【毕业学位论文】（Word原稿）温度监控系统的设计-控制理论与控制工程

温度监控系统的设计 第 1 页 共 42 页 引 言 随着 “ 信息时代 ” 的到来，作为获取信息的手段 传感器技术得到了 显著 的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。 由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制，但是它们都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。 传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能 。因此，不仅必须掌握各 类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解，才能将传感器和信息通信和信息处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了改革生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。 温度传感器是其中重要的一类传感器。 其发 展 速度之快，以及其应用之广，并且还有很大潜力。 为了提高 对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。 本文利用单片机结合 传感器 技术而开发设计了这一 温度监控系统 。 文中传感器理论单片机实际应用有机结合，详细地讲述了利用热敏电阻作为热敏传感器探测环境温度的过程，以及实现热电转换的原理过程。 本设计应用性比较强，设计系统可以作为生物培养液温度监控系统，如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、实验室温度监控系统等等。课题主要任务是完成环境温度检测，利用单片机实现温度调节并通过计算机实施温度监控。设计后的系统具有 操作方便，控制灵活等优点。 本设计系统包括温度传感器， A/D 转换模块 ，输出控制模块，数据传输模块，温度显示模块和温度调节驱动电路六个部分。文中对 每个部分功能、实现过程作了详细介绍。整个系统的核心是进行温度监控，完成了课题所有要求。 温度监控系统的设计 第 2 页 共 42 页 1 设计要求 制要求 （ 1）生物繁殖培养液的温度要保证在适于细胞繁殖的温度内，这主要在控制程序设计中考虑。温度控制范围为 15 25，升温、降温阶段的温度控制精度要求为 温阶段温度控制精度为 。 图 （ 2）微机自动调节 正常情况下，系统投入自动。 （ 3）模拟手动操作 当系统发生异常，投入手动操作。 （ 4）微机监控功能 显示当前被控量的设定值、实际值，控制量的输出。 控对象的数学模型 生物繁殖的培养液主要用于生物的繁殖研究，而温度是影响生物繁殖的重要因素。本系统要求长时间监视培养液的温度，并对当前的温度进行控制。本控制对象为生物繁殖用培养液，采用继电器进行控制。 2 系统的硬件配置 片机和系统总线 单片机 ： 美国 司生产的带 A/D 转换的 8 位单片机）。 显示系统 ： 商用计算机。 用户内存 ： 256M 系统总线 ： 口（又称 有 25 条线，分为 5 个功能组，包括 4条数据线， 11条控制线， 3条定时线， 7条备用线和未定义线。 操作系统 ： 000。 温度监控系统的设计 第 3 页 共 42 页 件介绍 计算机工作的外围电路设备 （ 1）温度传感器 温度传感器采用补偿型 补偿型 ，对于阻值误差范围在 5的产品，其一致性、互换性良好。 适合 于一般精度的温度测量和计量设备 。 外型结构和尺寸： 图 度传感器结构尺寸图 主要技术参数： 时间常数 30S 测量功率 使用温度范围 +125 耗散系数 6 额定功率 降功耗曲线： 图 耗 曲线图 （ 2）核心处理单元 温度监控系统的设计 第 4 页 共 42 页 片机主要性能： 具有 高性能 有 35条单字指令。 除程序指令为两个周期外，其余的均为单周期指令。 运行速度： 钟输入。 8K*14个 368*8个数据存储器（ 节。 引脚输出和 4B/76/77 兼容。 中断能力（达到 14 个中断源）。 8级深度的硬件堆栈。 直接，间接和相对寻址方式。 上电复位（ 上电定时器 (震动启动定时器。 监视定时器（ 它带有片内可靠运行的 可编程的代码保护。 低 功耗睡眠方式。 可选择的振荡器。 