【正文】 基于單片機(jī)的室溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目錄摘要 IAbstract II目錄 III前言 11 緒論 2 選題的目的和意義 2 溫度控制的國內(nèi)外發(fā)展概況 2 溫度控制的國內(nèi)發(fā)展概況 2 溫度控制的國外發(fā)展概況 3 32 系統(tǒng)方案論證 5 主控制器選擇 5 溫度采集系統(tǒng)的選擇 5 熱電制冷系統(tǒng)的選擇 7 按鍵系統(tǒng)的選擇 7 顯示器的選擇 8 警告及提示系統(tǒng)選擇 8 風(fēng)扇電機(jī)選擇 93 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 10 硬件總體結(jié)構(gòu)框圖 10 單片機(jī)知識(shí)介紹 10 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 11 單片機(jī)AT89S52介紹 11 溫度測量系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 14 溫度傳感器DS1624介紹 14 DS1624的引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu) 15 DS1624的工作原理及方式 16 片內(nèi)256字節(jié)存儲(chǔ)器操作 17 DS1624的指令集 18 I2C介紹 19 DS1624的電路設(shè)計(jì) 20 熱電制冷片驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 21 驅(qū)動(dòng)芯片MAX1968介紹 21 熱電制冷片TEC介紹 23 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 24 按鍵電路介紹 25 復(fù)位與時(shí)鐘電路 26 LED顯示電路 27 警告及指示電路 27 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 28 整體電路圖 284 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 31 系統(tǒng)主程序流程圖 31 按鍵控制服務(wù)程序流程圖 31 熱電制冷程序流程圖 32總結(jié) 33致謝 34參考文獻(xiàn) 35附件 程序清單 36 前言溫度控制被廣泛地用在生產(chǎn)、生活、實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。而在醫(yī)用、水產(chǎn)、特種工業(yè)、工業(yè)探傷、照相等行業(yè)，都需要求有穩(wěn)定而精確的溫度，也就是在設(shè)定一個(gè)溫度之后，系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整到這一個(gè)數(shù)值并保持不變。本論文是基于單片機(jī)而設(shè)計(jì)的室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)，通過對室內(nèi)溫度的檢測傳到單片機(jī)，與給設(shè)定值進(jìn)行比較，單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)偏差信號來改變特定I/O口的電平，也就控制了熱電系統(tǒng)，從而達(dá)到室內(nèi)溫度控制的目的。本論文是對室內(nèi)進(jìn)行的溫度控制。從室內(nèi)溫度的檢測并傳送到單片機(jī)，在設(shè)計(jì)過程中也遇到了困難，比如說溫度測量器件的選用，是選用數(shù)字量輸出還是選用模擬量輸出，各有什么有特點(diǎn)，這些都經(jīng)過了考慮才選擇了這個(gè)方案。在單片機(jī)的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)外部線路的設(shè)計(jì)，端口的分配和選用，復(fù)位和內(nèi)部時(shí)鐘的配合和電路的驅(qū)動(dòng)等方面也遇到了不少問題，經(jīng)過對各模塊功能及單片機(jī)I/O的特點(diǎn)詳細(xì)了解后都基本上解決了。加熱電路本論文選擇了熱電制冷電路，這個(gè)電路的開關(guān)頻率很高，很多空調(diào)等都選用了類似的熱電制冷電路，只是根據(jù)控制要求做了適當(dāng)調(diào)整。本論文利用芯片DS1624作為室內(nèi)溫度的檢測元件。DS1624芯片可以直接把測量的溫度值變換成單片機(jī)可以讀取的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號。單片機(jī)通過外部矩陣鍵盤進(jìn)行溫度設(shè)定，讀入的溫度值與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差的大小，單片機(jī)執(zhí)行程序?qū)犭娤到y(tǒng)進(jìn)行控制，即經(jīng)過特定I/O口的電平變化，讓熱電系統(tǒng)加熱或者說是制冷，從而改變了室內(nèi)溫度。當(dāng)熱電系統(tǒng)加熱時(shí)，使室內(nèi)溫度升高，DS1624不斷對室內(nèi)溫度進(jìn)行溫度檢測，當(dāng)偏差存在時(shí)單片機(jī)就繼續(xù)驅(qū)動(dòng)熱電系統(tǒng)電路進(jìn)行加熱，直到偏差為零。