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