低功耗，高速 艺。 全静态设计。 在线串行编程 ( 单独 5力。 处理机读 /写访问程序存储器。 运行电压范围 5v。 高输入 /输出电流 25 商用，工业用温度范围。 低功耗： 在 5v,4典型值小于 2 在 3v,32典型值小于 20 典型的静态电流值小于 1 外围特征： ：带有预分频的 8位定时器 /计数器。 ：带有预分频的 16位定时器 /计数器，在使用外部晶体时钟时在 ：带有 8位周期寄存器，预分频和后分频器的 8位定时器 /计数器 温度监控系统的设计 第 5 页 共 42 页 2个捕捉器，比较器和 其中 ：捕捉器是 16位的，最大分辨率为 比较器是 16位的，最大分辨率为 200 0位。 10位多通道模 /数转换器。 带有 模式）和 /从）模式的 带有 9位地址探测的通用同步异步接收 /发送（ 带有 40/44引脚） 8位字宽的并行 从端口。 带有降压的复位检测电路。 （ 3） 计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。 在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同 的设备可以方便地连接起来进行通讯。 口（又称 目前最常用的一种串行通讯接口。它是在 1970 年由美国电子工业协会（ 合贝尔系统、 调制解调器厂家及计算机终端生 产厂家共同制定的用于串行通讯的标 准。它的全名是“数据终端设备（ 数据通讯设备（ 间 串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个 25 个脚的 接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信 号的电平加以规定 。 接口的信号内容 实际上 5 条引线中有许多是很少使用的，在计算机通讯中一般只使用 3条引线的信号。 接口的电气特性 在 任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑。“ 1”， 15V； 逻辑“ 0” +5 +15V 。噪声容限为 2V。即 要求接收器能识别低至 +30”，高到 作为逻辑“ 1” 。 接口的物理结构 5芯插头座 ,通常插头在 ,插座在 . 一些设备与 连接的 口 ,因为不使用对方的传送控制信号 ,只需三条接口线 ,即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。所以采用 芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。 传输电缆长度 由 %的情况下，传输电缆长度应为 50 英尺，其实这个 4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有 99%的用户是按码元畸变 1020%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过 50英尺。 温度监控系统的设计 第 6 页 共 42 页 图 构图 （ 4）继电器 继电器是具有隔离功能的自动开关，广泛用于遥控，遥测，通信，自动控制，机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。 继电器是在自动控制电路中起控制与隔离作用的执行部件，它实际上是一种可以用低电压、小电流来控制大电流、高电压 的自动开关。在本系统中，继电器控制的自动温度调节电路和 片机中程序构成温度自动监测电路，实现对生物培养液温度的监测和自动控制 （ 5）半导体降温片及电阻加热丝 半导体制冷器是根据热电效应技术的特点，采用特殊半导体材料热电堆来制冷，能够将电能直接转换为热能，效率较高。 其工作原理如图 图 温度监控系统的设计 第 7 页 共 42 页 半导体制冷片由许多 型半导体之颗粒互相排列而成，而 N P 之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜、铝或其他金属导体，最後由两片陶瓷片像 夹心饼乾一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好，通上 电源 之後，冷端的热量被移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高。