基于單片機(jī)的多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、- 1 -1. 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）綜述(題目背景、研究意義及國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況)1.1本課題的研究目的和意義隨著控制理論和電子技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制器的適應(yīng)能力增強(qiáng)和高度智能化正逐步成為現(xiàn)實(shí)。其中以單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制器因其體積小、成本低、功能強(qiáng)、簡(jiǎn)便易行而得到廣泛應(yīng)用。pid溫度控制器作為一種重要的控制設(shè)備，在化工、食品等諸多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。本文主要討論在過(guò)程控制中得到廣泛應(yīng)用的數(shù)字pid控制在單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。本文詳細(xì)闡述了基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的硬件組成、軟件設(shè)計(jì)及相關(guān)的接口電路設(shè)計(jì)。并且充分考慮了系統(tǒng)的可靠性，采取了相應(yīng)的措施予以保證。針對(duì)控制對(duì)象的特點(diǎn)，

2、在系統(tǒng)辨識(shí)的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)的控制算法進(jìn)行了仿真研究，并在單片機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了控制算法。最后針對(duì)溫控系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析表明本文所述的基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的合理性和有效性。在大部分實(shí)際的環(huán)境中，增溫要比降溫方便。因此，對(duì)溫度的控制精度要求比較高的情況下，不允許出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象的，即不允許實(shí)際溫度超過(guò)控制的目標(biāo)溫度。特別是隔熱效果很好的環(huán)境，溫度一旦出現(xiàn)過(guò)沖，將難以很快把溫度降下來(lái)。這是因?yàn)楹芏鄳?yīng)用中只有加熱環(huán)節(jié)，而沒(méi)有冷卻的裝置。同樣道理，對(duì)于只有冷卻沒(méi)有加熱環(huán)節(jié)的應(yīng)用中，實(shí)際溫度低于控制的目標(biāo)溫度，對(duì)控制效果的影響也是很大的。1.2國(guó)內(nèi)外研究情況及其發(fā)展近年來(lái)，溫度的檢測(cè)在理

3、論上發(fā)展比較成熟，但在實(shí)際測(cè)量和控制中，如何保證快速實(shí)時(shí)地對(duì)溫度進(jìn)行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并能對(duì)所測(cè)溫度場(chǎng)進(jìn)行較精確的控制，仍然是目前需要解決的問(wèn)題。溫度測(cè)控技術(shù)包括溫度測(cè)量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩個(gè)方面。在溫度的測(cè)量技術(shù)中，接觸式測(cè)溫發(fā)展較早，這種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是:簡(jiǎn)單、可靠、低廉、測(cè)量精度較高，一般能夠測(cè)得真實(shí)溫度;但由于檢測(cè)元件熱慣性的影響，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)熱容量小的物體難以實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量，并且該方法不適宜于對(duì)腐蝕性介質(zhì)測(cè)溫，不能用于超高溫測(cè)量，難于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度。另外的非接觸式測(cè)溫方法是通過(guò)對(duì)輻射能量的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的方法，其優(yōu)點(diǎn)是:不破壞被測(cè)溫場(chǎng)，可以測(cè)量熱容量小的物體，適于

4、測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度，還可以測(cè)量區(qū)域的溫度分布，響應(yīng)速度較快。但也存在測(cè)量誤差較大，儀表指示值一般僅代表物體表觀溫度，測(cè)溫裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。因此，在實(shí)際的溫度測(cè)量中，要根據(jù)具體的測(cè)量對(duì)象選擇合適的測(cè)量方法，在滿(mǎn)足測(cè)量精度要求的前提下盡量減少投入。溫度控制技術(shù)按照控制目標(biāo)的不同可分為兩類(lèi):動(dòng)態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制。動(dòng)態(tài)溫度跟蹤實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)是使被控對(duì)象的溫度值按預(yù)先設(shè)定好的曲線進(jìn)行變化。在工業(yè)生產(chǎn)中很多場(chǎng)合需要實(shí)現(xiàn)這一控制目標(biāo)，如在發(fā)酵過(guò)程控制，化工生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)溫度控制，冶金工廠中燃燒爐中的溫度控制等;恒值溫度控制的目的是使被控對(duì)象的溫度恒定在某一給定數(shù)值上，且要求其波動(dòng)幅度(即

5、穩(wěn)態(tài)誤差)不能超過(guò)某允許值。本文所討論的基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫控箱的恒值溫度控制要求，故以下僅對(duì)恒值溫度控制進(jìn)行討論。2本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施2.1研究?jī)?nèi)容1、溫度傳感去的選擇及控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及調(diào)試：（1）系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)，單片機(jī)的選用。（2）輸出通道設(shè)計(jì)和輸出通道設(shè)計(jì)。（3）保護(hù)電路、串行通信接口電路。電源電路及硬件抗干擾措施。3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4、軟硬件聯(lián)調(diào)2.2 研究方案2.2.1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案51單片機(jī)ds18b20繼電器加熱制冷檢測(cè)顯 示報(bào)警系統(tǒng)圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)以at89c51單片機(jī)為核心，溫度傳感器隨時(shí)將溫

