【正文】 .... 38 參考文獻(xiàn) ........................................................... 40 致謝 .............................................................. 41 附錄 A 電氣原理圖 ................................................... 42 附錄 B 主要程序 ..................................................... 42 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 1 1 緒 論 溫度在現(xiàn)代社會(huì)中成為一個(gè)很重要的物理量，人們可以根據(jù)溫度來(lái)調(diào)節(jié)個(gè)人的生活行為，氣象工作者可以根據(jù)溫度變化范圍來(lái)提供可靠的天氣預(yù)報(bào)。因此，準(zhǔn)確的溫度測(cè)量和控制在現(xiàn)代化的社會(huì)生產(chǎn)中具有重要的研究意義。在很多工業(yè)應(yīng)用的 場(chǎng)合下，環(huán)境非常惡劣，人工直接操作儀表很不現(xiàn)實(shí) ,采用有線數(shù)據(jù)通信的方式也有限制，在數(shù)據(jù)記錄上也需要人工抄寫，因此需要一種無(wú)線隔離的操作方式。根據(jù)它們?cè)谟嵦?hào)輸出方式的不同，可以把它們分為模擬溫度傳感器、數(shù)字溫度傳感器和智能溫度傳感器。后者讓組件在使用單電源的情形下就能對(duì)負(fù)溫度值進(jìn)行檢測(cè)。模擬溫度傳感器適合需要低成本、小體積和低功耗的應(yīng)用。而這個(gè)觸發(fā)點(diǎn)（限制值）可以預(yù)設(shè)，因此，這類組件讓設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，成本也更低。 （ 2）數(shù)字溫度傳感器 對(duì)于更緊密控制能力、更高精度和更大分辨率的需求帶動(dòng)了數(shù)字溫度傳感器的發(fā)展。因此，從非電量轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號(hào)，一般將其處理過(guò)程集成在單片 IC 器件體內(nèi)部，這樣就形成了功能強(qiáng)大、精確的數(shù)字溫度傳感器。 （ 3）智能溫度傳感器 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 2 其特點(diǎn)是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)溫度控制量，匹配相應(yīng)的微控制器（ MCU） ，并且它是在硬件的基礎(chǔ)上通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā) 水平。目前，國(guó)外已相繼推出多種高精度、高分辨率的智能溫度傳感器，所用的是 9～ 12位的 A/D 轉(zhuǎn)換器，分辨率一般可達(dá) ～ ℃。溫度傳感器作為從機(jī)可通過(guò)專用總線接口和主機(jī)進(jìn)行通信。溫度測(cè)量方法的發(fā)展和技術(shù)的創(chuàng)新，使得人們對(duì)溫度的測(cè)量更加準(zhǔn)確和方便。多點(diǎn)溫度測(cè)控系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展前景也將十分廣闊， 溫 度 測(cè)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)隨著傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用將由簡(jiǎn)單的以數(shù)據(jù)采集處理和監(jiān)測(cè)，逐步轉(zhuǎn)向以知識(shí)處理和應(yīng)用為主。近 些 年來(lái)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊推理等人工智能技 術(shù)在 溫度測(cè)控領(lǐng)域 得到了不同程度的應(yīng)用。 隨著網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展，地區(qū)之間甚至跨國(guó)之間可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和管理。 研究意義 溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域 ,如家電、汽車、材料、電力電子等 ,常 用的控制電路根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合和所要求的性能指標(biāo)有所不同 , 在工業(yè)企業(yè)中 ,如何提高溫度控制對(duì)象的運(yùn)行性能一直以來(lái)都是控制人員和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員努力解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的繼電器調(diào)溫電路簡(jiǎn)單實(shí)用 ,但由于繼電器動(dòng)作頻繁 ,可能會(huì)因觸點(diǎn)不良而影響正常工作。