【文章內容簡介】 扇，使溫度一直保持在我們所需要的值上，避免因為過熱使機器損壞的情況，這就擺脫了人為控制，達到智能控制的層次。 在本次的設計中，我們綜合實際的設計需求，采用 STC 公司的 51 單片機 作為本系統(tǒng)的控制核心，使用溫度檢測系統(tǒng)來檢測環(huán)境溫度，同時為了采集者的方便觀察，將數(shù)據(jù)通過 LED 進行顯示，我們使用鍵盤作為輸入系統(tǒng)，可以輸入我們的理想目標溫度，根據(jù)目標設定溫度，控制器控制風扇電機使之達到目標溫度，當目標溫度達到以后，控制器將停止電機轉動，實現(xiàn)自動化控制，同時可減少電源浪費。 溫度控制技術 的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 從近年來的溫控系統(tǒng)發(fā)展來看，在理論上溫度的檢測已經(jīng)比較成熟，但問題的關鍵在于實際測量和控制，在實際的實現(xiàn)中我們需要保證快速實時地對溫度進行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并且能 夠對所采集的溫度精準的調控，這些都是目前需要解決的問題。 溫度的調控技術主要包括溫度的采集技術和溫度的控制技術。 在溫度的測量技術史上，接觸式測溫是發(fā)展較早的，同時也是比較成熟的技術，接觸式測溫技術擁有一系列非常好的優(yōu)點，例如方法簡單可靠，經(jīng)濟成本低成都學院學士學位論文（設計） 廉，并且在測量真實物體的溫度時較準確。但是由于傳感器器件的熱慣性的影響，測量溫度時的響應時間長，對于一些熱容量較小的物體，接觸式難以測得精準溫度，并且如果測量物體帶有腐蝕性，或物體溫度過高，或物體的移動速度過快，使用接觸式都難以準確的測量物體溫度。另外有一種非接 觸式的測量溫度的方法，該方法的原理是通過物體向外輻射的能量來測量實際物體的溫度的，這種方法的最大優(yōu)點是可以不破壞測量的溫場，可以測量腐蝕性物體，可以測量高溫物體，可以測量熱容量小的物體，可以測量快速移動的一系列物體。但同時這種方法也不是完美的，它也有一些缺點，此種測量系統(tǒng)的結構復雜，并且價格昂貴。因此，在實際的溫度測量時，我們不能草率的決定采用哪種溫測系統(tǒng)，我們應該根據(jù)實際的溫測需求來進行溫度測量的方法的選擇，在滿足測溫需求的同時盡可能降低成本。 溫度調控技術目前根據(jù)控制目標標準可以分為兩類：動態(tài)溫度跟蹤 與恒值溫度控制。動態(tài)溫度跟蹤是指溫度控制系統(tǒng)根據(jù)設定好的目標溫度曲線隨著時間的變化而變化的調節(jié)目標溫度，這種溫度調控技術在實際的工程中是經(jīng)常遇到的，例如在生物工程中的發(fā)酵問題，化學工廠中的化學反應中，以及在冶金工業(yè)中的溫度控制都屬于這一類；橫值溫度控制系統(tǒng)是指被控制的溫度唯一固定值，不隨著時間的變化而變化目標溫度，同時要求溫度的幅值波動要在一定的范圍之內，不允許超過范圍極限。 本文實現(xiàn)的技術 指 標和功能 溫度測量及調控系統(tǒng)，利用紅外溫度傳感器測量環(huán)境溫度，將溫度采集采集到控制系統(tǒng)內，控制器處理信息 數(shù)據(jù)， LED 顯示溫度，控制電機速度來進行降溫，通過按鍵進行溫度設定，進行智能溫度控制。 本文的章節(jié)安排 本論文以五章來闡述自己所做的工作，其中各章節(jié)的大致安排如下： 第一章為緒論，主要介紹了課題的研究背景與意義、 溫度測控 的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀以及技術指標和功能。 第二章為系統(tǒng)的總體方案設計，介紹了系統(tǒng)應該完成的功能，概括了系統(tǒng)的設計思想，并給出系統(tǒng)的總體方案設計。 