基于單片機溫度控制開題報告

PAGE6PAGE8本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告論文題目：基于80c52單片機加熱數(shù)字恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)院：電氣工程學(xué)院專業(yè)班級：自動化學(xué)生姓名：劉東洋學(xué)號：110302415導(dǎo)師姓名：關(guān)新開題時間：2015年3月26日1、課題背景及意義1.1課題研究背景、目的及意義二十一世紀(jì)是科技高速發(fā)展的信息時代，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展而誕生的電子技術(shù)、信息技術(shù)、單片機技術(shù)的應(yīng)用更是空前廣泛。由于它具有體積小、功能強、性價比高等特點，因此廣泛應(yīng)用于電子儀器、家用電器、節(jié)能電器、軍事領(lǐng)域、機器人、工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，使產(chǎn)品更加小型化、智能化，在不斷提高產(chǎn)品的功能和質(zhì)量的同時又降低了其生產(chǎn)成本、又花了產(chǎn)品設(shè)計。在各個領(lǐng)域得到了迅速地發(fā)展，人們也因此感受到應(yīng)用單片機技術(shù)的優(yōu)點，因而單片機也得到了更加快速的發(fā)展和應(yīng)用。傳統(tǒng)的溫度檢測大多以熱敏電阻為溫度傳感器，但熱敏電阻的可靠性差、測量溫度準(zhǔn)確率低，而且必須經(jīng)過專門的接口電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后才能由單片機進(jìn)行處理。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，單片微處理器功能日益增強，價格低廉，在各方面得到廣泛應(yīng)用。在溫度控制器中應(yīng)用單片機，具有設(shè)計簡單、可靠性高、控制精度高，功能易擴展，有較強的通用性等優(yōu)點。溫度控制器主要實現(xiàn)對恒溫箱溫度的控制，并滿足不同用戶的個性需求。因此一個較完善的控制器應(yīng)具有以下功能：溫度的測量與顯示；用戶設(shè)定功能(如溫度設(shè)定，定時設(shè)定等)；對電加熱管的控制功能；一些功能鍵(如定時自動加熱，恒溫控制，手動加熱等)；安全措施(漏電檢測，安全失效保護，限溫保護等)。近年來，國內(nèi)傳感器正向著集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和單片系統(tǒng)化的方向發(fā)展，為開發(fā)新一代溫度測量系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件。在電加熱恒溫箱控制器系統(tǒng)的設(shè)計中，由電阻式溫度傳感器測量溫度值并轉(zhuǎn)換成電壓信號，由變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并讀入單片機，經(jīng)單片機處理后的溫度數(shù)值，一方面送LED數(shù)碼管顯示；另一方面與給定值進(jìn)行比較，并判斷是否超限，將發(fā)出報警信號，提醒人注意并采取相應(yīng)措施；否則正常顯示溫度數(shù)值，然后根據(jù)偏差值進(jìn)行控制計算。從而進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)，使其達(dá)到指定要求。實踐證明，現(xiàn)在采用電阻絲加熱，不僅有利于避免在常規(guī)測溫方法中測量誤差大、準(zhǔn)確度低、測量滯后時間長等問題，而且在節(jié)約能源和改善環(huán)境方面本設(shè)計顯示出一定的優(yōu)越性。恒溫箱主要是用來控制溫度，它為農(nóng)業(yè)研究、生物技術(shù)、測試提供所需要的各種環(huán)境模擬條件，因此可廣泛適用于藥物、紡織、食物加工等無菌試驗、穩(wěn)定性檢查以及工業(yè)產(chǎn)品的原料性能、產(chǎn)品包裝、產(chǎn)品壽命等測試。隨著單片機的飛速發(fā)展，通過單片機對被控對象進(jìn)行控制日益廣泛，具有體積小、功能強、性價比高等特點，把單片機應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)中可以起到更好的控溫作用，恒溫箱是使用單片機進(jìn)行溫度控制的典型應(yīng)用，采用單片機做主控單元，可完成對溫度的采集和控制等的要求。