恒温箱温度的智能控制.docx

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1、 1引言恒温箱智能控制系统已广泛应用于社会和生活中的各个领域，在恒温箱的发展过程过程中，温度控制对恒温箱的设计是人类长期以来研究的重要课题。此论文主要研究恒温箱温度控制，硬件采用Proteus ISIS 7.8进行仿真，程序采用Keil进行仿真。最后，硬件仿真与程序仿真结合便测试出所设计的效果。1.1 研究背景及现状温度控制是恒温箱的重要环节，对温度智能控制系统有重大意义。在日常生活中，可以用来保存食物；在工业中，可以保存工业原料以及一些产品的测试，其控制效果的好坏会对产品有直接影响；在农牧业中，可以育苗，可以饲养生物；在科研机构可以培养细胞；在生物研究中，可以为无菌试验创造有利的条件；一些高

2、端电子设备的正常运行需要一定的温度环境。上世纪70年代，国外开始研究温度控制系统。到80年代后期，因工业发展的需求，尤其是微电子，计算机技术的快速成熟，还有设计方法的发展等一系列因素推动下，国外温度控制系统发展迅猛。智能化等在科技中也有较大的成就。程美枫2014年在干燥箱温度中系统误差的分析中提出了用一定的方法发现和减小或消除系统误差1；李颖2015年在0恒温装置的设计中提出一种便携式无线监控0恒温箱2；孙宏健2016年在一种数字温度计的设计和校准中提出了由单片机与温度传感器组成的硬件设计方案3；揭宇达2017年在微型智能恒温箱设计中研究了以单片机为核心的微型温度器，来实现小型恒温箱的温度控制

3、4；赵静2018年在一种外循环式温度恒温箱设计中提出了用微小压力流体压强原理进行测量水介质外循环控温的恒温箱5。本论文重点研究恒温箱温度的智能控制，首先对器件进行选择，然后通过仿真，分析恒温箱温度的设计以及应用领域。在研究温度控制系统时，对温度的参数设置进行分析对比，以达到最优效果。1.2 本人主要工作本论文首先对恒温箱硬件和软件的器件进行了选择。然后，选择并使用合适的软件进行温度测量，通过Proteus ISIS和Keil仿真，并对比温度的参数，来回控制，使温度控制在设置温度的上下。1.3 论文组织与结构第一部分介绍了论文研究背景及框架设计。第二部分是有关恒温箱的概述。第三部分是系统总体设计

4、方案。第四部分是硬件系统各部分的介绍。第五部分是软件系统各部分的介绍。第六部分是系统的测试。最后是本论文的总结。22恒温箱概述2.1 恒温箱介绍恒温箱的又一名字鼓风干燥箱，在航空，汽车，家电，科研等领域必备的测试设备，用于测试和确定电工、电子及其他产品及材料进行高温试验的温度环境变化后的参数及性能，是否仍然能够符合预定要求，以便供产品设计、鉴定及出厂检验用。在一定的温度范围内，用来培养生物或细胞的一种箱子形状的器具。本论文研究恒温箱温度控制系统的设计，首先对温度进行测量，再由温度变化引起变化信息传递给信号处理器，在将处理好的信号递给A/D模数转换器。由模数转换器传给单片机，由单片机给温度信息做

5、出反应。2.2 恒温箱研究的内容本毕业设计的主要内容是；本次设计的以AT89C52单片机为核心，LTC1864模数转换器和LED数码管为主的硬件电路。用C语言编写程序为软件。做成一个自动控制的恒温箱。其主要功能是实时测量箱内的温度，并及时的显示。测量时，温度传感器的测量端放在恒温箱内部要测量的地方，实时监则箱内的温度。然后由温度变化引起变化信息传递给信号处理器，在将处理好的信号传递给ad采样芯片。由ad采样芯片采集Pt100的阻值变化，转换成温度数据传给单片机，由单片机给温度信息做出反应驱动数码管显示。在控制面板上，可以用按键设置需要的温度，如果温度高于设置的温度，则报警灯亮，蜂鸣器报警。根据