它的外观如图 2）本控制系统是对生物培养液进行温度监控，故太快的温度变化对生物繁殖显 图 本控制系统是对生物培养液进行温度监控，过快的温度变化对生物繁殖显然是不利的，因此在本系统中采用的是高阻抗小功率加热电阻丝进行温度的小范围调节。 正视图 侧视图 温度监控系统的设计 第 8 页 共 42 页 3 温度控制系统的组成框图 采用典型的反馈式温度控制系统，组 成部分见 图 中数字控制器的功能由 单片机 实现。 图 培养皿的传递函数为 ),1/()( 1 s ，其中 1为电阻加热的时间常数， 为电阻加热的纯滞后时间， T 为采样周期。 A/以广义对象的传递函数为 /)1()1/()( 11 s （ 3 广义对象的 )/1/)11(/)1()11/)( 1111 （ 3 所以系统的闭环 )1/()1()1/(/)1()( /1 (3系统的数字控制器为 )(G/)()(D)(E/)(U 1 = 1/1/1/11/ )1(1)1(/)1)(1( （ 3 写成差分方程即为 )1()1()1()( / T )1(/)1()1()1(/)()1( 1/1/1/ （ 3 令 )1(/)1( 1/0 TT )1(/)1( 1/1/1 /1 , 温度监控系统的设计 第 9 页 共 42 页 /2 1 , 得 )1()1()1()()(2110 （ 3 式中 )( 第 k 次采样时的偏差； )1( 第 1k 次采样时的偏差； )1( 第 1k 次采样时的偏差； 温度监控系统的设计 第 10 页 共 42 页 4 温度控制系统结构图及总述 图 图 片机中的 A/D 转换器构成输入通道， 用于采集培养皿内的温度信号。温度传感器输出电压经过 A/可得到实际温度和给定温度的偏差。培养皿内的温度设定值由 片机中程序设定。 由 字控制器进行比较运算，经过比较后输出控制量控制由加热和降温电路构成的温度调节电路对培养皿中的培养液温度进行调节。同时通过电平转换电路把当前温度传输到商用计算机的串口中，由计算机动态的显示培养皿中的温度，正常情况下温度控制由 片机自动控制。必要时， 计算机也可以通过软件来强制改变培养皿中温度。 加 热 控制电路 高阻抗加热丝 降 温 控制电路 半导体降温片 温度传感器 培养皿 商用计算机显示终端 温度监控系统的设计 第 11 页 共 42 页 5 温度控制系统软件设计 片机 温度控制系统软件结构图如图 示。 图 检测与变送 A/D 转换 工程量变换 温度非线性转换 发送数据到串口 比较判断算法 温度预设值 温度调节 电路 执行器 从 串口接受数据 命令识别控制程序 温度监控系统的设计 第 12 页 共 42 页 片机 控制流程图 图 度变换程序模块 温度传感器在 12到 60输出 度起点为 12，满量程为 48。片机内嵌的 10 位 A/D 转换器对应 输出的数字量为开始 初始化 片机端口地址 读入预设温度值 启动 A/D 转换 A/D 转换结果送入 元 降温 加热 工程量变换 温度非线性温度转换 发送数据到串口 命令识别程序 从串口接受数据 Y Y Y N N N 温度监控系统的设计 第 13 页 共 42 页 0000000000B1111111111B（ 05V），应用以下变换公式进行变换： 0+(式中， 度非线性转换程序模块 采用折线拟合法进行线性化处理 如图 为以下几段： 当 当 所传输的一 帧 数据为 10 位时，所 允许 的 最 大的 波 特 率 允许误 差 为 5 %对于其它 常 用的 8位， 9位， 11位，一 帧 的串行传输，其 最 大的 波 特 率 允许误 差 分别为 和 减 小 波 特 率 误 差 的 措施 温度监控系统的设计 第 26 页 共 42 页 我们知道 使 用离 散 度 小的 晶振 是 减 小 波 特 率 误 差 的 关 键。 如 果， 晶振 的离 散 度已 超过所 允许 的 范围， 此时不 宜 用其标称 值， 可以采用 测 量其 波 特 率 的方 法 来得出实际 的 晶振波 特 率 值。 （ 2） 单片机软件的实现 设 置 通信方式和 波 特 率 的 值例 50H 初 始 化串 口 设为方式 1 20H 利 用定时器 1为 波 特 率 发 生 器 并 设为 模 式 2 置 置 定时器 初 始值 动 定时器 1 等待 接收 并 按 通信协议作出相应 响 应。 信协议设计结论 通信的可 靠性主要体 现在所 使 用通信协议的可 靠性 上，本通信协议的可 靠性主要 有两点理论 基础： (1)通过 判断 帧头 起 始字 符 来决定一 帧 的开 始， 这样就 避免 了 部 分数据进 入 到 内部数据 处 理之中。