恒溫箱的性能在很大程度上取決于對溫度的控制性能，本課題采用單片機為主控制器，通過傳感器測得箱內(nèi)溫度，再通過A/D轉(zhuǎn)換器將采樣輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入主控制器，來完成恒溫箱的溫度控制系統(tǒng)的硬件。箱內(nèi)溫度可保持在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，當(dāng)設(shè)置的溫度低于當(dāng)前的溫度時，單片機通過雙向晶閘管控制加熱電路連通，溫度慢慢升高；當(dāng)設(shè)置的溫度高于當(dāng)前的溫度時，單片機通過雙向晶閘管控制加熱電路斷開，溫度慢慢下降。本課題在原有普通傳感器的基礎(chǔ)上，經(jīng)單片機處理而成新一代測量控制儀器，具有以下顯著特點：多功能的智能化測控系統(tǒng)，以最簡單方式構(gòu)成高性價比；在硬件基礎(chǔ)上通過軟件實現(xiàn)測控功能，其智能化程度取決于軟件的開發(fā)水平；留有通信端口，可以將信息進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，便于形成分布式控制系統(tǒng)。產(chǎn)品的工藝不同，控制溫度的精度也不同，因而所采用的控制算法也不同。就溫度控制系統(tǒng)的動態(tài)特性來講，基本上都是具有純滯后的一階環(huán)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)精度及溫控的線性性能要求較高時，多采用PID算法或達(dá)林頓算法來實現(xiàn)溫度控制。單片機外圍電路包括傳感器電路、鍵盤電路、數(shù)碼顯示電路、定時報警電路、和加熱電路。系統(tǒng)工作流程為：開機后，用戶通過按鍵設(shè)定定時時間和需加熱到的溫度，默認(rèn)先輸入的為時間。溫度傳感器Pt100采集當(dāng)前溫度的模擬信號，信號經(jīng)過運算放大器兩級放大后送給A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量再送給單片機，單片機通過PID算法計算發(fā)出控制指令控制晶閘管的通斷，根據(jù)晶閘管的通斷的時間長短來控制電加熱器加熱的功率，使溫度達(dá)到用戶設(shè)定值上，且誤差不超過2℃。在這個過程中，定時時間一到，蜂鳴器發(fā)出聲音進(jìn)行報警。完成的工作內(nèi)容：在明確恒溫箱溫度控制系統(tǒng)功能要求的前提下繪制出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；根據(jù)恒溫箱溫度控制系統(tǒng)工作原理框圖和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖以P89V51RD2芯片為核心，選擇控制系統(tǒng)所需的硬件并畫出硬件電路原理圖；了解基于P89V51RD2的恒溫箱溫度檢測控制系統(tǒng)的C51部分軟件程序，并編寫軟件程序；總結(jié)在設(shè)計過程中所出現(xiàn)的錯誤，避免將來在工作中出現(xiàn)同樣的問題。1.2課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢溫度控制技術(shù)在現(xiàn)代信息技術(shù)中是三大基礎(chǔ)之一。恒溫箱不管是在生活上，還是在工業(yè)上都有著巨大的經(jīng)濟效益。恒溫箱自動控制系統(tǒng)在國內(nèi)外都到研究與發(fā)展。恒溫箱的控制系統(tǒng)從開始的由人工調(diào)節(jié)達(dá)到需要的溫度及控制，到現(xiàn)在發(fā)展到采用單片機的自動控制其溫度。恒溫箱最基礎(chǔ)的器件是由溫度檢測系統(tǒng)，模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，單片機為核心，溫度顯示的組成。溫度檢測系統(tǒng)一般使用溫度傳感器。溫度傳感器從1821年由德國物理學(xué)家賽貝發(fā)明后到熱電偶傳感器。在德國西門子發(fā)明了鉑電阻，后在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。