【正文】 ............. 27 主程序模塊 ........................................................... 27 數(shù)據(jù)采集模塊 ......................................................... 28 初始化程圖 ......................................................... 28 溫度設(shè)置模塊 ......................................................... 30 軟件抗干擾措施 ....................................................... 31 8 結(jié)論 ..................................................... 32 謝 辭 ...................................................... 33 參考文獻 .................................................... 33 附 錄 ...................................................... 34 6 第 6 頁 共 54 頁 引言 溫度是生活及生產(chǎn)中非常基本的物理量，它是物體冷熱程度的表征。在我們的日常生活中，溫度的測量和控制都直接影響我們的生活環(huán)境，以及我們的生產(chǎn)生活，對工業(yè)、農(nóng)業(yè)等都用重要的影響。在我們實際的生活環(huán)境下，由于系統(tǒng)內(nèi)部與外界的熱交換是很難控制的，而且其他熱源的干擾也是難以精確的計算，因此溫度量的變化，容易受到難以預測的外界環(huán)境擾動的影響。例如，可以讓目標系統(tǒng)的內(nèi)部環(huán)境與其外部環(huán)境的溫度同步變化。另外，在大多數(shù)的實際環(huán)境中，溫度增加要比使溫度降低方便得多。尤其是隔熱效果、較好的環(huán)境，溫度一旦出現(xiàn)過沖，溫度是很難被降低下來的。道理同樣，對于只有冷卻，沒有加熱環(huán)節(jié)的應(yīng)用中，目標溫度高于實際溫度，對控制效果的影響也 是非常大的。 鑒于上述這些特點，高精度溫度控制的難度比較大，而且不同的應(yīng)用環(huán)境也需要不同的控制策略。 1 緒論 溫度測量與控制技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 近些年來，自動溫度控制系統(tǒng)中，溫度的測量與控制在理論上的發(fā)展比較成熟，但在實際應(yīng)用中，為了保證能快速實時地對溫度進行采樣，確保采集的數(shù)據(jù)傳輸更可靠，并對溫度場進行精確的溫度控制，仍然是 我們目前需要解決的問題。分別是溫度測量技術(shù)和溫度控制技術(shù)；在溫度測量技術(shù)中又分為兩種方式：接觸式測溫，這種測量方法的優(yōu)點是簡單、可靠、低廉、測量精度較高，一般能夠測得真實溫度，但由于檢測元件容易受到熱慣性的影響，并且響應(yīng)時間較長，由于有些物體的熱容量較小，而無法實現(xiàn)精確的測量，運動物體的溫度也是難以測量。但它的缺點是，測量誤差較大，測溫裝置結(jié)構(gòu)復雜，價格昂貴等缺點。目前是測溫技術(shù)常見的有以下幾種方式。近年來發(fā)展的陶瓷薄膜熱電偶 ,可以測量更高的溫度 ,克服了金屬薄膜熱電偶的一些催化效應(yīng)和冶金效應(yīng)等缺點 ,在高溫表面溫度測量領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛。具體表現(xiàn)在 :(1)測溫范圍從高溫、中溫向中、低溫部分拓展 。(3)工作波段多樣化 , 可根據(jù)被測對象的特性選擇 。(5)紅外測溫儀具有小型化和智能化的特點 。 光纖測溫技術(shù)：黑體空腔式光纖高溫計是由黑體空腔與被測介質(zhì)達到溫度平衡 ,通過光纖將黑體腔的輻射能量傳輸給光電探測器件 ,從而實現(xiàn)溫度測量。還有一種測量鋼水溫度的消耗型光纖溫度傳感器 ,也是基于以上原理 ,由普通石英光纖實現(xiàn)測溫 ,因其價格低、準確度高的特點可以取代消耗型貴金屬熱電偶。