6、恒温箱恒温的安全灯来控制温度设置的幅度变化。173系统总体设计方案3.1恒温箱的结构设计方案课题设计分为硬件设计和软件设计。硬件设计选择AT89C52单片机，用Pt100热敏电阻作温度传感器，通过LTC1864模数转换器采集数据，使用LED数码管做显示器等。软件设计用C语言编写计算检测的数据及要显示的数据程序，并编写按键控制设定温度的程序。硬件与软件连接做成一个检测与控制的恒温箱。其主要功能是实时测量箱内的温度，并及时的显示。测量时，运用运放组成恒流源给Pt100温度传感器供电，AT89C52单片机通过ad采样芯片LTC1864采集Pt100的阻值变化，转换为温度数据，驱动LED数码管显示，然

7、后通过按键，设定高温、低温区间，来驱动工作，结构图如图3-1所示。前置处理A/D转换器按键温度传感器AT89C52单片机报警灯显示图3-1 恒温箱的结构框图3.2 AT89C52单片机简介本论文设计选择 AT89C52 作为单片机，AT89C52是美国的 ATMEL 公司生产的低电压，高性能的CMOS8位单片机，片内含有8k bytes 的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes 的（RAM）随机存取数据存储器，器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存储的技术生产，并且兼容标准 MCS-51系统指令，片内置通用 Flash 存储单元和 8 位中央处理器，AT89C52单片机

8、在电子领域有广泛的应用。AT89C52的引脚图如图3-2所示。图3-2AT89C52引脚图3.3 A/D模数转换简介A/D转换就是模数转换，简称ADC，是一种将模拟信号转变为数字信号的电子元器件。即将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。本设计采用的是LTC1864，它是16位A/D转器，采用单5V工作电源，和微机接口相当方便。LTC1864的引脚如下图3-3所示。 图3-3 LTC1864引脚图3.4 恒流源及Pt100传感器简介设计除了单片机与A/D模数转换外,还包括其他的硬件，例如电源选择恒流源，放大器作为放大信号、Pt100传感器等。下面介绍这些外围硬件。3.4.1恒流源选择与简介

9、恒流源采用OP07放大器和三极管组成压控恒流源，易于实现，电路相对简单，是用电压控制电流的变化，更能适应系统对输出电流大小和精度的要求。电路如图3-4所示。 图3-4 恒流源3.4.2 Pt100传感器常见的温度监测仪由感温元件帮助完成检测。常见的温度监测仪主要有双金属温度计、热电偶、热电阻和辐射式温度计。（1）热电阻温度传感器热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的一种传感器温度计。在目前较为泛应用的热电阻材料有铂、铜等。铂的使用范围是-200到+850，铜的使用范围是-50到150，我这次设计的是0到600，所以选铂作为热敏电阻传感器。铂热电阻有Pt100

10、，Pt250，Pt1000等。对应于本次设计的要求，选择Pt100作为热电阻传感器比较合适，如图3-5。热电阻的阻值变化公式如下: (3-1) (3-2) 图3-5 Pt100（2） 热电偶传感器热电偶具有测温范围广、测量精度高、便于远距离、多点、集中检测和自动控制等优点。但是其自由端需婴温度补偿，而且在低温常温段其测量精度较低等缺点。 铂电阻的测量精度高，一般都是以铂电阻作为标准温度测量元件。标准铂电阻可以用一种严密、合理的方程来描述其电阻值与温度的关系。铂电阻的线性较好，只是在接近其范围极限时呈非线性。所以设计中此两种传感器都可以用。3.5 前置放大电路LM358是内部由两个高增益、独立的

