【正文】 溫度，是人類社會(huì)環(huán)境中極其重要的一個(gè) 因素。不管你的生活環(huán)境怎樣，從事的工作是什么，我們無時(shí)無刻不在與 溫度接觸。 自從歐洲工業(yè)革命開始，工業(yè)發(fā)展的興衰與掌握溫度 的程度 休戚相關(guān)。 醫(yī)藥、鋼鐵、石化、水泥、冶金等等行業(yè)都需要考慮溫度對其生產(chǎn)的影響，除此之外，溫度不僅僅對于工業(yè)生產(chǎn)具有很重大的意義，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對溫度的測量與控制也尤為重要。 我國人口眾多，人們生活水平隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展也在不斷的提高，逐漸不在滿足于溫飽，也開始注重其品質(zhì)生活 ，講究綠色生活，對肉類的需求有一個(gè) 減少的趨勢。但就社會(huì)整體來說，每天對肉類的消耗還是巨 大的，尤其是豬肉、雞肉、牛羊肉等。因此，對于家畜家禽的養(yǎng)殖供應(yīng) 的持續(xù)性就提出了很高的要求。家禽（尤其是肉雞）的養(yǎng)殖廠的建 設(shè)、小雞孵化的成功率等等因素 會(huì)對養(yǎng)殖供應(yīng) 產(chǎn)生巨大的影響。溫度受控的雞舍就是一個(gè)符合小雞孵化的人工控制的環(huán)境 ， 能夠減輕外部環(huán)境的約束，使孵化工作脫離對于 自然條件的依賴。這會(huì)為養(yǎng)殖戶帶來可觀的收入，為社會(huì)產(chǎn)值做出貢獻(xiàn)。 隨著養(yǎng)殖業(yè)的蓬勃發(fā)展，自動(dòng)化控制的雞舍不斷應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，雞舍的溫度控制系統(tǒng)就變成了十分貼近生活的課題。傳統(tǒng)的溫度控制只是 在雞舍中放置溫度計(jì)，當(dāng)測得的溫度超過額定溫度時(shí)，就會(huì)對雞舍進(jìn)行降溫，如果低于設(shè)定的溫度，就會(huì)對雞舍進(jìn)行升溫 。這些人工操作，消耗了許多的人力財(cái)力。由于現(xiàn)在農(nóng)產(chǎn)品的需求不斷加大，促使養(yǎng)殖的規(guī)模不斷加大，所以把溫度自動(dòng)測控系統(tǒng)應(yīng)用在養(yǎng)殖場中，變得尤為必要。 今天，單片機(jī)作為最小系統(tǒng) ， 服務(wù)與運(yùn)用于我們的生活工作環(huán)境中 ，在工業(yè)控制、通信處理、民生家用、武器控制等各個(gè)領(lǐng)域中大顯身手。然而與此同時(shí)，智能化，自動(dòng)化已成為社會(huì)的趨勢，單片機(jī)也能夠?qū)囟冗M(jìn)行控制，控制精度高、方便靈活。此外，單片機(jī)功能強(qiáng)、體積小、可靠性高，正逐 漸成為測控領(lǐng)域的明星元器件。 本畢業(yè)設(shè)計(jì)就是以單片機(jī)為基礎(chǔ)，針對養(yǎng)殖場的溫度進(jìn)行的測控系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外溫度控制系統(tǒng) 從上個(gè)世紀(jì) 70年代以來，鑒于 工業(yè)的迅速發(fā)展， 過程 控制被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)中，尤其是微電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制理論 的迅猛發(fā)展及推動(dòng)，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展成熟 ，并且在很多方面取得成果。例如：智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等等。日本、美國、德國、瑞典等國家掌握了先進(jìn)的技術(shù)，且生產(chǎn)出 一批性能優(yōu)越的溫度控制儀器儀表。它們主要有如下特點(diǎn)： （ 1）能夠適應(yīng)大慣性、大滯后性的復(fù)雜溫 度控制系統(tǒng) 。 第 1 章 緒論 2 （ 2）適應(yīng)于難以建立數(shù)學(xué)模型的受控的溫度控制系統(tǒng) 。 （ 3）適應(yīng)于過程復(fù)雜、參數(shù)時(shí)變的受控的溫度控制系統(tǒng) 。 （ 4）大部分溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論，并且具有先進(jìn)的算法 。 （ 5）大部分的溫控器具有自整定參數(shù)的能力，有的還有自我學(xué)習(xí)能力，它能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)及控制對象的變化，自動(dòng)調(diào)整控制過程所需要的參數(shù)，從而能夠使控制效果達(dá)到最好 。 （ 6）溫度控制系統(tǒng)控制精度高、抗干擾能力強(qiáng) 。 目前， 國外溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是高精度、智能化、小型化等等。 國內(nèi)溫 度控制系統(tǒng) 模糊控制理論的研究與應(yīng)用在國內(nèi)研 究領(lǐng)域起步比較遲，但發(fā)展速度十分驚人，也取得了許多有影響的成果。 例如：模糊控制、模糊識別、模糊聚類分析、模糊圖像處理、模糊集合論等等。 目前，我國在溫度控制儀表 與國外差距較大，主要在于以下幾個(gè)方面： （ 1）行業(yè)內(nèi)，大規(guī)模企業(yè)較少，企業(yè)規(guī)模普遍較小且分布 比較散，導(dǎo)致技術(shù)力量分散，研發(fā)能力不夠，從而導(dǎo)致行業(yè)技術(shù)不夠先進(jìn) 。 （ 2）產(chǎn)品大多為 PID 控制器，而智能化的儀器儀表較少，這是與國外差距最大的地方。而且現(xiàn)在國內(nèi)企業(yè)對精度要求高且復(fù)雜的溫度控制系統(tǒng)還是選擇進(jìn)口的溫度控 制儀表，表現(xiàn)出對國內(nèi)同類產(chǎn)品沒有信心。 （ 3）儀器儀表控制方面的關(guān)鍵技術(shù)、相關(guān)算法及控制 軟件的研究比國外滯后許多。比如：在參數(shù)自整定方面，國外技術(shù)及產(chǎn)品都已經(jīng)成熟，然而 國內(nèi)這方面研究的滯后，還沒有開發(fā)出可靠的自整定軟件。參數(shù)大部分 依賴 人工經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場調(diào)試來 設(shè)定，這些差距，值得我們?nèi)ヅ?，并迎頭趕上。 隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，企業(yè)也進(jìn)行了資源重組，并通過合資、技術(shù)合作等方式，促使我國溫度等儀器儀表工業(yè)得到了迅速發(fā)展。 研究的意義 現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中，對溫度的要求普遍提高，不再滿足于普通的溫度測量 顯示，智能化的控制系統(tǒng)結(jié)合自動(dòng)化的 測量系統(tǒng)組成的溫度測控系統(tǒng)在很多領(lǐng)域得到廣泛 應(yīng)用。大型養(yǎng)殖場的 孵化小雞 項(xiàng)目 ，對于雞舍的溫度要求較高，只有使溫度保持在一 定的范圍內(nèi)，且實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制調(diào)溫，才會(huì)對孵化過程有一個(gè) 自動(dòng)化的脫離人工控制的環(huán)境。 因此 溫度測控系統(tǒng)的確會(huì)為社會(huì)生產(chǎn)創(chuàng)造出驚人的成果，所以 溫度測控系統(tǒng)更加智 能化，更加高精度，更加先進(jìn)的研究與應(yīng)用是符合社會(huì)及人們生產(chǎn)生活 需要的，依然具有強(qiáng)勁的發(fā)展動(dòng)力。 第 2 章 系統(tǒng)原理分析 3 第 2 章 系統(tǒng)原理分析 設(shè)計(jì)要求 （ 1）采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)； （ 2）運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)來 實(shí)現(xiàn)溫度測控所要求的基本功能與擴(kuò)展功能； （ 3）同時(shí)考慮到實(shí)際操作以及系統(tǒng)的維護(hù)問題，能適用于實(shí)際溫度的測控應(yīng)用領(lǐng)域； （ 4）設(shè)計(jì)溫度測控所必需的硬件電路，選擇合適的測溫傳感器； （ 5）對非線性誤差進(jìn)行修正，確保溫度測量與控制的準(zhǔn)確性與可靠性，測溫范圍為0～ 100℃，測溫精度不低于 ℃。 