另外一般監(jiān)控現(xiàn)場的電磁環(huán)境都非常惡劣，各種干擾信號較強，模擬溫度信號容易受到干擾而產(chǎn)生測量誤差，影響測量精度 ， 在溫度測量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力強的是解決這些問題的最有效方案，新型數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 具有體積更小、精度更高、適用電壓更寬、采用一線總線、可組網(wǎng)等優(yōu)點，在實際應(yīng)用中取得了良好的測溫效果。 2 設(shè)計任務(wù) 本課題要求完成一種，基于 51 單片機和 DS18B20 為核心的溫度自動控制系統(tǒng)，具有溫度檢測、溫度顯示、溫度范圍設(shè)置、溫控控制信號輸出功能。 并且具備按預設(shè)程序控制運行功能。 （ 2）加入顯示模塊，使用 1602 液晶屏作為顯示屏。 （ 4）加入鍵盤控制模塊，用對溫度控制通道的選擇和對溫度上下限的數(shù)值控 制。 （ 6） 控制信號可以控制相應(yīng)的外接控溫器件。 3 設(shè)計構(gòu)思及理論 設(shè)計思路 由于本課題主要要求的是，完成一種基于 51 單片機和 DS18B20 為核心的溫度自動控制系統(tǒng)，具有溫度檢測、溫度顯示、溫度范圍設(shè)置、溫控控制信號輸出功能。 本文所溫度控制系統(tǒng)硬件部分的研究，按功能大致可以分為以下幾個部分：單片機主控模塊、輸出通道、輸入通道、 電源電路等。由結(jié)構(gòu)框圖可見，溫度控制系統(tǒng)是以單片機為控制的主機，主控模塊由擴展外部存儲器構(gòu)成。 圖 31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 轉(zhuǎn)化的數(shù)字信號將給單片機進行處理，一方面將測得的溫度通過控制面板上的液晶顯示器顯示出來；另一方面將該溫度值和設(shè)定的溫度值相比較，根據(jù)其偏差值的大小，采用控制算法進行運算，最后通過單片機的輸出管腳輸出控制信號。如果實際測得的溫度值超過， 或低于系統(tǒng)給定的極限安全溫度，保護電路會做出反應(yīng)，同時報警電路報警響起，從而保護被測對象。各個器件工作的電源和電壓主要有外接電源提供。 9 第 9 頁 共 54 頁 方案論證 主機模塊 方案一： ARM 處理器為 RISC 芯片，是 32 位的微處理器。因此，使用 ARM 處理器來作為本課題的主控制芯片是可行的，但是其成本相對較高。目前應(yīng)用廣泛的單片機類型有 51 單片機、 AVR 單片機、 430 超低功耗單片機 PIC 單片機等。根據(jù)本課題的設(shè)計要求可知，使用 51 單片機實現(xiàn)所有功能。因此本課題方案二單片機 STC12C5A60S2 單片機作為主機主控制芯片，而從機控制芯片則選擇成本更低的 AT89S52 單片機作為控制芯片。具有微功耗，體質(zhì)小，顯示內(nèi)容豐富，超薄輕巧，成本低等特點。使用其作為小規(guī)模系統(tǒng)的顯示模塊式可行的。但是，由于 1602 不可以顯示圖像文字，因此顯示效果以及在人機交互上的效果還是有缺憾。使用該液晶可以構(gòu)成全中文的人機交互圖形界面。 根據(jù)以上說明可知，由于本課題需要測量顯示的數(shù)據(jù)較多，并且需要根 據(jù)特定要求進行人機交互設(shè)置操作，因此選擇方案二中的 LCD1602 作為主機模塊的液晶顯示模塊可以達到很好的顯示效果，且價格低廉。由于熱敏電阻是用半導體材料，大多為負溫度系數(shù)，即阻值隨溫度增加而降低。熱敏電阻具有靈敏度高，工作溫度范圍寬，體質(zhì)小使用方便等特點。 方案二：使用 DS18B20 數(shù)字測溫傳感器作為測溫器件。單總線具有經(jīng)濟 10 第 10 頁 共 54 頁 性好，抗干擾能力強，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，使用方便等優(yōu)點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。 根據(jù)以上所述可知，選用 DS18B20 數(shù)字測溫傳感器作為測溫器件具有眾多的優(yōu)點。 4 系統(tǒng)電路的設(shè)計及原理說明 電路系統(tǒng)說明 硬件電路主要有兩大部分組成：模擬部分和數(shù)字部分；從功能模塊上來分有：主機電路、 數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤顯示電路、電源電路、控制執(zhí)行電路。完成對被測物體的溫度控制。 