而采用數(shù)字 溫度傳感器 DS18B20，因其內(nèi)部集成了A/D 轉(zhuǎn)換器，使得電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，而且減少了溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換時(shí)的精度損失，使得測(cè)量溫度更加精確。由于 DS18B20 芯片的小型化，更加可以通過(guò)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(shí)用性。 此外，采用單片機(jī)作為核心器件，它有體積小、重量輕、價(jià)格 便宜、功耗低，控制功能強(qiáng)及運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、軍事及家用電器等各個(gè)領(lǐng)域均得到廣泛的應(yīng)用。故基于單片機(jī)和組態(tài)王的溫度控制系統(tǒng)，相對(duì)于傳統(tǒng)單片機(jī)溫控裝置，勢(shì)必將減輕設(shè)備操作人員的工作量和工作環(huán)境，使得企業(yè)生產(chǎn)管理更加規(guī)范化，提高了效率。系統(tǒng)能有良好的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和可靠性。 ， 溫度調(diào)節(jié)均勻度177。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 4 2 方案論證與主要器件選型 方案比較與選擇 溫度測(cè)量方案選擇 溫度測(cè)量的方案有很多種，可以采用傳統(tǒng)的分立式傳感器、模擬集成傳感器以及 新興的智能型溫度傳感器。 方案一 : 采用模擬分立元件，如電容、電感或晶體管等非線性元件，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測(cè)量及顯示，該方案設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單易懂，操作簡(jiǎn)單，且價(jià)格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成數(shù)字化，而且測(cè)量誤差大。該方案技術(shù)已經(jīng)成熟， A/D轉(zhuǎn)換電路較繁瑣，而且使用 AD590 進(jìn)行溫度檢測(cè)必須對(duì)冷端進(jìn)行補(bǔ)償，以減小誤差。 DS18B20 利用單總線特點(diǎn)可以方便的實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測(cè)量，輕松的組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。其系統(tǒng)框圖如下： 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 5 P C 機(jī)M A X 2 3 2 電平 轉(zhuǎn) 換 芯 片A T 8 9 S 5 1單 片 機(jī)鍵 盤 電 路 L E D 顯 示報(bào) 警 電 路控 制 電 路電 源 電 路D S 1 8 B 2 0 溫度 傳 感 器 圖 22 方案三系統(tǒng)框圖 基于數(shù)字式溫度計(jì) DS18B20的溫度測(cè)量?jī)x的軟硬件開發(fā)過(guò)程是將 DS18B20的溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了與單片機(jī)的直接接口，從而省去了信號(hào)調(diào)理電路。相對(duì)于方案一，在功能、性能、可操作性等方面都有較大的提升。所以我們采用方案三完成設(shè)計(jì)。 （ 2）固態(tài)繼電器 固態(tài)繼電器與電磁繼電器相比，是一種沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，不含運(yùn)動(dòng)零件繼電器，但它具有與機(jī)電繼電器本質(zhì)上相同的功能。 由于固體繼電器具有高穩(wěn)定、高 可靠、無(wú)觸點(diǎn)及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在電動(dòng)機(jī)調(diào)速、正反轉(zhuǎn)控制、調(diào)光、家用電器、烘箱烘道加溫控溫、送變電電網(wǎng)的建設(shè)與改造、電力拖動(dòng)、印染、塑科加工、煤礦、鋼鐵、化工和軍用等方面。 SSR河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 6 以觸發(fā)方式，可分為零壓型（ Z）和調(diào)相型（ P）兩種。 