總體設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)思路 本次設(shè)計(jì)的是高精度數(shù)顯溫度測控儀，該系統(tǒng)主要由溫度測量和數(shù)據(jù)采集處理、控制兩部分組成，實(shí)現(xiàn)的方法有很多種，下面列出幾種在生產(chǎn)生活中經(jīng)常用到的方案。 方案 1： 采用熱電偶測溫， 兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料組成的回路，接觸點(diǎn)產(chǎn)生溫差，回路中就會(huì)產(chǎn)生電流，即回路中產(chǎn)生電動(dòng)勢，再根據(jù)熱電偶的分度表（電動(dòng)勢 EAB與溫度 T 的關(guān)系制作成的表格） ，查表后，就能夠得出接觸點(diǎn)的溫度。熱電偶作為溫度采集部分，由分度表得出的電壓差 ，通過 A/D 模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行 處理， 與此同時(shí)，溫度值在顯示器 上 顯示。 熱電偶 具有寬泛的工作溫度，較小的體積，然而輸出電壓小，產(chǎn)生于導(dǎo)線的環(huán)路噪聲對熱電偶具有很大的影響，并且零漂嚴(yán)重。 并且這種設(shè)計(jì)需要配置 A/D 轉(zhuǎn)換電路，所以感溫電路比較麻煩。 方案 2： 使用熱敏電阻利用其感溫效應(yīng)，采集溫度信號，再 利用 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換成電信號，再把電信號存儲(chǔ)到 24CXX 系列存儲(chǔ)器中，利用單片機(jī)進(jìn)行處理，用 74LS164 驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，用數(shù)碼管顯示溫度值。這種方案系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，但響應(yīng)時(shí)間長 ，反應(yīng)速度緩慢，數(shù)碼管和驅(qū)動(dòng)程序部分占用硬件資源大， 不夠理想。 方案 3： 采用數(shù)字溫度芯片 DS18B20 測量溫度，輸出信號為數(shù)字量，便于單片機(jī)進(jìn)行處理。因?yàn)樵撔酒奈锢砘瘜W(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件， 測溫范圍 55℃ ～ +125℃ ，測溫 精度 ℃。 DS18B20 采用單總線的數(shù)據(jù)傳輸 ，由數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 和單片機(jī)STC89C52 構(gòu)成溫度測量裝置，溫度傳感器直接輸出數(shù)字量， 直接與計(jì)算機(jī)連接。采用 51系列單片機(jī)控制，軟件編程的自由度大，可通過編程實(shí)現(xiàn)各種各樣的 算法和邏輯控制，硬件實(shí)現(xiàn)簡單，安裝方便。既可以單獨(dú)對多 DS18B20 控制工作，也可以與 PC機(jī)通信上傳數(shù)第 2 章 系統(tǒng)原理分析 4 據(jù)。而且 STC89C52 在工業(yè)控制上也有很寬廣的應(yīng)用，編程技術(shù)及配套的外圍功能擴(kuò)展電路都很成熟。 該系統(tǒng)利用 STC89C52 芯片控制溫度傳感器 DS18B20 進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度檢測并顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)快速 的 測量環(huán)境溫度，并可以根據(jù)需要設(shè) 定上下限報(bào)警溫度。 從上述三個(gè)方案，可以看出方案 1測溫裝置可測溫度范圍較寬、體積小，但線性誤差較大。方案 2的測溫裝置相對于方案 3的還是比較復(fù)雜，且資源消耗大。方案 3的測溫裝置電路簡 單，精確度較高、實(shí)現(xiàn)方便，體積小，軟件設(shè)計(jì)也較簡單，故選擇方案 3。 