基于单片机的电加热恒温箱控制器设计
可完成对温度的采集和控制等的要求。 1.2 课题研究意义
恒温箱的性能在很大程度上取决于对温度的控制性能，本课题采用单片机为主控制器，通过传感器测得箱内温度，再通过A/D转换器将采样输入的模拟量转换成数字量送入主控制器，来完成恒温箱的温度控制系统的硬件。箱内温度可保持在设定的温度范围内，当设置的温度低于当前的温度时，单片机通过双向晶闸管控制加热电路连通，温度慢慢升高；当设置的温度高于当前的温度时，单片机通过双向晶闸管控制加热电路断开，温度慢慢下降。
本课题在原有普通传感器的基础上，经单片机处理而成新一代测量控制仪器，具有以下显著特点：
A. 多功能的智能化测控系统，以最简单方式构成高性价比；
B. 在硬件基础上通过软件实现测控功能，其智能化程度取决于软件的开发水平；
C. 留有通信端口，可以将信息进行远距离传输，便于形成分布式控制系统。 1.3 课题研究内容
产品的工艺不同，控制温度的精度也不同，因而所采用的控制算法也不同。就温度控制系统的动态特性来讲，基本上都是具有纯滞后的一阶环节，当系统精度及温控的线性性能要求较高时，多采用PID算法或达林顿算法来实现温度控制。
单片机外围电路包括传感器电路、键盘电路、数码显示电路、定时报警电路、和加热电路。系统工作流程为：开机后，用户通过按键设定定时时间和需加热到的温度，默认先输入的为时间。温度传感器Pt100采集当前温度的模拟信号，信号经过运算放大器两级放大后送给A/D转换器，经A/D转换成数字量再送给单片机，单片机通过PID算法计算发出控制指令控制晶闸管的通断，根据晶闸管的通断的时间长短来控制电加热器加热的功率，使温度达到用户设定值上，且误差不超过2℃。在这个过程中，定时时间一到，蜂鸣器发出声音进行报警。
完成的工作内容：
A. 在明确恒温箱温度控制系统功能要求的前提下绘制出系统的结构图； B. 根据恒温箱温度控制系统工作原理框图和系统的结构图以P89V51RD2芯片为核心，选择控制系统所需的硬件并画出硬件电路原理图；
C. 了解基于P89V51RD2的恒温箱温度检测控制系统的C51部分软件程序，并编写软件程序；
D. 总结在设计过程中所出现的错误，避免将来在工作中出现同样的问题。
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2 总体设计方案 2.1 课题要求
恒温箱在日常生活和工业生产中都有着广泛的应用。本课题采用单片机实现对温度的控制，对温度的控制精度有较高的要求。
该系统具体需要满足的要求如下：
A. 温度控制范围：室温~250℃，控制精度（±2℃）； B. 定时时间：0~24小时范围内灵活定时或长期定时；
C. 显示：采用4位LED七段码显示恒温箱内温度和定时时间； D. 提示功能：定时时间到，进行声音提示。 2.2 系统总体设计
系统整体硬件结构框图如图2-1所示，采用P89V51RD2作为主机；由电阻式温度传感器测量温度值并转换成电压信号经过放大，再经A/D转换器进行模数转换，由I/O接口读入CPU，CPU进行数据处理。处理后的数据，一方面送LED数码管显示；另一方面与检测开关设定的温度控制值进行比较，并判断是否超限，通过PID控制算法进行调节，运算结果返回单片机，现在采用电阻丝加热，从而进行温度的调节，以保持恒定的温度。
图2-1 系统硬件结构框图
报警电路 显示电路温度采集电路键盘电路 单片机系统温度控制电路3
基于单片机的电加热恒温箱控制器设计
2.3系统功能模块方案设计
2.3.1单片机的选择
单片机的种类繁多，Intel公司的MCS-51 8位单片机系列、MCS-96 16位单片机系列；Atmel的AT89、AVR系列；Philips的P89V51、LPC700/900 8位单片机系列、LPC2000 16/32系列；Motorola公司的MC68HC908 8位单片机系列、DSP型16位单片机。
方案一：选择8031单片机
8031单片机是Intel公司生产的MCS-51系列单片机中的一种，除无片内ROM外，其余特性与MCS-51单片机基本一样。采用40个引脚的8031芯片。该芯片有4个8位并行I/O接口：P0、P1、P2、P3，128个字节的片内数据存储器，但没片内程序存储器，需扩展，价格便宜。
方案二：选择P89V51RD2单片机
采用有40个I/O口的P89V51RD2。P89V51RD2是Philips公司新推出的一款功能非常强大的微处理器。P89V51RD2采用51内核，内部集成了64kB Flash ROM和1024字节的数据RAM，5V工作电压，操作频率为0~40MHz，并且支持12时钟(默认)或6时钟模式(每个机器周期包含6个时钟)，选择6时钟模式时可在相同时钟频率下获得2倍的吞吐量，同时，另一个好处在于，可以在保证处理速度不变的情况下，将时钟频率减半，这样可以极大地降低系统的EMI 。P89V51RD2还集成了SPI(串行外围接口)，增强型UART，PCA(可编程计数器阵列)，具有PWM和捕获／比较功能，尤其是P89V51RD2支持在系统软件调试和在系统编程的功能，这使得我们在用其开发产品时可以完全抛开仿真器和编程器，进而大大减少了产品开发的成本和时间。对于恒温箱这一控制对象来说，芯片的性能比8031，8051等单片机要优越的多，其劣势在于价格较贵。但是可以实现在线仿真，用起来比较方便。
方案三：选择AT89C51单片机
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMb-Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS 8位微处理器。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用Atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，Atmel的AT89C51是一种高效微控制器。
使用P89V51RD2单片机，完全可以抛开仿真器和编程器，简化了设计，所以本次设计采用方案二。