Z 型 SSR 內(nèi)部包括過(guò)零檢測(cè)電路，在施加輸入信號(hào)時(shí)，只有當(dāng)負(fù)載電源電壓達(dá)到過(guò)零區(qū)時(shí)， SSR 才能導(dǎo)通，并有可能造成電源半個(gè)周期的最大延遲。 （ 3）雙向可控硅 雙向可控硅串在交流電源加熱電路中，在給定周期里改變可控硅開關(guān)的接通時(shí)間，就能改變加熱功率而實(shí)現(xiàn)溫度控制。 本設(shè)計(jì)采用固態(tài)繼電器，具體采用 PID 控制算法，并由該算法計(jì)算出相應(yīng)的控制輸出量，控 制固態(tài)繼電器在控制周期內(nèi)的通斷占空比的目的，進(jìn)而控制加熱器工作，最終達(dá)到對(duì)溫度進(jìn)行控制的目的。 主要器件的選擇 傳感器 根據(jù)上節(jié)結(jié)論，本設(shè)計(jì)采用溫度傳感器 DS18B20， DS18B20 是 DALLAS 公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干擾能力、強(qiáng)易配處理器等優(yōu)點(diǎn)，溫度測(cè)量范圍－ 55～＋ 125℃ ，可直接 將 溫度 值 轉(zhuǎn) 換 成數(shù)字 量。 DS18B20 的內(nèi)部使用了主板（ ONBOARD）專利技術(shù)，封裝為 TO92的 DS18B20 將全部的傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)，如圖 23。 圖 23 DS18B20引腳 引腳說(shuō)明： 1 號(hào)引腳接地， 2號(hào)引腳接數(shù)據(jù)端， 3號(hào)引腳接電源。 存 儲(chǔ) 器 與 控 制 器溫 度 靈 敏 元 件低 溫 觸 發(fā) 器 T L高 溫 觸 發(fā) 器 T H配 置 寄 存 器高 速 緩 存存 儲(chǔ) 器8 位 C R C 生 成 器6 4位ROM和單線接口電源檢測(cè) 圖 24 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 測(cè)量溫度時(shí)使用特有的溫度測(cè)量技術(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)， DS18B20 對(duì) fO計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)門開通時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。測(cè)量結(jié)果存入溫度寄存器中。計(jì)數(shù)器被預(yù)置到對(duì)應(yīng)于55℃的一個(gè)值。同時(shí)，計(jì)數(shù)器被復(fù)位到一個(gè)值，這個(gè)值由斜坡式累加器電路確定， 斜坡式累加器電路用來(lái)補(bǔ)償感溫振蕩器的拋物線特性。斜坡式累加器用來(lái)補(bǔ)償感溫振蕩器的非線性，以期在測(cè)溫時(shí)獲得比較高的分辨力。因此，要想獲得所需的分辨力，必須同時(shí)知道在給定溫度下計(jì)數(shù)器得值和每一度的計(jì)數(shù)值。 AT89系列的引腳排列、定義與 CS51 完全一致，可以直接替換。 AT89S52 是 AT89C52的升級(jí)產(chǎn)品，性能上較 AT89C52有很大提升，在價(jià)格上卻與之差不多，甚至更低?；谛詢r(jià)比、低功耗及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上考慮，選用了 AT89S52 來(lái) 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。常用的顯示有 CTR、 LED、 LCD 等。但由于體積大、價(jià)格貴，所以只適用于大型系統(tǒng)。他們都具有體積小，功耗低，響應(yīng)速度快，易于匹配，可靠性高和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。 LED 數(shù)碼管顯示清晰、成本低廉、配置靈活，與單片機(jī)接口簡(jiǎn)單易行。 控制模塊 本設(shè)計(jì)采用固態(tài)繼電器，其典型應(yīng)用電路如下： （ 1）輸入端的驅(qū)動(dòng) ①觸點(diǎn)控制。 +－~~S S RR mV cR pC pR mR lA C 圖 26 觸點(diǎn)控制 ② TTL 驅(qū)動(dòng) SSR，如圖 27。 +－~~S S RR 2V cR pC pR mR lA CC M O SR 1R 3N P N 圖 28 CMOS驅(qū)動(dòng) SSR （ 2）輸出端驅(qū)動(dòng)負(fù)載 ① DCSSR 驅(qū)動(dòng)大功率負(fù)載，見圖 29。 