方案確定 根據(jù)設(shè)計(jì)要求的指標(biāo)，選取溫度傳感器 DS18B20 作為溫度檢測元件，選擇通用性較好的 STC89C52 單片機(jī) ，再增加 LCD 顯示器，蜂鳴器，繼電器，散熱器（風(fēng)扇），加熱器（加熱棒 ）。實(shí)現(xiàn)對溫度的實(shí)時(shí)顯示及溫度的超限報(bào)警系統(tǒng)，若實(shí)際溫度低于設(shè)定的溫度 下限時(shí)，相應(yīng)的加熱器啟動(dòng)升溫；高于設(shè)定溫度上限時(shí)， 關(guān)閉相應(yīng)的加 熱器 并啟動(dòng)降溫風(fēng)扇進(jìn)行 降溫。 整個(gè)系統(tǒng)分為硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)兩部分 。 (1)硬件電路設(shè)計(jì)主要包括：溫度測量采集電路、 LCD 顯示電路，報(bào)警電路，鍵盤電路，繼電器控制電路，散熱器及加熱器工作電路。 (2)軟件程序設(shè)計(jì)主要包括：管理程序和控制程序 。 管理程序是對顯示 LCD 進(jìn)行動(dòng)態(tài)刷新，控制指示燈，處理鍵盤的掃描和響應(yīng)，執(zhí)行中斷服務(wù)程序等?？刂瞥绦蚴怯脕韺Ρ豢貙ο筮M(jìn)行采集，數(shù)據(jù)處理，根據(jù)溫度控制要求進(jìn)行計(jì)算和輸出。 系統(tǒng)主要功能如圖 21所示。 圖 21 系統(tǒng)主要功能框圖 工作內(nèi)容 （ 1）利用溫度傳感器檢測 環(huán)境溫度，將 非電量轉(zhuǎn)換成電量；測溫范圍為 0~100℃，測溫精度不低于 ℃； 蜂鳴器溫度報(bào)警 DS18B20 溫度采集 LCD 顯示溫度值 鍵盤電路設(shè)置溫度 STC89C52 繼電器 風(fēng)扇降溫、電阻絲升溫 第 2 章 系統(tǒng)原理分析 5 （ 2）利用單片機(jī)收集處理數(shù)據(jù)，并向外圍設(shè)備輸出控制信號； （ 3）采用 LCD 實(shí)時(shí)顯示被控溫度； （ 4）設(shè)定溫度上下限報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn) 超限報(bào)警 蜂鳴器 報(bào)警 提示； （ 5）當(dāng)實(shí)際溫度值低于設(shè)定的溫度下限時(shí)，加熱器啟動(dòng)， 開始 升溫； （ 6） 當(dāng)實(shí)際溫度值高于設(shè)定的溫度上限時(shí)，加熱器關(guān)閉，而風(fēng)扇開始啟動(dòng) ， 進(jìn)行 降溫。 系統(tǒng)工作原理 溫度傳感器 DS18B20 采集 環(huán)境 溫度，單片機(jī) STC89C52 獲取 采集到的溫度值， 由設(shè)置的溫度上下閥值，使用兩個(gè)控制通路（加熱棒與風(fēng)扇）來調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，若實(shí)際 溫度 高于設(shè)置的 溫度 上閥值 ，單片機(jī) 發(fā)出 TTL 低電平 ，使 三極管 導(dǎo)通，以此 驅(qū)動(dòng)電磁繼電器開啟降溫設(shè)備（風(fēng)扇）， 同時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲； 若實(shí)際溫度低于設(shè)置的溫度下閥值 ，單片機(jī) 發(fā)出 TTL 低電平，使 三極管 導(dǎo)通，以此 驅(qū)動(dòng)電磁繼電器開啟升溫設(shè)備（加熱 棒），同時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。單片機(jī)的低電平使 三極管 導(dǎo)通，從而 驅(qū)動(dòng)蜂鳴器 工作產(chǎn)生報(bào)警聲 。第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 6 第 3 章 系統(tǒng)硬件 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件方案分析 溫度控制儀的硬件電路一般采用模擬電路或單片機(jī)控制兩種形式。