此時(shí)將MAX1968的SHDN引腳置低，設(shè)置成關(guān)斷置閑模式。處于制冷時(shí)也是一樣的道理。1 緒論 選題的目的和意義隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，溫度的測量和控制在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科研以及日常生活領(lǐng)域占有重要的地位。溫度控制系統(tǒng)是人類供熱、取暖的主要設(shè)備的驅(qū)動(dòng)來源，它的出現(xiàn)迄今已有兩百余年的歷史。期間，從低級到高級，從簡單到復(fù)雜，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和對溫度控制精度要求的不斷提高，溫度控制系統(tǒng)的控制技術(shù)得到迅速發(fā)展。目前高效率溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活、工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，適用于家電、汽車、材料、電力電子等行業(yè)，成為發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)的重要熱工設(shè)備之一。在現(xiàn)代化建設(shè)中，能源的需求非常大，然而我國的能源利用率極低，所以實(shí)現(xiàn)高效率的溫度控制，有著極為重要的實(shí)際意義。 溫度控制的國內(nèi)外發(fā)展概況隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及現(xiàn)代傳感技術(shù)的發(fā)展，溫度的測量和控制對人類日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、氣象預(yù)報(bào)、物資倉儲(chǔ)等都起著極其重要的作用。在許多場合，及時(shí)準(zhǔn)確獲得目標(biāo)的溫度信息是十分重要的，近年來，溫度測控領(lǐng)域發(fā)展迅速，并且隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，溫度的測控芯片也相應(yīng)的登上歷史的舞臺(tái)，能夠在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各領(lǐng)域中廣泛使用。近些年來，呈現(xiàn)出智能化、計(jì)算機(jī)化、全自動(dòng)等特點(diǎn)。它們普遍利用溫度傳感器、單片機(jī)（還有PLC，DSP）和微機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對溫度的檢測，并通過LED或LCD、加熱裝置、排風(fēng)裝置等的控制來實(shí)現(xiàn)對溫度的數(shù)值顯示和自動(dòng)調(diào)節(jié)。 溫度控制的國內(nèi)發(fā)展概況溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從生產(chǎn)的溫度調(diào)節(jié)來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進(jìn)國家相比有著較大差距。能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時(shí)變溫度系統(tǒng)。而適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國外已有較多的成熟產(chǎn)品。但由于國外技術(shù)保密及我國開發(fā)工作的滯后，還沒有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件。控制參數(shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場調(diào)試確定。近幾年來，在我國以信息化帶動(dòng)的工業(yè)化正在蓬勃發(fā)展，溫度已成為工業(yè)對象控制中一種重要的參數(shù)，特別是在冶金、化工、機(jī)械等各類工業(yè)中，廣泛使用各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等。對溫度控制系統(tǒng)的要求隨工藝的要求越來越高，促使溫度控制系統(tǒng)不斷向控制迅速，精度高，抗干擾能力強(qiáng)，高性價(jià)比方向發(fā)展。 溫度控制的國外發(fā)展概況國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果。日本、美國、德國、瑞典等技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出來一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用。它們主要具有如下特點(diǎn)：、大滯后等復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)的控制；；、參數(shù)時(shí)變的溫度控制系統(tǒng)的控制；、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論及計(jì)算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用先進(jìn)算法，適應(yīng)范圍廣；。