20世紀(jì)90年代時又發(fā)明了智能溫度傳感器2、課題研究的主要任務(wù)和預(yù)期目標(biāo)2.1主要任務(wù)和要求本設(shè)計采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換電路，使得電路結(jié)構(gòu)更加簡單，而且減少了溫度測量轉(zhuǎn)換時的精度損失，使得測量溫度更加精確。數(shù)字溫度傳感器DS18B20只用一個引腳即可與單片機進(jìn)行通信，大大減少了接線的麻煩，使得單片機更加具有擴展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通過單跳數(shù)據(jù)線就可以和主電路連接，故可以把數(shù)字溫度傳感器DS18B20做成探頭，探入到狹小的地方，增加了實用性，更能串接多個數(shù)字溫度傳感器DS18B20進(jìn)行多范圍的溫度檢測。由于單片機功能強大，可大大加快系統(tǒng)的開發(fā)與調(diào)試速度，并具有控制方便、簡單、靈活等特點，因此本設(shè)計采用單片機為主控制器，通過數(shù)字傳感器測得箱內(nèi)溫度，再將溫度信號送入主控制器，來完成恒溫箱的溫度控制。箱內(nèi)溫度可保持在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，當(dāng)設(shè)置的溫度低于實時溫度時，單片機送出加熱信號；當(dāng)設(shè)置的溫度高于實時溫度時，單片機送出停止信號。2.2預(yù)計設(shè)計的目標(biāo)和達(dá)到的水平（1）在使用中可以將采集來的溫度數(shù)據(jù)計算轉(zhuǎn)換為我們熟悉的攝氏溫度。（2）在0~125℃的范圍內(nèi)，人們可以自由調(diào)節(jié)預(yù)期達(dá)到的溫度。（3）將設(shè)定的預(yù)期溫度和實時溫度能顯示出來。（4）可以將實時溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比對，以調(diào)節(jié)溫度。3、設(shè)計方案溫度傳感器選擇：方案一：采用熱敏電阻，可滿足40～90℃的測量范圍，但熱敏電阻精度、重復(fù)性、可靠性都比較差，其測量溫度范圍相對較小，穩(wěn)定性較差，不能滿足本系統(tǒng)溫度控制的范圍要求。方案二：采用溫度傳感器鉑電阻Pt1000。鉑熱電阻的物理化學(xué)性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定，它能用作工業(yè)測溫元件，且此元件線性較好。在0—100攝氏度時，最大非線性偏差小于0.5攝氏度。鉑熱電阻與溫度關(guān)系是，Rt=R0(1+At+Bt*t);其中Rt是溫度為t攝氏度時的電阻；R0是溫度為0攝氏度時的電阻；t為任意溫度值，A，B為溫度系數(shù)。方案三：采用模擬溫度傳感器AD590K，AD590K具有較高精度和重復(fù)性（重復(fù)性優(yōu)于0.1℃），其良好的非線性可以保證優(yōu)于±0.1℃的測量精度。但其測量的值需要經(jīng)過運算放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換再傳給單片機，硬件電路較復(fù)雜，調(diào)試也會相對困難，所以本系統(tǒng)不宜采用此法。方案四：采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，DS18B20提供九位溫度讀數(shù)，測量范圍-55℃~125℃，采用獨特1-WIRE總線協(xié)議，只需一根口線即實現(xiàn)與MCU的雙向通訊，具有連接簡單，高精度，高可靠性等特點。并且DS18B20支持一主多從。若想實現(xiàn)多點測溫，可方便擴展。綜合以上四種方案，本設(shè)計采用第四種方案，利用數(shù)字溫度計DS18B20作為溫度傳感器。顯示部件選擇方案一：采用I/O口直接驅(qū)動，需要占用大量可貴的I/O口資源，且系統(tǒng)運行后，更換元件不易，不符合系統(tǒng)設(shè)計的可靠性、易擴展性原則。方案二：采用串行口驅(qū)動、靜態(tài)顯示，利用單片機的串行口輸出數(shù)據(jù)，顯示多位數(shù)碼，可節(jié)省大量的I/O口，但每個數(shù)碼管必須有一個驅(qū)動芯片，且每位段碼須接一個限流電阻，所須元件多，硬件電路比較復(fù)雜。方案三：采用串行口驅(qū)動、動態(tài)掃描顯示，利用單片機的串行口輸出數(shù)據(jù)，顯示多位數(shù)碼，多個數(shù)碼管可共用驅(qū)動芯片和限流電阻。