成都學院學士學位論文（設計） 第三章為系統(tǒng)硬件簡介，主要說明了溫度測控系統(tǒng)中涉及到的硬件原理。 第四章為系統(tǒng)軟件設計 ,這是本文最重要的部分。主要內容有溫度采集，并進行溫度顯示，以及溫度設置和溫度調節(jié)等。 第五章為系統(tǒng)調試運行結果，主要展示了系統(tǒng)實現(xiàn)的整體功能。 成都學院學士學位論文（設計） 第二章 系統(tǒng)總體方案設計 虛擬信號發(fā)生器 功能簡介 根據(jù)實際需要，本系統(tǒng)主要完成以下功能 : 利用紅外溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù) 通過 LED 進行溫度顯示 通過鍵盤進行溫度設定 通過 PWM 驅動調節(jié)風扇，進行溫 度控制 虛擬信號發(fā)生器 的總體方案設計 本設計的整體思路是：本系統(tǒng)以 51 單片機為控制核心，將紅外溫度傳感器檢測環(huán)境溫度并直接輸出數(shù)字溫度信號給單片機進行處理，同時利用 LED 數(shù)碼管進行溫度的顯示。同時采用 PWM 脈寬調制方式來改變直流風扇電機的轉速。并通過一個按鍵實現(xiàn)智能控制和固定轉速切換。系統(tǒng)結構框圖如圖 21 所示。 圖 21 系統(tǒng)結構框圖 本章小結 本章只是從總體的思路上進行 了一個大體的介紹，分析了其中每個部分的功能 溫度顯示 LED 按鍵溫度設定 電動風扇調節(jié)溫度 PWM 電機驅動 STC89C51RC 紅外傳感器溫度采集 成都學院學士學位論文（設計） 作用，為今后的具體涉及做好了基本的框架，其中并沒有涉及到過多的技術內容，下面將從硬件和軟件兩部分進行詳細的介紹。 成都學院學士學位論文（設計） 第三章 系統(tǒng)硬件簡介 系統(tǒng)硬件設計規(guī)劃 溫度傳感器的選擇 在本設計中，溫度傳感器的選擇有以下四種方案： 方案一：將熱敏電阻作為溫度檢測的核心，熱敏電阻的阻值會隨著物體溫度的變化而變化，在經(jīng)過信號通過功率放大器電路將信號放大，進而可產(chǎn)生較大的電壓信號最后通過模數(shù)轉換芯片 ADC0809 將電壓 信號模擬量轉化為數(shù)字信號輸入單片機處理。 方案二：采用模擬式的集成溫度傳感器 LM35 作為溫度檢測的核心元件，經(jīng)模數(shù)轉換芯片 ADC0809 將微弱電壓變化信號轉化為數(shù)字信號輸入單片機處理。 方案三：采用溫度傳感器 DS18B20 作為溫度采集的核心器件，通過單片機與其進行串口通信可采集數(shù)字溫度數(shù)據(jù) 方案四：采用紅外溫度傳感器 TN901,通過串口通信可以采集溫度數(shù)據(jù)。 對于方案一，采用熱敏電阻作為溫度檢測元件，有價格便宜，元件易購的優(yōu)點，但熱敏電阻對溫度的細微變化不太敏感，在信號采集、放大以及轉換的過程中還會產(chǎn)生失 真和誤差，并且由于熱敏電阻的 RT 關系的非線性，其自身電阻對溫度的變化存在較大誤差，雖然可以通過一定電路來修正，但這不僅將使電路變得更加復雜，而且在人體所處環(huán)境溫度變化過程中難以檢測到小的溫度變化。故該方案不適合本系統(tǒng)。 對于方案二，雖然模擬式集成溫度傳感器 LM35 的高度集成化，大大降低了外接放大轉化等電路的誤差因數(shù)，溫度誤差變得很小，但由于其檢測溫度結果以電壓形式輸出，需要使用數(shù)模轉換芯片 ADC0809 轉換為數(shù)字信號，此過程較為繁瑣。并且由于 LM35 對溫度變化產(chǎn)生的電壓變化較小，系統(tǒng)易受干擾。故該方案不 適合本系統(tǒng)。 對于方案三，雖然數(shù)字式集成溫度傳感器 DS18B20 的高度集成化，通過串口可以采集到數(shù)字量數(shù)據(jù)，但如果將 DS18B20 應用在高精端儀器的溫度采集，并且對溫度調節(jié)的實時性較高的系統(tǒng)中， DS18B20 溫度傳感器的性能就無法達到設計的要求。