借助計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，溫控器具有對控制對象控制參數(shù)及特性進(jìn)行自整定的功能。有的還有自學(xué)習(xí)功能，能夠更具歷史經(jīng)驗(yàn)及控制對象的變化情況，知自動(dòng)調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化；、抗干擾力強(qiáng)、魯棒性好的特點(diǎn)。目前國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發(fā)展。下面介紹幾種非常常見的溫度控制系統(tǒng)：，在農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面虛擬儀器溫室大棚溫度測控系統(tǒng)是一種比較智能、經(jīng)濟(jì)的方案，該系統(tǒng)能夠?qū)Υ笈飪?nèi)的溫度進(jìn)行采集，然后再進(jìn)行比較,通過比較對大棚內(nèi)的溫度是否超過溫度限制進(jìn)行分析，如果超過溫度限制，溫度報(bào)警系統(tǒng)將進(jìn)行報(bào)警,來通知管理人員大棚內(nèi)的溫度超過限制，大棚內(nèi)的溫控系統(tǒng)出現(xiàn)故障,從而有利于農(nóng)作物的生長,提高產(chǎn)量。系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是在一臺(tái)電腦上可以監(jiān)測到多個(gè)大棚內(nèi)的溫度情況并進(jìn)行控制。該系統(tǒng)LabVIEW虛擬儀器編程，通過對前面板的設(shè)置來顯示溫室大棚內(nèi)的溫度，越限報(bào)警來對大棚內(nèi)溫度進(jìn)行控制。該系統(tǒng)有單片機(jī),溫度傳感器，串口通信,和計(jì)算機(jī)組成。，模糊PID控制器是以常規(guī)PID為基礎(chǔ)，采用模糊推理思想，根據(jù)不同的e和ec對PID參數(shù)進(jìn)行在線自整定，控制器有兩部分組成，即常規(guī)PID控制部分和模糊推理的參數(shù)校正部分。應(yīng)用模糊集合理論建立參數(shù)kp、ki和kd與系統(tǒng)誤差e和系統(tǒng)誤差變化率ec之間的二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系，并用不同e和ec在線自整定PID參數(shù)。，該系統(tǒng)的硬件主要由單片機(jī)主控、前向通道、后向通道、人機(jī)接口和接口擴(kuò)展等模塊組成，以內(nèi)含C52兼容單片機(jī)的ADuC845為控制核心、配有640KB的非易失RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、外擴(kuò)鍵盤輸入、320x240點(diǎn)陣的圖形液晶顯示器進(jìn)行漢字、圖形、曲線和數(shù)據(jù)顯示，超溫報(bào)警裝置等外圍電路；預(yù)留微型打印機(jī)接口，打印現(xiàn)場結(jié)果。預(yù)留RS232接口，能和PC機(jī)聯(lián)機(jī)傳輸現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)。電阻爐的溫度先由熱電偶溫度傳感器檢測并轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號，溫度變換器此信號進(jìn)行非線性校正及電壓放大，由單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。再經(jīng)數(shù)字濾波、誤差校正、標(biāo)度變換、線性擬合、查表等處理后。一方面將爐溫經(jīng)人機(jī)面板上的LCD顯示；另一方面將該溫度值與被控制值（鍵盤設(shè)定值）比較，根據(jù)偏差值的大小，由控制算法進(jìn)行運(yùn)算，最后輸出移相控制脈沖，放大后觸發(fā)可控硅導(dǎo)通。達(dá)到控制電阻爐溫度的目的。如果實(shí)測溫度值超過了該系統(tǒng)所要求的范圍，單片機(jī)就向報(bào)警裝置發(fā)出命令，系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警。2 系統(tǒng)方案論證室內(nèi)溫度的大小對生產(chǎn)、食品儲(chǔ)存、農(nóng)作物生長等的影響很大。而單片機(jī)的測溫和控制裝置，能對室內(nèi)環(huán)境溫度進(jìn)行測量，并根據(jù)溫度給定值給出調(diào)節(jié)量，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的目的。本系統(tǒng)要求隨時(shí)監(jiān)視室內(nèi)的溫度，在一定范圍內(nèi)根據(jù)用戶溫度設(shè)定值，迅速做出調(diào)整，以達(dá)到對室內(nèi)溫度的控制。 主控制器選擇控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部件，它的性能關(guān)系到系統(tǒng)的運(yùn)算處理能力、控制精度、功能的實(shí)現(xiàn)等等，因而主控制器的選擇非常重要。方案一：采用含有ARM內(nèi)核的單片機(jī)，這類處理器的優(yōu)點(diǎn)是：低功耗，功能強(qiáng)大，運(yùn)算處理能力強(qiáng)，控制精度高，I/O口可以配置，應(yīng)用靈活，廣泛使用在嵌入式系統(tǒng)方面，已經(jīng)滲透到生活的許多方面，包括現(xiàn)在使用的手機(jī)，就有嵌入式ARM的參與，而且功能也越來越趨于完善。