圖 41 硬件結(jié)構(gòu)框圖 電路設(shè)計說明 主機選用 INTEL 公司的 MCS51 系列單片機 89C51 來實現(xiàn)，利用單片機軟件編程靈活、自由度大的特點，力求用軟件完善各種控制算法和邏輯控制。其內(nèi)部具有 128 字節(jié) RAM，而且內(nèi)部含有 4KB 的 EPROM 不需要外擴展存儲器，也有數(shù)據(jù)通信接口，通過 TXD、 RXD 與 PC機連接，可以進行人機操作，使得操作更加簡單、方便。 [1] 實用電子電路手冊 [J]．高等教育出版社． 1992 年 10 月 11 第 11 頁 共 54 頁 單片機電路 （?。﹩纹瑱C最小系統(tǒng)原理圖，如圖 42 所示： 圖 42 單片機最小系統(tǒng)原理圖 （ 2）單片機電路說明 單片機最小 系統(tǒng)原理圖如圖 。晶振電路選用的晶振頻率是 ，因為系統(tǒng)電路需要進行串口通信，選用 的晶振在串口通信中產(chǎn)生波特率的誤差為零，因此適合進行串口通信。 供電系統(tǒng)電路 （ 1）電源電路原理圖 圖 43 電源電路原理圖 （ 2）電源電路說明 在本系統(tǒng)中提 供了兩種供電方式，方便系統(tǒng)在不同的環(huán)境中使用。其中一種供電方式為外部電源供電方式，一種為電源線供電方式。電源線電源供電使用了三端穩(wěn)壓芯片 7805 進行穩(wěn)壓后再輸入到系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)的工作電壓穩(wěn)定在 5V 左右。因此，按照理論值通過外部電源供電時，可輸入引腳最大電壓為 36V。另外需要說明的是電源線接口不具備數(shù)據(jù)傳輸功能，只是單純的供電輸入。因此， LCD1602 的引腳 7 到引腳 14直接接到單片機的 P0 口用于并行數(shù)據(jù)傳輸， 電位器用于液晶屏對比度的設(shè)置。 時鐘電路 （ 1） 時鐘電路原理圖 圖 45 時鐘電路原理圖 （ 2） 時鐘電路說明 實時時鐘模塊主要用于實時時間顯示以及測量數(shù)據(jù)時間的記錄。根據(jù) 51 系列單片機的芯片說明，在單片機 XTAL1 和 XTAL2 引腳上跨接上一個 13 第 13 頁 共 54 頁 晶振和兩個穩(wěn)頻電容，可以與單片機片內(nèi)的電路構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。一些新型的單片機還可以選擇更高的頻率。而本設(shè)計采用 12MHZ 晶振和 30PF 的電路。無論是在單片機剛開始接上電源時，還是運行過程中發(fā)生故障都需要復位。單片機的復位條件：必須使其 RST 引腳上持續(xù)出現(xiàn)兩個（或以上）機器周期的高電平。如在單片機運行過程中，按下 RESET 鍵，已經(jīng)充好電的電容會快速通過 200Ω電阻的回路放電，從而使得 RST引腳上的電位快速變?yōu)楦唠娖?，此高電平會維持到按鍵釋放，從而滿足單片機復位的條件實現(xiàn)按鍵復位。如表 41為鍵盤功能表。 當 KEY1 按鍵被按下時，則只選擇通道一的溫控系統(tǒng)工作；而再按下一次按鍵，則只選擇通道二正常工作，通道一停止工作；再接著按下一次按鍵，又回到初始化狀態(tài)，兩路溫控系統(tǒng)都正常工作。此時調(diào)控按鍵不能對溫度限的值進行修改。 KEY4 沒有選中要修改的溫度值時，按鍵 KEY2 和 KEY3 都不進行工作。設(shè)計中采用 PNP 三級管作為驅(qū)動電路的組成，其發(fā)射極接上高電平，集電極對接上蜂鳴器的正極，通過對基極電流和電壓的輸出，來控制三級管的截止、放大、飽和狀態(tài)。此時對應(yīng)的 LED1 和 LED2 分別為兩路溫控系統(tǒng)的報警指示燈。三極管的 基極上接有個 1K 的偏置電阻，用以提供相應(yīng)的偏置電壓，控制三極管的工作狀態(tài)。 、 分別接的是兩路溫控通道的 LED1 和 LED2 報警指示燈。而為了更方便多樣的控制不同的溫控對象，設(shè)計上只是簡單的使用插針引出了控制線，這樣就可以針對不同的控制對象進行連接。由于溫度是個不好實現(xiàn)的量，為了說明自動控制，本設(shè)計主要采用一種模擬狀態(tài)，說明實現(xiàn)的自動控制功能。所以本設(shè)計的穩(wěn)壓電路主要采用了 78L05 穩(wěn)壓管作為穩(wěn)壓電路，它可以是電路的輸出電壓穩(wěn)定在 5V，這樣剛好滿足單片機電路對電源電 16 第 16 頁 共 54 頁 壓的要求， 78L05 的管腳主要由三個，如圖 49所示，從左往右分別為 3管腳， 1管腳接的是輸入的高電平，