這樣既可以簡化硬件電路，又可以節(jié)省大量的I/O口線，為功能擴展留下空間。綜合以上三種方案，本設(shè)計采用方案三：串行口驅(qū)動、動態(tài)顯示。根據(jù)系統(tǒng)具體指標(biāo)要求，可以對每一個具體部分進(jìn)行分析設(shè)計。3.1軟件設(shè)計開發(fā)過程利用keil工作平臺以編寫生成一個C語言的.hex工程。利用在protues環(huán)境下進(jìn)行模擬電路設(shè)計，最后下載代碼執(zhí)行程序[17、18]。3.2硬件電路設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖原理圖4.畢業(yè)設(shè)計工作計劃及進(jìn)度安排第一周：確定題目，查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)第二周：查閱與自動化相關(guān)外文，下載并翻譯文獻(xiàn)第三周：寫開題報告，學(xué)習(xí)proteus軟件第四周：學(xué)習(xí)80c52單片機原理第五周：學(xué)習(xí)單片機硬件電路原理第六周：16位CPU控制系統(tǒng)設(shè)計第七周：顯示電路整體設(shè)計第八周：溫度報警電路設(shè)計第九周：溫度采集電路設(shè)計第十周：串口模塊電路設(shè)計第十一周：學(xué)習(xí)PID控制原理，完成軟件設(shè)計第十二周：溫度控制原理軟件調(diào)試第十三周：寫結(jié)論、參考文獻(xiàn)歸類第十四周：論文電子版初稿、PPT制作第十五周：論文目錄生成、電子版預(yù)答辯第十六周：修改論文格式，制作PPT第十七周：準(zhǔn)備答辯5、主要參考文獻(xiàn)[1]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分(第四版)[M].高等教育出版社,2003.[2]戴佳等.51單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實例[M].中國電力出版社,2005.[3]高衛(wèi)東等.51單片機原理與實踐[M].北京航空航天大學(xué),2008.[4]劉守義等.單片機技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2007[5]何立民.單片機高級教程應(yīng)用與設(shè)計[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2007.1.[6]李學(xué)海.PIC單片機原理.北京航空航天大學(xué)出版社,2004.5[7]歐陽文.ATMEL89系列單片機的原理與開發(fā)實踐[M].中國電力出版社,2007.6.[8]陳海宴.51單片機原理及應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2010[9]吳琳,楊林,趙桂豐.基于單片機的溫度數(shù)據(jù)采集器[J].現(xiàn)代電子技 術(shù),

2008(19).[10]鐘富昭等.8051單片機典型模塊設(shè)計與應(yīng)用[M].人民郵電出版社，2007.[11]潘永雄.新編單片機原理與應(yīng)用[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2003.[12]徐鳳霞,趙成安.AT89C51單片機溫度控制系統(tǒng)[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報,2004,3.[13]樓然苗.51系列單片機設(shè)計實例[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2003.03.[14]MeehanJoanne,MuirLindsey.SCMinMerseysideSMEs:Benefitsandbarriers[J]..TQMJournal.2008

[15]HUHong-bin.Measuringfortemperaturecharacteristicoftemperaturerelay[M].ElectroMechanicalelement,2003,9.controllers[J]．IEEE

Trans

on

Fuzzy

Systens，2007.9，32(4)327-350.

[16]YuanFenghua,CuiJianjiang,WuShengxi,etc.Dynamictandemcold