示，将当前温度与设定好的温度比较，当当前温度小于设定温度时，开启电热器；当当前温度大于设定温度时，关闭电热器；当二者相等时，电热器保持这一状态。

5、温度报警模块

报警子程序流程如图所示。根据设计要求，当检测到当前温度值高于设定温度值1℃时报警，报警的同时关闭电热器。为了防止误报，设置了报警允许标志，只有在允许报警的情况下，温度值高于设定温度值时才报警。

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九、仿真调试

在硬件调试通过后，根据硬件电路，在keil上编写出单片机的主程序和相应的子程序。调试编译后生成hex文件，加载到52单片机中，开始调试，根据led的显示判断程序的对错，直到调试结果与设计的要求为止。在这个过程中要不断的修改编写的程序，有时候还要适当的修改硬件电路。

十、设计总结

我们的温度控制系统是基于AT89S52 单片机的设计方案，她能实时显示当前温度， 并能根据用户的要求作出相应的控制。此系统为闭环系统，工作稳定稳定性高,控制精 度高,利用模糊控制算法使超调量大大降低。软件采用模块化结构,提高了通用性。本设

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计的目的不仅仅是温度控制本身,主要提供了单片机外围电路及软件包括控制算法设计 的思想,应该说,这种思想比控制系统本身更为重要。

参考文献：

1.《单片微机测控系统设计大全》王福瑞等．北京航空航天大学出版社，1999 2．《现代测控技术与系统》 韩九强 清华大学出版社 2007.9 3．《智能仪器》 程德福，林君主编 机械工业出版社 2005年2月 4．《测控仪器设计》浦昭邦，王宝光主编 机械工业出版社 2001

5.《测控系统原理与设计》孙传友，孙晓斌著 北京航空航天大学出版社 2007

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/szd.html