P89V51RD2 的典型特性是它的 X2 方式选项。利用该特性，设计工程师可使应用程序以传统的 80C51 时钟频率（每个机器周期包含 12个时钟）或 X2 方式（每个机器周期包含6个时钟）的时钟频率运行，选择 X2 方式可在相同时钟频率
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下获得2倍的吞吐量。从该特性获益的另一种方法是将时钟频率减半而保持特性不变，这样可以极大地降低电磁干扰(EMI)。
Flash程序存储器支持并行和串行在系统编程（ISP）。并行编程方式提供了高速的分组编程（页编程）方式，可节省编程成本和上市时间。ISP 允许在软件控制下对成品中的器件进行重复编程。应用固件的产生/更新能力实现了 ISP 的大范围应用。
P89V51RD2 也可采用在应用中编程（IAP），允许随时对 Flash 程序存储器重新配置，即使是应用程序正在运行也不例外。
2.3.2显示电路的选择
在单片机系统中常用的显示电路有LED显示、LCD显示。
方案一：选择LED显示
采用七段码显示时，数码管中的每一段相当于一个发光二极管。对于共阳极的数码管，内部每个发光二极管的阳极被连在一起，成为该各段的公共选通线，发光二极管的阴极则成为段选线。对于共阴极数码管，则正好相反，内部发光二极管的阴极接在一起，阳极成为段选线。这两种数码管的驱动方式是不同的。当需要点亮共阳极数码管的一段时，公共段需接高电平，该段的段选线接低电平。从而该段被点亮。当需要点亮共阴极数码管的一段时，公共段需接低电平，该段的段选线接高电平，该段被点亮。
方案二：选择LCD显示
C系列LCD显示可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能。提供三种控制接口，分别是8位微处理器接口，4位微处理器接口及串行接口（OCMJ4X16A/B无串行接口）。所有的功能，包含显示RAM，字型产生器，都包含在一个芯片里面，只要一个最小的微处理系统，就可以方便操作模块。内置2M-位中文字型ROM (CGROM) 总共提供8192 个中文字型(16x16 点阵)，16K-位半宽字型ROM (HCGROM) 总共提供126 个符号字型(16x8 点阵)，64 x 16-位字型产生RAM (CGRAM)，另外绘图显示画面提供一个64x256点的绘图区域（GDRAM），可以和文字画面混和显示。提供多功能指令：画面清除（Display clear）、光标归位（Return home）、显示打开/关闭（Display on/off）、光标显示/隐藏（Cursor on/off）、显示字符闪烁（Display character blink）、光标移位（Cursor shift）、显示移位（Displayshift）、垂直画面卷动（Vertical line scroll）、反白显示（By_line reverse display）、待命模式（Standby mode）。
为了较方便的显示LED，本系统采用了直接三极管驱动LED，然后再接到单片机上去，这大大的降低了成本，也节省了元器件。它还具有可用程序来实现多种功能、通用性强、使用灵活的特点。
如果使用LCD显示在经济上不能降低成本，编程也比较繁琐，反而显得不合
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基于单片机的电加热恒温箱控制器设计
理。故选择用LED作为显示电路。
2.3.3键盘电路的选择
一般键盘电路有两种：独立式键盘和矩阵式键盘。
方案一：选择独立式键盘
独立式键盘中，各按键相互独立，每个按键各接一根输入线，每根输入线上的按键工作状态不会影响其它输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态就可以很容易的判断按键是否被按下了。独立式键盘电路配置灵活，软件结构简单。但每个按键需占用一根输入线，在按键数量较多时，输入口浪费大，电路结构显得很繁杂，故此种按键适用于按键较少或操作速度较高的场合。
方案二：选择矩阵式键盘
矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接到VCC上。平时无按键动作时，行线处于低电平状态，而当有按键按下时，列线电平为低，行线电平为高。这一点是识别矩阵式是否被按下的关键所在。因此，各按键彼此将相互影响，所以必须将行、列线信号配合起来并作适合的处理，才能确定闭合键的位置。很明显，在按键数量较多的场合，矩阵式键盘与独立式键盘相比，要节省很多的I/O口。
由于本系统只有两个按键，故选择独立式键盘。
2.3.4温度采集电路的选择
传感器的选择：目前，温度传感器没有统一的分类方法。按输出量分类有模拟式温度传感器和数字式温度传感器。按测温方式分类有接触式温度传感器和非接触式温度传感器。按类型分类有分立式温度传感器（含敏感元件）、模拟集成温度传感器和智能温度传感器（即数字温度传感器）。
温度传感器的从测量原理分为，体积热膨胀，电阻变化，热电效应（热电偶），压电效应频率变化，光学反应等温度传感器，它们各自有自己的优缺点，利用体积热膨胀的温度传感器，不需要用电。电阻温度传感器分为铜电阻，中等精度价格低；铂电阻高精度价格高；热敏电阻，精度低灵敏度高。热电效应温度传感器，温度范围宽，测量精度高但需要冷端补偿。利用压电效应和频率变化改变输出值的温度传感器可以作为标准使用。利用光学变化改变温度传感器适合高温非接触测量。
温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。常用的温度传感器有热电阻、热敏电阻和热电偶。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。
方案一：选择热电偶传感器
热电偶作为测温原件具有结构简单、较高的精准度、测量范围宽、具有良好的敏感度等优点，在温度测量中应用最为广泛。
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