R 2R lR 1+ +－ －D CS S RR 2R 1+ +－ －D CS S R （ a） (b) 圖 29 DCSSR驅(qū)動(dòng)大功率負(fù)載 V 1 +R 2R 1+ +－ －D CS S RR lV 2 + 圖 210 DCSSR驅(qū)動(dòng)大功率高壓負(fù)載 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 11 本設(shè)計(jì)中 固態(tài) 繼電器是由單片機(jī)控制的 ， 所以它的供電電壓選擇 5V 直流電。所以繼電器的要選用交流型（ ACSSR），耐壓在 220V 以上，電流為 以上。 由于固態(tài)繼電器的輸出采用的光電耦合器對(duì)信號(hào)進(jìn)行了隔離，本設(shè)計(jì)無(wú)需再接光電耦合器了。 +－~~S S RB S Y+ 5 V~ 2 2 0 V加 熱 器F U8 9 S 5 2P 1 . 6 圖 211 固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電路 通信模塊 要使上位機(jī)能對(duì) 系統(tǒng) 進(jìn)行參數(shù)設(shè)置， 實(shí)時(shí) 顯示 溫度曲線及相關(guān)參數(shù) 等操作，就離不開和上位機(jī)的通信。本設(shè)計(jì)采用RS232C 串行通信方式?，F(xiàn)在，計(jì)算機(jī)上的串行通信端口（ RS232C）是標(biāo)準(zhǔn)配置端口，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)上一般都有 1～ 2個(gè)標(biāo)準(zhǔn) RS232C 串口，即通道 COM1 和 COM2。在不使用調(diào)制解調(diào)器（ MODEM）時(shí)， RS232C 能夠可靠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笸ㄐ啪嚯x為 15米。 RS232C規(guī)定的邏輯電平與一般微處理器、單片機(jī)的邏輯電平是不同的，邏輯 1(MARK) ＝ 3V～ 15V，邏輯 0(SPACE) ＝ ＋ 3～＋ 15V。實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的方法可以使用分立元件，也可以使用專用 RS232C 電平轉(zhuǎn)換芯片。 本系統(tǒng)通過(guò) MAX232E 芯片實(shí)現(xiàn) TTL 電平與 RS232 電平的轉(zhuǎn)換。它符合所有的 RS232C 技術(shù)規(guī)范，只要單一 +5V 電源供電；河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 12 片載電荷泵，具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生 +10V 和 10V 電壓 V+、 V ；低功耗，典型供電電流 5mA；內(nèi)部集成 2 個(gè) RS232C 驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)部集成 2 個(gè) RS232C 接收器。 MAX232 的引腳排列 如圖 212。在組態(tài)概念出現(xiàn)之前，要實(shí)現(xiàn)某一任務(wù)，都是通過(guò)編寫程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。組態(tài)軟件出現(xiàn)后，給人們帶來(lái)了福音。 組態(tài)王 是北京亞控科技出品的優(yōu)秀組態(tài)軟件，使用方便，功能強(qiáng)大。組態(tài)王 的工程手冊(cè)內(nèi)容也詳細(xì)豐富，組態(tài)王中每個(gè)控件都有詳細(xì)的使用說(shuō)明及應(yīng)用實(shí)例演示分析，對(duì)初學(xué)者有很大幫助。在本設(shè)計(jì)中，上位機(jī)利用組態(tài)王 ，通過(guò) 建立 好的 用戶圖形界面 來(lái)實(shí)現(xiàn) 對(duì)下位機(jī) 溫度控制系統(tǒng)的 實(shí)時(shí)監(jiān)控。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 13 P C 機(jī)（ 安 裝 有 組 態(tài) 王 ）以 A T 8 9 S 5 2 為 核 心 的控 制 電 路 板D S 1 8 B 2 0 溫度 采 集 模 塊固 態(tài) 繼 電 器 溫度 控 制 模 塊現(xiàn) 場(chǎng) 設(shè) 備（ 電 烤 箱 ） 圖 213 系統(tǒng)總體框圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 14 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件電路框圖 系統(tǒng)硬件電路框圖如圖 31 所示： A T 8 9 S 5 2單 片 機(jī)最 小系 統(tǒng)串口通訊電路P C機(jī)三 路 溫度 測(cè) 量電 烤 箱溫 度 控制 電 路L E D 顯 示鍵 盤 電 路