北信科 温度检测与控制电路设计

1、课 程 设 计 报 告课程名称 综合电子设计 题 目 温度检测与控制电路设计 指导教师 设计起止日期 2013.4.22-2013.5.3 系 别 自动化 专 业 自动化 学生姓名 班级/学号 成 绩 摘要随着社会的发展和科技的进步以及测温仪器在各个领域的应用，智能化是现代温控系统发展的主流方向，特别是近年来，温度控制系统已应用到生活的各个方面，但是温度控制一直是一个热门领域，是与人们息息相关的问题。温度是科学技术中一个基本物理量。在工业生产等许多领域，温度常常是表征对象和过度状态的重要物理量。各个工程应用领域对温度的要求越来越高。在众多的生产过程中，对温度的控制效果直接影响到了产品的质量以及

2、成本等问题。因此及时、准确的得到温度信息并进行可靠、准确、快速的控制，同时兼顾到系统灵活性、方便性、以及便于数据的读取与安装是一个非常重要的环节。本文通过温度传感器LM35CZ对电阻加热器的温度进行测量。其中以STC5A60S2单片机为核心部件，外加温度采集电路、串口通讯电路、加热控制电路等。并通过LED界面显示，以容易控制的功率电阻作为加热器件并以PWM控制加热程度。此次课设中既可以对当前温度进行实时显示又可以对温度进行控制，以使达到用户需要的温度，并使其恒定在这一温度。人性化的界面设计使设置温度简单快速，实时曲线的显示方式具有直观性。建立在PID理论上的控制算法，使控制精度完全能满足此系统

3、的要求。通过对系统软件和硬件设计的合理规划，发挥单片机自身集成众多系统级功能单元的优势，在不减少功能的前提下有效降低了硬件成本，系统操控简便。一、 功能介绍 1、 基本要求 （1）功能要求 采用模拟温度传感器设计温度检测电路，并完成模拟信号调理； 采用Multisim （或Protues ）软件进行模拟电路仿真； 采用51 单片机（内置ADC ）采集温度信号，再通过数码管显示温度数值； （2）技术指标 温度测试范围：40 110 温度测试精度：2 温度测试分辨率：0.2 温度显示方式：4 位数码管显示，第 1 位数码管显示符号（零下温度显示“”号，零上及低于 100不显示，100以上显示“1”

4、），第2 位数码管显示温度的十位数值，第 3 位数码管显示温度的个位 数值及小数点，第4 位数码管显示温度测量值的小数点后第一位数值。 2、拓展要求 （1）具有温度检测和温度控制两种工作状态，并可手动切换工作状态； （2）环境温度检测：功能及技术指标同基本要求； （3）加热器温度控制：可通过单片机控制加热器进行温度自动调节，并可设置和显示温度恒定数值，控制对象为大功率电阻； （4）可通过按键调整系统状态和功能： K1 ：显示控制：循环显示当前检测的温度数值和设置的恒定温度数值； K2 ：状态控制：温度测试状态（点亮L1 指示灯），温度控制状态（点亮L2 指示灯），恒定温度设置状态（点亮L3 指

5、示灯）； K3 ：减小温度设置数值（设置状态有效）； K4 ：增大温度设置数值（设置状态有效）。 （1） 温度超限时，点亮超限报警灯（L4 ），并鸣响蜂鸣器。 3、技术指标 温度控制数值可在40 70 之间设置 ； 温度控制精度：5 ； 研究合适的温度控制算法。 4、限定条件 模拟电路电源：12V ； 电路设计软件：Altium Designer （或Protel DXP ） ； 单片机开发软件：Keil UV3 v8.02 ； 电路仿真软件：Multisim 或Proteus 。 5主要器件： 温度传感器：LM35CZ ； 运放：LM324 或LM358 任选其一 ； 单片机模块：含STC5

6、A60S2 单片机1 片、4 位数码管、4 个独立按键、4 个LED 灯、下载线； 加热单元：220/1W 电阻； 单片机开发板，集成温度传感器，运放等元器件； PC 机，信号源，万用表，示波器，稳压电源，模拟电路实验箱。 6 除单片机模块外，其它电路在一块万用板上焊接好并调试正常，通过杜邦头跳线与单片机模块连接。二、 方案论证与比较图1. 系统总体设计方框图1控制器方案一：采用模拟运算放大器组成PID控制系统。对于水温控制是足够的。但要附加显示、温度设定等功能，要附加许多电路，稍显麻烦。方案二：采用ATMEL公司的STC5A60S2作为系统控制器。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大