由此可以看出ARM通常用于功能完善，處理功能強(qiáng)，控制精度高的場合。方案二:采用Atmel公司的AT89S系列單片機(jī)，這類處理器的優(yōu)點(diǎn)是：低功耗，高性能，有4～8K系統(tǒng)可編程flash存儲(chǔ)器，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令與引腳完全兼容，在生活中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，涉及到日常生活，工業(yè)控制方面等等，能滿足通常的控制要求，而且取得了相當(dāng)滿意的效果，控制精度高?；谝陨蟽煞N方案比較，再結(jié)合本系統(tǒng)的控制要求，選用Atmel公司的AT89S52單片機(jī)，它有8K的系統(tǒng)可編程flash存儲(chǔ)器，有32個(gè)通用I/O口，能夠?qū)崿F(xiàn)本控制系統(tǒng)的功能、滿足要求，也不用再擴(kuò)展存儲(chǔ)器，減少了硬件延遲與誤差，保證系統(tǒng)快速響應(yīng)，而且組成系統(tǒng)的性價(jià)比高，資源得到了充分的利用。 溫度采集系統(tǒng)的選擇溫度采集元件也是本控制系統(tǒng)的另一重要部件，它是這個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。測量結(jié)果誤差的大小關(guān)系到后級控制的難易程度，誤差越大，處理就越難。在控制系統(tǒng)中我們學(xué)過，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)的元件中，測量元件引起的誤差不能消除，系統(tǒng)本身的誤差則可以通過算法控制到最小。而組成的任何系統(tǒng)本身都存在一些誤差，這樣就使控制精度更低了，甚至不能完成控制要求而以失敗告終。方案一：采用模擬量輸出溫度傳感器AD590，它具有線性優(yōu)良、性能穩(wěn)定、靈敏度高、無需補(bǔ)償、熱容量小、抗干擾能力強(qiáng)、可遠(yuǎn)距離測溫且使用方便等優(yōu)點(diǎn)?？蓮V泛應(yīng)用于各種冰箱、空調(diào)器、糧倉、冰庫、工業(yè)儀器配套和各種溫度的測量和控制等領(lǐng)域。方案二：采用數(shù)字量輸出DS1624，DS1624是美國DALLAS公司生產(chǎn)的集成了測量系統(tǒng)和存儲(chǔ)器于一體的芯片。數(shù)字接口電路簡單，與I2C總線兼容，且可以使用一片控制器控制多達(dá)8片的DS1624。測溫范圍寬，讀數(shù)穩(wěn)定，分辨率高，無須外接電路，與單片機(jī)接口簡單，其數(shù)字溫度輸出達(dá)13位，176。C。，適用于高精度、低功耗的應(yīng)用系統(tǒng)場合。方案三：采用熱敏電阻式溫度傳感器，常用的熱敏電阻溫度傳感器都是具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，它的電阻率受溫度的影響很大，而且隨溫度的升高而減小。優(yōu)點(diǎn)是：靈敏度較高，能檢測出6176。C到10176。C的溫度變化；工作溫度范圍寬；體積小，能夠測量其它溫度計(jì)無法測量的溫度；使用方便；易加工成復(fù)雜的形狀；壽命長，穩(wěn)定性好、過載能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是互換性差，非線性嚴(yán)重。基于以上方案比較，方案一和方案三都要先放大后經(jīng)A/D處理后才能傳遞給單片機(jī)處理，電源對放大和A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果有不同程度的影響，為了使誤差盡可能小，則對電源的要求比較高，因而增加了硬件延遲與成本（是方案二的兩倍以上），比方案二的效果也差一些。而方案二對電源沒有特別要求，兩線只需分別加一個(gè)上拉電阻就可以與單片機(jī)直接相連。從系統(tǒng)控制要求角度出發(fā)，再考慮系統(tǒng)的性價(jià)比，選擇了方案二。 熱電制冷系統(tǒng)的選擇熱電制冷系統(tǒng)是整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的加熱制冷的執(zhí)行系統(tǒng)，包括加熱制冷元件，元件的驅(qū)動(dòng)電路。在允許的溫度范圍內(nèi)，該系統(tǒng)讓室內(nèi)溫度可以根據(jù)實(shí)際需要加熱或制冷，以改變室內(nèi)溫度，為用戶提供一個(gè)滿意的室內(nèi)溫度。方案一：采用發(fā)熱電熱絲制熱，而制冷則用可以另選制冷的電路。優(yōu)點(diǎn)在于采用市電，比較方便，由單片機(jī)輸出PWM波來控制雙向可控硅的觸發(fā)相位，控制執(zhí)行元件電路加熱或制冷。但是用市電的制冷電路卻是一個(gè)大難題，而且多為一個(gè)制冷系統(tǒng)，如空調(diào)的制冷系統(tǒng)。方案二：采用半導(dǎo)體熱電制冷片，半導(dǎo)體制冷片的工作運(yùn)轉(zhuǎn)是用直流電流，它既可制冷又可加熱，而且只要通過改變直流電流的極性就可以在同一制冷片上實(shí)現(xiàn)制冷或加熱，這個(gè)效果的產(chǎn)生就是通過熱電的原理，在現(xiàn)代的溫度控制系統(tǒng)中應(yīng)用相當(dāng)?shù)膹V泛，推動(dòng)了溫度控制系統(tǒng)的跨越式發(fā)展，被稱