基于单片机的温度控制系统设计制作-开题报告

XX大学毕业设计（论文）开题报告题目 基于单片机的温度控制 系统设计制作专 业 名 称 测控技术与仪器班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 填 表 日 期 20xx 年 3 月 9 日1、 选题的依据及意义：在日常生活中温度在我们身边无时不在，温度的控制和应用在各个领域都有重要的作用。很多行业中都有大量的用电加热设备，和温度控制设备，如用于报警的温度自动报警系统，热处理的加热炉，用于融化金属的坩锅电阻炉及各种不同用途的温度箱等，这些都采用单片机技术，利用单片机语言程序对它们进行控制。而单片机技术具有控制和操作使用方便、结构简单便于修改和维护、灵活性大且具有一定的智能性等特点，可以精确的控 制技术标准，提高了温控指标，也大大的提高了产品的质量和性能。温度控制在日常生活应用相当广泛，比如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视，其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。针对此问题，本系统设计的目的是实现一种可连续高精度调温的温度监测和控制系统，实现对温度的实时检测，具有提醒和控制的功能，本设计的内容是温度测试控制系统，控制对象是温度。它的特点在于应用广泛，功能强大，小巧美观，便于携带，是一款既实用又廉价的控制系统。在人们的工业制造、生物培养等领域，温度作为当前环境的重要因素之一，被人们广泛的作为参考因素来使用，从而保证各项工作的正常运行，如火灾报警、温室或粮仓中温度的实时监测、冷库温度的调节等，因此以温度参数为基础而设计的温度控制系统被广泛开发和使用。使用传统意义上的温度计采集温度信息，不但采集精度低，实时性差，而且操作人员的劳动强度高，不利于广泛的推广。此外由于环境因素导致的数据难以采集的问题，特别是在加工工厂，火灾等的现场，工作人员不能长时间停留在现场观察和采集温度，就需要实现能够将数据采集并将其传送到一个地方集中进行处理，以节省人力，提高效率，保证工作人员的安全，但这样就会出现数据传输的问题，由于空间大、需要传输数据多，使用传统方法容易造成资源浪费而且可操作性差，精度不高，这都在不同程度上限制了工作的进行和展开。因此，高精度，低成本，实时性好的温度控制系统对于人们的效益来说，是值得我们去研发。随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的应用，智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。温度测试控制系统，控制对象是温度。温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛，比如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视，其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。针对此问题，系统设计的目的是实现一种可连续高精度调温的温度控制系统，它应用广泛，功能强大，小巧美观，便于携带，是一款既实用又廉价的控制系统。特别是近年来，温度控制系统已应用到人们生活的各个方面，温度控制的开发与人们工作生活息息相关。市场决定技术，技术引导产品的开发，在这样的环境下，与温度控制相关的电子类产品的开发成为当今的研究热点。随着单片机技术的日益成熟，应用范围的逐渐扩大，以单片机为核心的控制系统，逐渐应用到生活中的很多方面，这不仅克服了温度控制系统中存在的严重时延，节省了人力，提高了采样频率，而且在很大程度上提高了控制效果和控制精度，从而使得安全隐患大大减低。 在我们日常生活中的方方面面都深受环境因素的影响，而温度又是各个因素中最为重要的一个，因此做好温度的监测和控制对于人们日常生活，以及工农业生产有着至关重要的意义，温度是重要的环境条件，也是最基本的环境条件，它与人们的生产生活息息相关，温度的状况决定了许多工农业产品的质量与产量。因此，对于温度的检测十分必要。可以说温度控制小到人民的日常生活、大到钢铁等大型工业生产工程的应用都具有着广阔的应用前景。准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件，所以对温度进行控制是非常必要且有意义的。做好环境温度状况的实时检测与显示，可以给后续针对环境温度状况的调节提供依据，进而更好地服务于工农业生产和人们日常生活。2、 国内外研究概况及发展趋势：科学技术的发展日新月异，科技的进步在推动社会进步的同时也带动了测量技术的发展。随着宇航、核能、冶金、材料、低温、微电子学和生物医学等方面的发展，对温度测量、控制的精度和范围提出了越来越高的要求，尤其是对温度的测量非但要准确，而且需读取数值更直观更方便，从而促进了温度测量和控制技术的迅速发展。