7、，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。基于以上分析拟订方案二，由基于以上分析以及现有器件限制选择方案一作为控制核心，对温度采集和实时显示以及加热装置进行控制。这样的系统搭建简单，稳定并且调试方便。2检测模块温度测量方法可分为接触式和非接触式两类，接触式的测温方法是基于物体的热交换现象。选定某一测温器，与被测物体相接触，进行充分的热交换，待两者温度一致时，测温器输出的大小即反映被测温度的高低。接触式测温的优点是简单、可靠、测量精度高；缺点是测温时有较大的滞后，对运动物体测温较困难，测温器易影响被测对象的温度场分布，测温上限受到测温器件材料性质的限制，

8、故所测温度不能太高。 温度传感器是把温度转换为电量的测温器。常用的温度传感器有：金属热电阻和半导体热敏电阻、热电偶、PN结型传感器和集成温度传感器、石英晶体温度传感器、涡流式温度传感器、电容式温度传感器等。 采用集成温度传感器测量温度，具有省电、体积小、线性好、成本低等优点，而且能满足一般测温工作（50150）的需要，因此本设计使用集成温度传感器，型号为LM35（电压输出型）。3加热装置根据题目，对加热装置控制模块有以下两种方案：方案一：采用电阻来控制加热器有效功率。PWM波加在晶体管，以其周期性的通断来控制加热回路的强电，这种方式能够保证系统的有良好的控制精度。该方案加热电路简单，可以实现功

9、率的连续调节，因此响应速度快，控制精度也高。方案二：采用继电器控制。使用继电器可以很容易实现地通过较高的电压和电流，在正常条件下，工作十分可靠。继电器无需外加光耦，自身即可实现电气隔离。这种电路无法精确实现电热丝功率控制，电热丝只能工作在最大功率或零功率，对控制精度将造成影响。基于以上分析以及现有器件限制选择方案一，采用PWM控制功率电阻方案可以省去众多驱动电路和抗干扰电路，同时PWM方式也比较适合PID算法的结果输出。4.输入输出外设方案一：采用液晶显示屏和通用矩阵键盘。液晶显示屏（LCD）具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等

10、特点。但由于只需显示三位温度值，信息量比较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器资源占用较多，其成本也偏高。方案二：采用四位LED七段数码管分别显示温度的百位、十位、个位和小数位。按键采用单列四按键进行温度设定。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低。同时数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。基于以上分析以及现有器件限制选择方案二。5综上所述可以得到最终方案为：系统采用了以单片机STC5A60S2为控制核心，以PWM控制晶体管通断来温度的加热，并用温度传感器LM35进行温度的采集，用四位LED

11、七段数码管，实现了对加热装置温度的闭环控制。6系统软硬件微控制器为整个系统的核心，完成数据的采集，控制，以及输出，并完成LED的显示。温度传感器LM35作为温度测量部分，采集实时温度。软件部分：由系统初始化，温度采集，参数计算，控制输出，键盘处理，温度显示，LED显示等功能子函数构成。三、 单元电路设计图2系统方案设计3.1 温度信号转化为电压信号部分1、本部分应用了集成温度传感器LM35。测温范围为-55+150。图3LM352电阻值R1的计算R1 = VS/50 A=240k3.2信号采样及运放电路温度采样及处理电路主要实现对电阻加热器的温度进行检测。检测的精度决定了控制的精度，所以温度测

12、量电路，是关系到整个控制精度的核心电路。在一般的温度检测电路中，采用恒流源或恒压源，其实质是采用恒流源或恒压源对温度传感器供电，只是在最后消除电压或电流的影响，本传感器采样电路如下所示：图4.信号采样处理电路 图4中，实际使用R5=5.9K，R6=R7=10K, R8=27k。LM35CZ输出电压范围是-0.4v到1.1v，由于电压很小，在测量Vout时，若分出少许电压，测量值都会偏差很大,所以在Vout后面加一电压跟随器，测量电压时稳定，同时也防止前面所接电路对后续电路的影响，即起到一个隔离的作用。由于要求温度测量的范围为-40110，可得Vout的变化范围是-0.4V1.1V。为了提高A/