这 个 可能 性 在 1/256， 通过 停止 位的 判断 可将这 个 可能 性再 降低 1/256。 另 外 通过 帧 类 型字 节的 判断 可 使 之进一步 降低。 (2)校验字 将 整 帧 信号进行异 或校验则使误 收的可能很小。如 果 将此异 或校验 改为 错 的可能 性 更是 微乎 其 微 了。本通信所用协议具有 纠 错 功能，这 体 现在 当送 或 接收数据时， 当 所接收的应 答 信号出现 失误 时，将 重新 发送 或 接收此 帧 数据，直 至 接收到了正 确 的应 答， 具 体 在程 序 中 最多允许 连 续 出 错三次， 超过 后则放弃 通信。在实际应用中，应用本通信时传输距离 只 有 几 米以 内 而 且 环境 干扰 比 较小， 从 而 从外部因 素 上进一步 保证 了通信的可 靠性。 如 果 在不 考虑 错误 发 生 的 情况 下， 每 发送一 帧 数据时 需要 附 加 12 个字 节，其中 8 个字 节用于发送 4 个字 节用于应 答 。 每 接收一 帧 数据时， 需要 附 加 13 个字 节其中 5 个字 节用于接收 8 个字 节用于应 答。 如： 按 每帧 传送 32个字 节计 算 的话，其发送温度监控系统的设计 第 27 页 共 42 页 和接收的 效率 为为 忽略 处 理时间计 算。 发送数据速率、接收数据 速率计算公式如下： 发送数据 速率 ： 9600*32/44=6981s 接收数据 速率 ： 9600*32/45=6826s 这是理论上的 速率， 实际中 还 应 包含 处 理信号 帧，等待 信号 帧 的时间。在本通信协议中，不会出现 某 信号 帧已 到达但 未开 始 准 备 接收的现象。在实际应用中，因具 体 应用环境不同 理信号 帧 的时间会有不同，所以具 体速率值 依 具 体 应用而 变 化。 温度监控系统的设计 第 28 页 共 42 页 7 计原理图 （ 1）使用 理图决定了整个电路的基本功能，也是接下来生成网络表和设计印刷电路板的基础。 在 9的初始界面下新建一个设计库，该数据库用来管理项目。 保存路径 进入设计库文件中的文件夹 在 文件夹中新建原理图文件和印制板文件。 名 打开原理图文件。 添加原理图文件库。 览所需零件库 放置电路所需的各种元件，图件，网络标号等元器件。 览所需零件库 零件库中调出元件 对原图元件进行布局，布线，构成一个完整的原理图。 编辑和调整。然后进行输出存档。 右键 打印或建立报表。 图 新建原理图 加元件库 调出元件 件布局 连线 设置元件属性 存盘 印输出报表 立网络报表 度监控系统的设计 第 29 页 共 42 页 （ 2）用 个步骤： 有关参数的设置。这一步主要设定自动布参数、自动布线参数、板面参数等。 禁止布线层上，沿设计的 指定自动布局的范围。这一步为自动布局打基础。同时，在上层板面（即元器件面）沿禁止布线层的边框图线放置铜 线，这是 布局 就是根据原理图上元器件之间的连接关系，并考虑电磁兼容性以及元器件的安装空间和散热等，总是将元器件放置在 路板上适当的位置。布局的好坏直接影响 繁琐的。布局工作需要耐心、细致。尽管系统提供了自动布局的功能，但是一般而言都需要手工调整。 手工布局，首先载入 过手工移动元器件 上的排列位置实现布局。移动元器件是最好打开网络连接显示，这样就能观察到相邻元器件连线的疏 密。 自动布局， 统环境提供自动布局功能完成元器件放置，但在细节处最好使用手工调整。布局时要求相互间连线多的元器件应该就近放置；相互间可能造成干扰的元器件应远离：功率器件应考虑散热空间。 自动布线。布线就是在元器件引脚之间放置覆铜连线的过程，这一过程可以通过手工完成，也可以自动进行。但是 议使用该功能自动布线。在进行自动布线之前，设计人员必须先设计好布线参数，定义布线规则。如果不适当，可能会导致自动布线失败，即布线的成功率不高，所以这一 步要特别注 意 启动设计规则检查 一步利用 供的 一步由软件自动完成。检查的结果输出在报告文件 *， 件将出错处在 检查、修改提供方便。 板面字符调整。为了使设计的 美观，并且安装焊接元器件方便，应将元器件的名称。设计值的字符参数移至元器件框外。大小合适且字符不想重叠。 将经过 版面字符调整好的 出、制版。 印刷板电路设计完成以后，整个电路板的设计项目就基本完成。存档以便进行后 期的修改及完善。 