在温度测量中，我们常采用温度传感器来检测温度，信号处理由单片机进行分析，并由数码管显示检测到的环境温度信号，不仅具有系统控制简单方便、可扩展性强、灵活性大等优点，而且，还具有很高的温度的检测精度与准确度。温度控制器发展初期是机械式温度控制器，这类温度控制器采用双金属片或充气膜盒感测室内温度，使用波段开关直接调整温度，与智能化温度控制器来对比，缺点十分明显：1) 机械式温度控制器外观陈旧呆板。2) 机械式温度控制器控温精度差。3) 容易打火（直接切换强电）。4) 极易在一个极小温差范围内频繁调节系统工作。5) 功能比较单一。随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的应用，智能化温度控制器已经全面取代机械式温度控制器，目前智能化系统主要以单片机芯片为核心 。 以往的温度检测系统所使用的单片机，管脚少，功能少，功耗大，虽经数十年发展，仍不能满足现在的市场需要。自1996年TI公司推出的16位、具有超低功耗和丰富的片上外围模块的MSP430系列单片机以来，该系列单片机就以其低功耗特性被广泛应用于医疗、电子仪表以及消费类电子等产品中。MSP430系列单片机支持采用汇编语言和C语言进行开发，该系列单片机集成了较丰富的片内外设备，方便高效的开发环境，适应工业级运行环境。与目前广泛使用的89C51单片机相比，具有指令少，超低功耗，运算速度快等优点，因而在许多领域特别是要求超低功耗的领域得到了广泛应用。进入21世纪后，温度检测系统已逐步走向复合型和智能化，温度作为其中的重要参数，其测量的准确性对提高正确性是很重要的，研究和设计高性能的温度控制系统具有非常重要的意义，而其中最重要的器件就是温度传感器，它的性能也直接影响到了采集的温度数据的精度和时效性。随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步。温度测量系统主要由两部分组成，一部分是传感器，它将温度信号转换为电信号。另一部分是电子装置，它主要完成对信号的接收、处理、对测点进行控制、温度显示等功能。对应于不同的温度段及测量精度要求，测温装置也不尽相同，从传感器方面看，己出现有各种金属材料、非金属材料、半导体材料制成的传感器，也有红外传感器。仪器本身也趋向小型化，多采用集成度较高的芯片或元件组成电路。对于测点较多，并具有报警、巡测、控制等多功能测温装置，一般采用单片机电路。目前的温度检测技术原理很多，大致包括以下几种:1) 物体热胀冷缩原理2) 热电效应3) 热阻效应4) 利热辐射原理传统的温度传感器(如,热电偶、铂电阻、双金属开关等)虽然有着各自不可替代的优点,但由于自身因自热效应影响了测量精度,从而制约了它们在微型化高端电子产品中的应用。与之相比较,半导体温度传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低、时间常数小、自热温升小、抗干扰能力强等诸多优点,无论是电压、电流还是频率输出,在相当大的温度范围内( - 55150 )都与温度成线性关系,适合在集成电路系统中应用。目前,半导体温度传感器工作的温度范围还限于- 50150 。未来主要的研究方向将是如何扩大它的温度适用范围,以及智能化、网络化等方面。近年来，在温度检测技术领域中，多种新的检测原理与技术的开发应用己取得了具有实用性的重大进展。新一代温度检测元件正在不断出现和完善化，主要包括以下几种。(1)晶体管温度检测元件(2)集成电路温度检测元件(3)核磁共振温度检测器(4)热噪声温度检测器(5)石英晶体温度检测器(6)光纤温度检测器(7)激光温度检测器。目前国内外的温度控制方式越来越趋向于智能化，温度测量首先是由温度传感器来实现的。测温仪器由温度传感器和信号处理两部分组成。温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电的或其它形式的信号,传递给信号处理电路进行信号处理转换成温度值显示出来。温度传感器随着温度变化而引起变化的物理参数有: 膨胀、电阻、电容、热电动势,磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。随着生产的发展,新型温度传感器还会不断出现,目前,国内外通用的温度传感器及测温仪大致有以下几种: 热膨胀式温度计、电阻温度计、热电偶、辐射式测温仪表、石英温度传感器测温仪。现如今，智能温度传感器正迅速朝着高精度、高可靠性及安全性等高科技的方向发展，提高温度传感器测温精度和分辨力，增加传感器测试功能，提高总线技术的标准化与规范化，增强可靠性及安全性设计，虚拟温度传感器和网络温度控制器的设计成为当前要解决的主要问题。3、 研究内容及实验方案：3.1 研究内容：研究设计基于单片机的温度控制系统，该系统主要由温度测量和数据采集两部分电路组成，实现的方法有很多种，本论文采用热电偶温差电路测量温度，温度检测部分可以使用低温热偶，热电偶由两个焊接在一起的异金属导线所组成，热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。