论文总字数：20711字

摘 要

随着工业进程的不断推进和社会的快速转变，恒温箱在人们生活中的应用越来越广泛，且人们对恒温箱的要求也越来越高。恒温箱目前在工业上或者实验室中使用广泛，使用领域涉及医疗卫生、生物制药、农业科研、汽车、仪器仪表、石化和邮电等各个方面。因此，本文主要考虑了经济、环保和实用三个方面，设计了一种以AT89S51单片机作为主控制器的恒温箱。该恒温箱通过USB上电，采用DS18B20数字温度传感器监控箱内温度，并以此作为对恒温箱进行制冷和加热的依据。通过温度传感器、风扇和LCD1602液晶显示屏与单片机的连接，可以实现温度控制和显示功能，并且能够记录过渡的时间。利用PID控制PWM的占空比从而实现对继电器加热的控制，可以达到设备的自动检测和温度调节。

关键词：恒温箱；温度传感器；单片机；PID控制理论；

Design and implementation of a multi-temperature thermostat control system

Abstract

With the development of industry and the rapid transformation of society, thermostats have been used more and more widely. And people's requirements for incubators are getting higher and higher. Currently, incubators are widely used in industry or in laboratories, and they are used in medical and health care, bio-pharmaceuticals, agricultural scientific research, automobiles, instruments, petrochemicals, post and telecommunications, Therefore, this paper mainly considers the economy, environmental protection and practical three aspects to manufacture the thermostat, put forward a kind of AT89S51 MCU as the main controller of the thermostat. The thermostat is electrified via USB, and the temperature inside the incubator is monitored by DS18B20 digital temperature sensor, which is used as the basis for cooling and heating the incubator. The temperature control and display functions can be realized through the connection of temperature sensor, fan and LCD1602 LCD screen with MCU, and the time of transition can be recorded. PID control PWM duty cycle to achieve the control of fan opening degree, can achieve automatic detection and temperature regulation equipment.

Key Words: Incubator; Temperature sensor; Single chip microcomputer; PID control theory;

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 背景概述 1

1.2 课题的主要研究内容 2

1.3 研究的思路和手段 2

1.4 本章小结 3

第二章 系统的总体设计方案 4

2.1 系统设计总框架 4

2.2 综合因素 6

2.3 散热方式的选择 7

2.3.1 自然冷却 7

2.3.2 液体冷却 7

2.3.3 半导体制冷 8

2.4 加热方式选择 9

2.5 本章小结 9

第三章 恒温箱的硬件电路设计 10

3.1 微型处理器 10

3.1.1 晶振电路 11

3.1.2 复位电路 12

3.2 DS18B20传感器 13

3.3 LCD1602液晶显示屏 14

3.4 制冷加热部分 15

3.5 本章小结 17

第四章 恒温箱的软件设计 18

4.1 系统I/O口分配 18

4.2 主程序设计 19

4.3 温度采集程序设计 19

4.4 LCD1602液晶显示程序设计 20

4.5 PID概述及程序设计 21

4.5.1 PID控制原理 21

4.5.2 PID程序设计 22

4.6 出现的问题与解决方法 23

4.7 本章小结 24

第五章 系统调试 25

5.1 程序调试及编译 25

5.2 程序下载 26

5.3 硬件调试 28

5.3.1 系统供电式选择 28

5.3.2 系统的要求 28

5.3.3 无PID控制下的系统运行 28

5.3.4 PID控制下的系统运行 31

第六章 总结与展望 33

6.1 总 结 33

6.2 系统评价 34

6.3 展 望 34

参考文献 35

致 谢 37

附录一 原理图和实物图 38

附录二 程序源代码 39

第一章 绪论

1.1 背景概述

随着工业生产水平和人民生活水准的不断提高，恒温箱在各个领域都有着更为严格的要求，恒温箱的设计理念也需要上升一定的空间。无论是在生活、实验室还是在工业方面，环境恒温的要求都很高，温度波动的范围也越小，这使得恒温箱在设计方面更加注重精度。在工业应用上面，则要求更加简单化、精细化，最好能做成集成模块，这样成本会更加低。在生活中，人们更在意的是操作简单，功能全面，系统稳定，价格低廉等，由此可见，人们越来越注重恒温箱的应用，而且在不同的行业的需求和作用也是大相径庭的。

恒温箱也称为鼓风干燥箱，它在很多行业都有涉及，具体可以用在电子产品、生物实验等。恒温箱的发展可以追溯到1960年前后，国外的恒温箱控制系统逐渐走入人们的视野，并且像大树一般快速生长发芽并朝着智能化方向发展。工业上应用的广泛和生产要求的逐步提高，迫使恒温箱技术跟上科技的生产要求，在这方面，许多发达国家，比如美国、日本和其他发达国家技术的领先，率先生产了一批商业化的仪器，在之后的发展中，恒温箱逐渐精度化、智能化。而本国的恒温箱技术则相对落后一些，早期可以追溯到20世纪后半叶。本国常用的简单控制方法还是PID控制，虽然研究前景很广阔，但是仍然存在很多问题，这些问题表现在不容易处理滞后等高要求的复杂问题，这使得本国在这些方面的研究需要进一步提升。

在当下的社会中，为了获得精确的数据，保持恒温环境，在生物实验、医疗卫生、生物制药、航天航空、船舶、兵器、石化、邮电等领域对于恒温箱的要求越来越苛刻，但是市场上出现的各种产品依然有很多的缺点不能克服，诸如精度问题，温度波动问题，制冷或制热不及时以及无法克服极端环境等问题，从而造成相应的损失。

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