11、、内部频率补偿的双运算放大器，它具有放大电压信号，价格便宜等特点，适用于本设计中电源电压范围很宽的单电源使用。电路引脚如图3-6所示。图3-6 LM358前置放大电路4硬件系统设计4.1 电源模块采用VSINE正弦波交流电压，（振幅为310Hz，频率为50Hz）连接功率电源变压器，将交流电压变换为整流电路所需要的交流电压，然后设计了一个用四个二极管组成的桥式整流电路，来完成整流功能。整流电路是将交流电压变换为脉动的直流电压。然后连接电容组成滤波电路，把脉动直流电压中的大多数纹波进行滤除，然后可得到比较平滑的直流电压和交流电压。再与三端稳压集成电路7805相连接，它的优点是短路保护，热过阻保护，

12、使用比较方便。如图4-1所示。 图4-1 电源连接图 4.2 报警输出控制电路此电路由BUZZER蜂鸣器、LED、滑动变阻器、电阻等元器件构成，如图4-2所示，蜂鸣器通过直流电压供电，用电磁线圈和磁铁周期性地振动发声，当检测温度不在设定范围内，就会报警。检测范围是0-600。图4-2 报警输出控制电路 4.3 传感器电路电路加放大器，是有些输入信号太小了，需要放大器放大几倍。因此选择超低偏移的OP07，OP07是超低失双路运算放大器。OP07芯片具有噪声低的特性。是一种非斩波稳零的双电源供电运算放大集成电路。OP07具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，所以特别适用于高增益的测量设备和放大传感

13、器的微弱信号等方面。OP07管脚图如图4-3所示。由Pt100温度传感器和OP07放大器构成的传感器电路如图4-4所示。 图4-3 OP07管脚图 4-4 传感器电路设计4.4 数码管的显示显示器有数码显示管和液晶显示器。由于这次设计的是个简单，且体积小的恒温箱.所以选用数码显示管。LED数码管8只发光二极管，分别记作a,b.c、d.e.f、gdp,其中dp为小数点。如图4-5所示。 图4-5 数码显示管4.5 按键电路由三个BUTTON开关组成按键电路，分别为set进入参数设定，up加一指令，down减一指令。 图4-5 按键电路图5软件的设计5.1主程序设计通过C语言编程，对数码管引脚，a

14、d芯片LTC1864，延时控制，按键电路等进行编程，来控制数码管显示温度的变化值。通过寄存器初始化，定时器初始化，A/D数模转化采集数据，计算出当前Pt100温度传感器的温度值，判断是否在设定的温度值的上下限范围，再通过按键检测出当前设定的参数值，以实现要达到的温度效果。程序框架如图5-1所示。上电开机寄存器初始化定时器初始化ad采集数据计算当前温度判断温度范围检测按键参数设定大于温度检测范围报警输出无按键图5-1 主程序框架5.2 按键程序设计通过C语言程序设定ad芯片LTC1864引脚和按键开关set，up，down三个引脚还有报警电路与AT89C52单片机端口的连接。将ad芯片的sdo端

15、接P1口0位端，sck端接P1口1位端，conv端接P1口3位端。将按键开关set端接P1口5位端，up端接P1口6位端，down端接P1口7位端。将报警电路接P3口7位端。可以通过按键电路中，按键set设定数值，按set键第一下，数码管显示L表示最低温度，然后通过按键up调高温度，每按一次温度值加一，通过按键down降低温度，每按一次温度值减一；按set键第二下，数码管显示H表示最高温度，然后通过按键up调高温度，每按一次温度值加一，通过按键down降低温度，每按一次温度值减一。以此来设定温度的上下限。若超过上下限预设温度值范围，则报警灯亮且蜂鸣器发出报警声音。程序框图如下图5-2所示。开始

16、按set设定数值数码管显示L数码管显示H按up键按down键按up键按down键加一加一减一减一结束图5-2 按键结构图5.3显示程序设计通过C语言程序设定数码管管脚与AT89C52单片机端口的连接来定义发光二极管的灯亮或者灯灭。将发光二极管led1接P2口0位端，控制led1灯的亮灭，led2接P2口1位端，控制led2灯的亮灭，led3接P2口2位端，控制led3灯的亮灭，led4接P2口3位端，控制led4灯的亮灭，led5接P2口4位端，控制led5灯的亮灭，led6接P2口5位端，控制led6灯的亮灭。通过按键设定，数码显示管显示六位数值，第一位为L或者H，分别表示对温度值的最低温度