通过将参考结点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。数据采集部分则使用带有 A/D 通道的单片机，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行 A/D 转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来。热电偶的优点是工作温度范围非常宽，且体积小，但是它们也存在着输出电压小，容易遭受来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺点，并且这种设计需要用到 A/D 转换电路，感温电路比较麻烦。 3.2 实验方案3.2.1 总体设计方案 利用温度传感器将温度测出，通过某种电信号传给外部电路产生一种变化，然后由外部电路控制装置的开启。测温电路的设计，可以使用热敏电阻之类的传感器件利用其感温效应，温度的变化使得电阻发生了变化根据欧姆定律，电阻的变化会带来电流或这电压的变化。再将随被测温度变化的电压或电流采集过来，然后进行模拟信号换成数字信号（A/D）转换，将数字信号送入单片机，用单片机进行数据的处理，将温度显示在电路上，这样就可以将被测温度显示出来。最后还有外围的控制电路，采取一定的措施来控制产生温度的电路，如加温、降温、保持不动、或者报警。这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。设计流程图如图下：传感器温度检测电路 A/D转换电路 单片机处理电路 显示和控制温度电路图3.1 基本设计流程图 本方案采用单片机作为控制核心，使用温度传感器进行温度采集，通过将采集到的温度与标准设定温度之间的差值进行温度控制，从而使得温度维持在标准设定温度。本方案设计成本低，具有具有较高的可靠性，对于系统动态性能与稳定要求不是很高的场合非常的合适。 3.2.2 传感器温度检测电路传感器说明随着数字电子技术的不断发展，传统工业所使用的一些模拟信号设备正在不断升级传统的温度检测系统多数采用热敏电阻作为传感器，这种方式需要设计专门的模拟接口电路，并且要将采集的温度模拟信号转换为数字信号，单片机才能处理。相对而言成本高、设计复杂、精度低。目前，很多温度检测系统已采用单总线数字式温度传感器进行处理，由于采用了数字式设备，接口电路较简洁，而且可以直接得到温度的数字量给单片机处理，在温度采集电路中，对传感器的基本要求主要有：反应灵敏、精确度高、工作可靠、抗干扰能力强、工作环境适应性强、能量转换效率要高等。 为保证测量的准确性和稳定性，温度传感器都是非密封性的，应尽量避免在酸性、碱性及含有机溶剂的环境中使用，也应避免在粉尘较大的环境中使用。为正确反映被测空间的湿度，还应避免将传感器安放在离物体太近或空气不流通的地方。 有的温度传感器对供电电源要求比较高，否则将影响测量精度甚至出现传感器之间相互干扰，无法工作等现象，使用时应提供合适的、符合要求的供电电源与适配的电路元件。3.2.3 显示和控制温度电路温度显示电路（LED数码显示管）LED七段数码显示器由8个发光二极管组成显示字段，根据内部发光二极管的连接形式不同，LED有共阴极和共阳极两种。 共阴极LED数码显示器内部所有发光二极管阴极连接在一起，形成公共阴极，一般接地（或低电平）。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮。共阳极LED数码显示器内部所有发光二极管阳极连接在一起，形成公共阳极，一般接电源正极（或高电平）。当某个发光二极管的阴极接低电平时，该发光二极管点亮。温度显示电路采用三位八段数码管显示。可显示测量温度的数值和小数点的显示，随对向摄氏度这样的图形符号无法显示。但使用起来相对方便，程序设计和硬件连接都很简洁，且价格便宜。3.3具体步骤：3.3.1 查阅相关文献，了解国内外研究现状；3.3.2 电路仿真l 在仿真软件中模拟实验参数，运行仿真软件，分析仿真结果。l 对已设计电路进行模拟仿真，确保电路正常运行，检查电路，优化电路。l 运行仿真，得出仿真结果并进行分析记录。l 根据仿真结果适当调整试验参数（温度），得出多组仿真数据。5)将仿真结果进行对比分析，得到最优参数。3.3.3 制作电路1) 根据已有材料，对电路进行组装，测试运行。2) 对电路进行优化改良。4、 目标、主要特色及工作进度4.1研究目标：1) 实现被测温度和控制温度均可数字显示； 2) 实现对温度的自动采集； 3) 根据采集到的温度进行加热控制，以实现反应温度恒定； 4) 采集到的温度在数码管上进行显示。4.2主要特色：1) 单片机温度控制系统可以数字显示被测温度和控制温度；2) 通过传感器收集数据，达到温度测量的效果；3) 通过调节温度控制器达到对温度的控制；4) 通过热电偶的信号放大电路等处理，达到对输入源的处理并放大信号达到所需值；5) 单片机温度控制系统操作灵活方便，可远距离调节温度，温度误差较低以及可控性好等特性，具有推广的实用价值。4.3工作进度：20xx.03.09