基于单片机的恒温箱设计

摘 要

随着科学技术的进步和人民生活水平的提高水平，恒温箱的发展要求提高。生产方面需要结构简单，生活方面要满足要求和操作简单。现在，在实验室的环境温度要求提高精度，医用疫苗的恒温，和奶瓶恒温也需要通过温度控制。这里用控制恒温箱举例，提供它的设计思路和计划，也可以进行仿真模拟。
通过硬件的运行，得出本设计的实验效果很好。它有很多的优点，操作简单，小型化便于携带，设计的成本低等等。设计中的温度传感器采用的是DS18B20。它结构简单，模数转换是在内部集成，使测温方面简单高效。设计中采用的51单片机功能多，控制简单并且易于负载，所以将80C51单片机的硬件电路设计为温度控制的核心部分。此外，其中的温度控制部分分为加热和降温2个部分，利用程序设计控制单片机使温度在一定范围内变化。本设计的成果可以运用于小型的控制系统中，成本低，而且能够实现控制的自动，实现自我调节。

关键字： 温度传感器 80C51单片机 恒温箱

2 恒温硬件控制设计

2.1 主控制系统
主控制最系统电路如图2-1所示：

图2-1 设计主控电路
主CPU运用AT89C51单片机芯片 ,其功能可以满足本设计的要求的采集、控制等需要。单片机的选取在整个设计中非常重要，本设计选用的是8051单片机，它具有很多的有点，本设计选择的关键一点就是功能较为强大，能满足设计的需求比如引脚的需求等等。80C51系列单片机结合了8位CPU的很多特点，并将必要的I/O嵌入到CPU中，除此之外，并增加了足够的ROM及RAM存储空间，使得单片机的线路变得非常简洁，用户只要将汇编语言或者C语言程序写好，然后下载到单片机内即可运行，功能较强。
其中系统复位对任何一个微处理器电路都是非常重要的环节，当RESET信号发生后，所有的数字电路都要恢复到一个已知或默认的状态，而CPU也是如此，它必须调到系统控制程序的起点上，等待RESET信号消失后，就开始执行程序。为了防止系统被非正常信号干扰而复位，通常CPU的RESET输入端都是设计成斯密特触发电路，只有正确的复位信号才可以复位系统，8051单片机的RET输入引脚也是如此。
震荡电路在系统中是非常重要的一部分，它结合内部电路产生单片机运行时需要的时钟频率。本设计采用的是12MHZ的晶体振荡器当作振荡器。设计中不可缺少振荡电路，上图中有此电路。其中需要求得是电容一般在15到50pF。
2.2 温度传感器选择
温度传感器的选择对总体设计很重要。温度传感器有两类，一类A/D转换时是内部集成的；另一类A/D转换不是内部集成的。
2.2.1 温测元件介绍及比较选择
热敏电阻：热敏电阻对温度变化感应灵敏，其特点就是温度变化，它的阻值就会随着变化。热敏电阻分2个类型，一个是温度变高，阻值就会变高，用英文字母表示为PTC；另一类的热敏电阻NTC，它的阻值是跟着温度的升高变小的。它的的制造是由金属氧化物混在一起烧结制成的。
热电偶：热电偶是工业生产中应用比较普遍的一种测温传感器。其工作原理是不同的金属导线的回路结构中，要是它的热端和冷端温度有差，那么回路中就产生与这个温度差相对应的电动势。
AD590：它是一种半导体温度传感器。其优点就是灵敏度高，精度较高等等。
LM35系列温度传感器：它是集成高精度传感器，测温范围是-55到+150℃，在25℃时测量精度为0.5℃。
实时温控温度传感器：它是一种温度转换为传感器的方波频率（温度-频率）。
DS18B20：数据采集是直接送入微处理器的A/D转换，温度测量的温度范围为-55到+125摄氏度。它的精度很高。
通过上述的简洁介绍本设计选择DS18B20温度传感器，原因是温度是生活中最基本的环境参考的一个量度，生活和生产中都要检测温度。DS18B20传感器是一条总线接口的，它的优点有很多，比如低功耗、小型、适应能力强等等。而且能直接将温度生成串行数字信号输入微处理器处理。这种温度传感器的温度测量系统电路结构简单、容易实现,适用于大多数类型的单片机。热电阻或者热电偶作为温度传感不能直接输出数字信号，中间少一个转换，需要通过A/D转化的环节，这样就会是电路设计变得复杂，设计的难度不必要的会加大。DSl8B20传感器元件为代表的数字式单总线温度传感器其突出优势大量运用于储存管理、生产制造、气象测量、科学研究和日常生活中。DS18B20传感器直接可以显示温度，在程序中添加语句就可以在数码管上显示。它的传输距离远，可联系在一起多点测试，结构也不复杂。而且设计时单片机接口可以不需要外围元件的嵌入。
2.2.2 DS18B20数字式温度传感器