模擬控制電路的各個(gè)控制環(huán)節(jié)一般由 電壓 大小 比較器、 信號 運(yùn)算放大器、電容電阻等外圍元器件 、模擬集成電路 組成。模擬控制電路對信號響應(yīng)迅速， 且能夠?qū)崟r(shí)控制。 本系統(tǒng)的被測量是溫度，溫度是連續(xù)變化的信號 ，相對變化緩慢的 ，此外對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不高，所以模擬電路的優(yōu)勢得不到發(fā)揮 。另外，模擬電路依靠元器件之間的電氣關(guān)系來實(shí)現(xiàn)控制算法， 復(fù)雜的控制算法 難于實(shí)現(xiàn) 。 單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器等功能（可能還包括 脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn) 換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng) [19]。 它的特點(diǎn)是功能強(qiáng)大、運(yùn)算速度快、體積小巧、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛。因此，采用單片機(jī)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，不僅可以降低開發(fā)成本，精簡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且控制算法由軟件實(shí)現(xiàn)，還可以提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。 從實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)功能和簡化硬件結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，單片機(jī)是實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的不二選擇。從降低成本，元器件 供貨渠道充足的角度看，應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)是比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。 溫度測量采集模塊 方案設(shè)計(jì) 方案 1： 采用熱電偶測溫， 將參考結(jié)點(diǎn)保持在已知溫度并測量該溫差電壓， 查熱電偶分度表后，便可以得 出檢測結(jié)點(diǎn)的溫度。數(shù)據(jù)采集部分使用 帶有 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 的單片機(jī)?？紤]到一般的 A/D 輸入通道都只能接收大信號，所以還應(yīng)該 設(shè)計(jì)相應(yīng)的放大電路。此方案由于熱電偶工作溫度范圍非 常寬，存在輸出電壓小、容易遭受來自導(dǎo)線環(huán)路噪聲影響以及漂移較高等等 缺點(diǎn)，而且測溫電路比較麻煩。 方 案 2：直接使用輸出是數(shù)字信號的溫度傳感器 ，而避免方案一 中的測量得到的模擬信號，再結(jié)合單片機(jī)組成采集模塊。系統(tǒng)的 特點(diǎn) 很多 ：①測量精度 高、 分辨率 好、寬泛的測量范圍 ；② 抗干擾，穩(wěn)定 ；③ 數(shù)字信號方便處理、傳輸以及 控制； ④ 能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài) 多路測量，并且直觀的讀出數(shù)值 ；⑤ 安裝 維護(hù)簡單 方便 ， 且具有高可靠性 。 采用 DALLAS 公司的 DS18B20 系列 溫度傳感器，可 直接輸出數(shù)字信號。 對比 之后，方案 2更適合于作為本系統(tǒng)的測溫部分實(shí)施方案 。 DS1820 溫度采集芯片介紹 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 7 （ 1） 芯片特性 DS1820 是一個(gè)集成芯片， 是 迄今為止 世界上第一片支持“一線總線” 功能的 接口 溫度傳感器 ，由 DALLAS 半導(dǎo)體公司研制，是一種數(shù)字化溫度傳感器 。 “ 一線總線 ”功