6、度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)經(jīng)單片機(jī)識(shí)別，單片機(jī)根據(jù)傳入的信號(hào)控制控制電路，控制加熱或制冷系統(tǒng)，同時(shí)在lcd上顯示出來(lái)，形成對(duì)溫度的檢測(cè)和控制。該系統(tǒng)為一個(gè)閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的測(cè)溫方法是將模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離采樣進(jìn)行ad轉(zhuǎn)換，而為了獲得較高的測(cè)溫精度，就必須采用措施解決由長(zhǎng)線傳輸，多點(diǎn)測(cè)量切換及放大電路零點(diǎn)漂移等造成的誤差補(bǔ)償問(wèn)題。采用數(shù)字溫度芯片ds18b20測(cè)量溫度，輸出信號(hào)全數(shù)字化。便于單片機(jī)處理及控制，省去傳統(tǒng)的測(cè)溫方法的很多外圍電路。且該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測(cè)溫元件，此元件線形較好。在0100攝氏度時(shí)，最大線形偏差小于1攝氏度。ds18b20的最大特點(diǎn)之一采用了

7、單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計(jì)ds1820和 lpc2124構(gòu)成的溫度測(cè)量裝置,它直接輸出溫度的數(shù)字信號(hào),可直接與計(jì)算機(jī)連接。這樣,測(cè)溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就比較簡(jiǎn)單,體積也不大,且由于 lpc2124可以帶多個(gè)dsb1820,因此可以非常容易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量.輕松的組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。采用溫度芯片ds18b20測(cè)量溫度，可以體現(xiàn)系統(tǒng)芯片化這個(gè)趨勢(shì)。部分功能電路的集成，使總體電路更簡(jiǎn)潔，搭建電路和焊接電路時(shí)更快。而且，集成塊的使用，有效地避免外界的干擾，提高測(cè)量電路的精確度。所以集成芯片的使用將成為電路發(fā)展的一種趨勢(shì)。本方案應(yīng)用這一溫度芯片，也是順應(yīng)這一趨勢(shì)。2.2.2 數(shù)字溫度傳感器的選擇：ds18b20（1

8、）適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5v，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電（2）獨(dú)特的單線接口方式，ds18b20 在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與ds18b20 的雙向通訊（3）ds18b20 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)ds18b20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫（4）ds18b20 在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)（5）溫范圍55125，在-10+85時(shí)精度為±0.5（6）可編程的分辨率為912 位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫（7）在9 位分辨率時(shí)

9、最多在93.75ms 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12 位分辨率時(shí)最多在750ms 內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快（8）測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以"一線總線"串行傳送給cpu，同時(shí)可傳送crc 校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力（9）負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。工作原理3本課題研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)，前期已開(kāi)展工作本課題研究重點(diǎn)在于掌握常用溫度監(jiān)測(cè)方法及匯編語(yǔ)言，難點(diǎn)在于程序流程圖及匯編程序的編寫(xiě)。前期已掌握了單片機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)及所用芯片的特性。4 本課題的進(jìn)度安排1、 第一至二周：查閱相關(guān)論文，收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和資料，了解課題情況2、 第三周：選擇方案

10、及其論證，開(kāi)題報(bào)告3、 第四至八周：軟件設(shè)計(jì)及其調(diào)試4、 第九至十三周：硬件設(shè)計(jì)及其調(diào)試5、 第十四至十五周：編寫(xiě)程序并進(jìn)行說(shuō)明6、 第十六至十八周：完成畢業(yè)論文 5 參考文獻(xiàn)1陳國(guó)將.基于模糊pid控制的玻璃纖維機(jī)械溫度控制系統(tǒng)研究d.西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，20062蘇衛(wèi)東、任思聰?shù)?溫度箱數(shù)學(xué)模型的建立及其自適應(yīng)pid控制j.中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，1995年第3卷第4期3徐建林.熱處理電阻爐爐溫控制系統(tǒng)的分析及仿真j.金屬熱處理，2002年第27卷第11期4ljung, lennard. theory and practice of recursive identification m

11、.the mit press,19835齊志才，趙繼印.mcs-51系列單片機(jī)原理及接口技術(shù)m.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，20056賴(lài)壽宏.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)m.北京機(jī)械工業(yè)出版社7張文娜.電控空氣懸架pid控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究d.江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文8王幸之，王雷，翟成等.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)m.北京航空航天大學(xué)出版社9劉春恰.數(shù)字溫度傳感器ds18b20測(cè)溫的應(yīng)用.電器時(shí)代，2010，第10期：116-11710趙欣. 蔬菜大棚智能環(huán)境參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)的研究.唐山師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，vol.32(no.5):41-4211鹿玉紅,戴彥,江培蕾.基于 proteus 的 ds18b20 數(shù)字溫度計(jì)的仿真實(shí)現(xiàn).福建電腦，2010，vol.112l dubois ,v.c.t.v.sozanski jp, m.chive . temperature control by microwave radiometry with narrow band width j.eurphys.j.app.lphys.2000，vol. 9: 63 - 68.13semiconductor. ds18b20 programmable r