17、和最高温度进行设定。当第一位数为L时，通过按键down和up设定数值；当第一位数为H时，同样也通过按键down和up设定数值，设定好上下限范围后，按set键返回，Pt100在设定范围内则数码管显示温度值。 6系统测试6.1Proteus与KeilProteus ISIS是英国Labenter 公司开发的实物仿真与电路分析软件。Window操作系统运用，可仿真各式模拟器件。Proteus软件是一款强大的单片机仿真软件。本次设计采用Proteus ISIS7.8来仿真恒温箱硬件。KeilSoftware公司生产的为51系列兼容单片用机C语言软件开发的系统，Keil提供了宏汇编、连接器、C语言编译器

18、、一个功能强大的仿真调试器和库管理等在内的完整开发方案，它是通过一一个集成开发环境(uVision)将这些功能组合在一起。运行Keil软件可以在WIN98.NT.WIN2000WINXP等操作系统。6.2 Keil与Protuse连接为检测恒温箱的设计效果，需将Keil与Proteus连接在一起仿真，首先在Proteus中打开仿真文件界面，然后将鼠标放在AT89C52单片机中间，双击鼠标左键，弹出对话框后点击文件夹图标后选择在Keil软件中生成的程序文件（后缀名为.hex），选择好后点击ok即可。选择好仿真程序进行仿真便可观察工作界面现象。6.3仿真仿真图上调节Pt100热敏电阻，可以看到数码

19、管温度跟随显示，如图6-1是检测恒温箱内热敏电阻的温度；假设检测到的温度是203，如图6-2所示。 图6-1 Pt100 图6-2 显示203的温度还可以通过按键电路中的开关设定温度，set按键设定，up加一，down减一。如图6-3是设定温度的开关，图6-4是设定的温度。 6-3 设定温度的开关 6-4 设定的温度210L表示最低温度设定，因为设定的温度超过范围，所以报警器BUZ1发出报警声音且LED2灯亮，如图6-5所示。 图6-5 BUZ1和LED2H表示最高温度设定，如图6-6所示，若超过设定范围，则报警灯和蜂鸣器上图6-5所示，发出报警信号。 图6-6 设定的温度10107结束语从2

20、019年3月，开始着手撰写我的毕业论文，论文总体分为7个章节，其中第一章是引言，最后一章是结束语，中间六章是内容的具体设计及概述。中间部分包括恒温箱概述、总体设计方案、硬件系统设计、软件系统设计、还有系统测试。我的恒温箱是从两大部分设计的，分别包括硬件和软件组成。硬件：有电源模块、报警输出控制模块、传感器模块、单片机与数码管显示模块、传感器模块，单片机数码管显示模块、还有按键电路模块做成；软件：由数码管管脚程序、ad芯片、延时程序等，和主程序构成。通过Pt100温度传感器采集传送温度到达前置放大电路LM358放大电压信号，再通过ad芯片LTC1864将模拟信号转变为数字信号，通过按键电路操作，

21、传送给单片机AT89C52，单片机通过数码管连接，温度效果在数码管上显示，若超过设定范围，报警电路发出报警信号。最后通过在keil软件的编程运行下得到hex文件，然后在proteus 7.8软件中将原理图进行仿真，通过按键设定温度值，观察数码显示管，从而达到预设效果。通过这几个月做毕业论文，我学到了很多东西，也发现了很多不足之处，这个课题的毕业论文对我还是有一定的挑战性，一开始连单片机引脚都分不清楚的情况下，更不知到做一个仿真图需要什么元器件。经过这段时间的学习，我了解了AT89C52，知道了ad芯片，学会了keil运行程序和proteus仿真，也体会到了C语言的奥妙，也明白了恒温箱在生活中是如何应运的。感觉自己专业知识相差甚远，要学的东西还有很多。以后还要勤奋学习，刻苦专研。