图2-2 18b20温度传感器

3 控制系统

3.1 系统的主程序设计
主程序是控制整个设计的大体的总设计，作为监控程序。在程序的运行前第一步要初始化，键盘、端口等等都要初始化。如下图，系统初始化以后，就是测温测量和温度设置上下限。要是改变上下限的设定值就要用到中断。S1是复位按键，S2是选择设置上下线或设置预定温度值，S3上调温度，S4下调温度。系统软件设计的总体流程图3-1：

图3-1 系统总体设计流程图

4 软硬件调试

系统调试通常包括硬件调试、软件调试等环节。在总装系统之后，第一步就是要在电脑的条件下的进行系统硬件调试。当硬件调试成功以后，就有了硬件操作保证，这样就能容易发现软件在什么地方出错。在软件调试的过程中，也可以会发现硬件出现的故障，当处理掉软件问题后，硬件中的不易被发现的问题也会被发现和改正。在运用到现场之前，一定要在调试下充分发现存在的问题，然后解决它。可以先仿真，后调试。然后在不断地软硬件联合调试，当确定无误以后才能达到要求，才能运用到现场。现场安装后运行一定时间能够正常使用，这样才能算是完成全部系统的设计任务。
4.1 常见的硬件故障
首先是逻辑错误，它造成的原因是因为设计错误或者加工时出错。然后是元器件失效出错，这种故障有两方面的原因：一个原因是器件本身遭到破坏或着性能达不到要求；二十焊接的时候出错，比如极性接错等等。还有救可靠性能差，导致可靠性差的因素有很多，比如焊接不牢固导致接触不良使系统不灵敏，承受不了振动；干扰、电源纹波系数大、过负荷等导致逻辑电平稳定差；不合理的布局也会使系统可靠性差。电源故障，供电源没有接地，还要考虑到电源和其他器件的配对，要具有负载能力。
4.2 联机调试
有一些硬件故障可以经过脱机时就可以排除，但是，有一些不容易被发现的问题还是要经过联机调试才行。
联机前不要通电，首先检查一下线路，安装是否到位，接地什么的是否正常。当一切正常之后，即可打开电源。先执行读写程序，温度显示，温度上下限是否能显示。当能显示出来后，就能说明采用的硬件电路的存储器还有端口没有大问题，然后可以对其中的具体的一一检查，可以采用示波器等等。一般情况下会出现的问题有，线路的逻辑问题，电路线路不同等等。当主要电路调试好之后，就可以进一步来检测外围的部分了，包括按键，数码管，蜂鸣器等等。在调试过程中也会出现系统不稳的问题，有可能是干扰过大，电源不稳或者是各级电源的滤波不完善等等。这些问题，在本设计中有的遇到了，经过调试都一一解决了。
（1）采集电路调试
用一点的测试方法来设定设计数值，这设计数值可以符合温度采集电路输出电压和温度的关系。本设计用的温度采集元件是DS18B20元件，主要的调试部分都是在软件KEIL4上面进行的，根据画的原理图对应单片机端口在软件上进行调试。当编程的程序运行没有错误和警告之后，烧录到单片机中，数码管工作显示温度，可以得到测试的效果。温度的精确度也可以在程序中设计。附图4-1：

图4-1 DS18B20初始化和读写

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