因此該方案不適合本次系統(tǒng)設計。 成都學院學士學位論文（設計） 對于方案四，特點 TNm 紅外溫度計模塊采用高靈敏度、高精度、的功耗的設計，保證了采用的優(yōu)良特性 。 MEMS 熱電堆可以準確的測量出環(huán)境溫度，采用溫度補償技術在 TNm 紅外溫度計模塊 上。 ZyTemp 開發(fā)出獨有的集成了所有硬件的集成電 路的組成了紅外片上系統(tǒng)。應用該創(chuàng)造 性的紅外片上系統(tǒng)（ SoC）技術， TNm 紅外溫度模塊具有很高的集成度和性價比。 ZyTemp39。s 的產(chǎn)品可以承受 10℃ 的熱沖擊。我們的產(chǎn)品擅長在寬范圍溫度變化環(huán)境中保 持精度。例如：傳統(tǒng)的紅外測溫儀溫度變化帶來的誤差達到 ℃ ，需要 30 分鐘的穩(wěn)定 時間；而 ZyTemp39。s TNm 產(chǎn)品誤差僅僅是 ℃ ，僅需要 7 分鐘的穩(wěn)定時間 .TNm 產(chǎn)品只需要 3 伏電源供電，而多數(shù)其他紅外溫度計需要 9 伏電壓供電 ZyTemp 保證溫度標準溯源倒 NIST 或者國際測 量實驗室 . 所有的 TNm 產(chǎn)品經(jīng)過溯源 的紅外溫度標準源校準，校準的數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的序列號保存在模塊上 EEPROM 內。 紅外溫度傳感器 TN901 的溫度測量范圍大，精確度高，響應時間快，抗干擾能力強，并且 TN901 屬于數(shù)字量信號傳感器，可以通過 SPI 串口采集出數(shù)據(jù)信號，避免了 A/D 轉換部分，因此本次系統(tǒng)設計采用紅外溫度傳感器 TN901。圖 31 為紅外溫度傳感器 TN901 的最小單元模塊。 圖 31 TN901 最小單元模塊 控制核心的選擇 在本設計中采用 STC89C51RC 單片機作為控制核心，通過軟件編程的方法進行溫度檢測和判斷，并在其 I/O 口輸出控制信號。 STC89C51RC 單片機工作電壓低，性能高，片內含 8k 字節(jié)的只讀程序存儲器 ROM 和 512 字節(jié)的隨機數(shù)據(jù)存儲器 RAM，它兼容標準的 MCS51 指令系統(tǒng)，性價比高，適合本設計系統(tǒng)。 溫度顯示器件的選擇 在本次設計中溫度顯示器的選擇方案共有兩套，分別是： 方案一：應用動態(tài)掃描的方式，采用 LED 共陰極數(shù)碼管顯示溫度。 方案二：采用 LCD 液晶顯示屏顯示 溫度。 成都學院學士學位論文（設計） 對于方案一，該方案成本很低，顯示溫度明確醒目，即使在黑暗空間也能清楚看見，功耗極低，同時溫度顯示程序的編寫也相對簡單，因而這種顯示方式得到了廣泛應用。但不足的地方是它采用動態(tài)掃描的顯示方式，各個 LED 數(shù)碼管是逐個點亮的，因此會產(chǎn)生閃爍，但由于人眼的視覺暫留時間為 20MS，故當數(shù)碼管掃描周期小于這個時間時人眼不會感覺到閃爍，因此只要描頻率設置得當即可采用該方案。 對于方案二，液晶顯示屏具有顯示字符優(yōu)美，其不僅能顯示數(shù)字還能顯示字符甚至圖形，這是 LED 數(shù)碼管無法比擬的。但是液晶顯示模塊的元件價格昂貴 ，顯示驅動程序的編寫也較復雜，從簡單實用的原則考慮，本系統(tǒng)采用方案一。 調速方式的選擇 方案一：采用數(shù)模轉換芯片 DAC0832 來控制，由單片機根據(jù)當前環(huán)境溫度值輸出相應數(shù)字量到 DAC0832 中，再由 DAC0832 產(chǎn)生相應模擬信號控制晶閘管的導通角，從而通過無級調速電路實現(xiàn)風扇電機轉速的自動調節(jié)。 方案二：采用單片機軟件編