温度监控系统的设计 第 30 页 共 42 页 图 新建印制板图 划电路板 添加元件库 用网络表 件布局 走线 设置丝印字 存盘 印，输出报表 交给印制板 电路板成 品 手工制板 热转印法 光印法等 温度监控系统的设计 第 31 页 共 42 页 8 硬件电路板的制作 本设计中需要有 2 个继电器控制外围温度调节系统， 2个 有一个 片机，一个 平转换器，一个有源晶体振荡器及其外围电阻电容等。在确定电路的正确性，可行性之后，开始使用 它进行布图。 还可以进行仿真。在画原理图的过程中，原理图中的元件 库中可能找不到自己要找的元件，如 ，所以要自己画元件。在画原理图后，选择将元件自动编号，然后根据需要更改部分元件的编号。在定好元件编号后，使用 的 会提示是否有编号相同的元件等错误。在 可以开始封装了。同样，部分元件的封装在 中找不到或者是有出入，如按键开关， 2 位拨码开关在 中找不到，所以需要自己根据元件的实际大小和相应的原理图中引脚编号，做出正确的封装。 图 整的 另外，可变电阻在原理图中的引脚编号和 在原理图中双击元件，选上 可以观察到元件的引脚编号），可以在 第 32 页 共 42 页 该元件的引脚标号改成与原理图相对应的标号。在封装好全部元件后，可以生成一个元器件报表，在报表中可以清楚的看到各元件的标号和封装代号，在进一步检查完毕后就开始建立网络表。在禁止布线层中画一个边框和电路板大小一样的矩形，然后开始导入网络表，在导入网络表没有错误后，便开始正式布局了。根据原理图的走线，将器件 分别拉入框中，放到合适的位置。布局完成后，先设置好安全间距为 10线层选择底层，线宽选择 25 将焊盘外径改为 40径改为 20分点要根据需要改小或改大）。然后就开始正式布线。布线不能单靠自动布线，特别是在本设计中有众多芯片，所以采用根据原理图对整个电路进行手动布线。这样可以使得整个电路看起来整齐些，在碰到有时线路布不通的时候，采用顶层短跳线的方式进行调整，从而完成整个 图 布好 查无误后，就将 后熨到电路板上，腐 蚀，打孔。熨板前，应把铜板用砂纸去掉表面被氧化的部分。腐蚀时，用三氯化铁加适量的开水配成三氯化铁溶液进行腐蚀，这样腐蚀会比较快，腐蚀完后用天那水把电路板清洗，接着便开始打孔（选用 针头），打完孔后，用万用表测量电路线路是否连通，然后先涂上松香溶液（酒精 +松香），这样焊接速度会比较快，还能防氧化，然后将其放在一边晾干。同时，测量部分器件（电阻等）是否有损坏，等电路板晾干后，就要把器件按 后就可以开始焊接了。焊接时要防止虚焊和未连接上，所以在焊好后，再用万用表测量元件和线路是否连接好 。检测完毕后，硬件电路板装配便完成了。 温度监控系统的设计 第 33 页 共 42 页 9 设计总结 通过本次温度监控系统的设计 ,我大有收获，在制作过程中，一定要注意的每个工作步骤的检查，确保制作成功。比如在合理布线，检查装配无误的情况下，如果还出现电路无输出的情况，那么可以肯定是原理图错误，这时就要回到原理图进行检查。总体的检查顺序应该是原理图、 、装配情况、焊接工艺。从整体来说这是一个复杂的过程，要细心谨慎，沉着冷静，反复检查，直到找到原因为止。 这次毕业设计历时至少 3个月，从一开始的确定课题，到后来的资料查找、理论学习，再有就是近来的调 试和测试过程，这一切都使我的理论知识和动手能力进一步得到频率合成电路课题中包含了通信电路和单片机部分知识，可以说是对通信电路知识的一次全面综合。在画原理图、 线、安装和调试过程中不可避免地遇到各种问题，这要求保持沉着冷静，联系书本理论知识积极地思考，实在解决不了可以请教同学或指导老师。虽然在制作过程中不可避免地遇到很多问题，但是最后还是在老师以及同学的帮助下圆满解决了这些问题，实现了整个系统设计与最后调试，相关指标达到期望的要求，很好地完成了本次设计任务。 经过四年学习的积累，在已经掌握相关专业方面知 识及其它各方面知识的情况下，我认真严肃的完成了我的毕业设计。 从得到题目到查找资料，从对题目的研究设定到 电路板的调试到失败后再一次全部重新开始在这一个充满挑战伴随挫折，充满热情伴随打击的过程中，我感触颇深，它已不仅是一个对我四年学习知识情况和我的应用动手能力的检验，而且还是对我的钻研精神，面对困难的心态，做事的毅力和耐心的考验。我在这个过程中深刻的感受到了做毕业设计的意义所在，和我一样真正投入了身心去做的人也一定会有同样的感触。 本课题的重点、难点是： （ 1） 初步接触温度传感器， 要对传感器的原理、结构、应用等各方面从头开始琢磨 ； （ 2） 考虑从非电量信号到电量信号的电路实现原理以及与单片机的接口； （ 3） 熟悉拉 （ 4）