13、D转换精度，避免干扰等因素，要扩大因温度引起的电压变化，所以在Vout输出端加一加减比例运算电路，加0.4并且放大为3.3倍。调节电位器W3，使得Vtemp=（0.4+Vout）3.3V得到最终输入给单片机的电压信号范围为：0V4.95V3.3电源电路的设计 从电压源引入12V的电压，通过双刀双掷开关控制。图5电源电路图5中两个二极管单项导通特性用来保证电压的稳定，发光二极管来显示正确的电流方向时即可发光，并串联电阻R1.其阻值根据发光二极管两端的电压和电流决定,发光二极管两端电压1.5v，电流为5mA，则电阻R1=（24-1.5）/5=4.7k.图6电源电路图6中的TL431是一个有良好的热

14、稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。 特点：可编程输出电压为36V，电压参考误差：0.4 ，典型值25（TL431B），低动态输出阻抗，典型0.22，负载电流能力1.0mA to 100mA，等效全范围温度系数50 ppm/典型，温度补偿操作全额定工作温度范围，低输出噪声电压。根据TL431的特性电压是5V，电流是10mA，则电阻R2=（12-5）V/10mA=700 输出电压Vref有以下公

15、式得出：此电压作为参考电压，输入到单片机中。输出电压Vref0是接到运放上的电压，其电压的大小由滑动变阻器W2调节，使其输出电压为0.4V。3.4 电阻加热电路 PWM控制脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。 理论基础： 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 图7形状不同而冲量相同的各种窄脉冲面积等效原理： 分别将如图1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图7a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉

16、冲时的响应波形如图7b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。电阻加热电路包括前级的PWM输出处理电路和后级的电阻加热电路。如图8所示：图8电阻加热电路由于系统加热功率不大，故我们采用PWM波控制晶体管8050，使其在一定周期内按占空比通断直流电，来实现功率电阻精确加热的目的。本实验采用加热器为一只220欧姆1W的功率电阻。单片机的PWM输出高电平为5V，若不加限

17、流电阻会导致电流过大，温度过高而烧坏晶体管，所以通过2K的限流负载驱动晶体管，当PWM为高时，晶体管导通，电阻加热；当PWM输出低时，晶体管断开，停止加热。通过控制PWM的占空比则可控制加热电阻两端的平均电压(可调范围为：0-5V)，进而对温度进行微调。3.5单片机最小系统CEPARK 51 最小系统板V2.0 简介 1. 功能标注 图9单片机最小系统2. 跳线说明 J2流水灯模块使能跳线。使用流水灯时，短接J2 。 J4EA 脚状态选择端。J4 跳接上时，EA 脚加高电平。 使用STC89 系列单片机时，断开J4 。这是因为STC 单片机内部以及上拉了EA 引脚。 使用AT89S 系列单片机

18、时，短接J4 。 J7数码管模块使能跳线。使用数码管显示的时候，请短接J7 。 J9蜂鸣器模块跳线。使用蜂鸣器的时候，请短接J9 。 3. 功能简介 1、 同时支持AT89S 系列、STC89 系列、STC12C5A60S2 芯片、SST89E51RD 仿真芯片。 2、板载CP2102USB 转串口芯片，一根USB 线就能能够轻松实现供电、下载程序、串口通信三大功能。 3、原装进口CP2102 转换芯片与大多开发板使用的PL2303 芯片相比，价钱贵几倍，但是性能更加稳定，下载更流畅。 4、主板采用锁紧座，能够很方便的更换芯片。 5、IO口全部引出，方便外接模块。 6、板载自恢复保险丝，输入电

19、流过大时，自动断电，有效保护芯片不被烧毁。电路正常后，保险丝还能自动恢复。 7、电源+5V 、3V3、GND 全部引出，方便外围模块供电使用。 8、板载ISP 下载接口，支持AT89S 系列单片机ISP 下载程序。 9、板载四位一体数码管模块，方便显示。 10、板载4 个LED 灯，可作为流水灯以及状态指示灯使用。 11、板载蜂鸣器模块。是电子琴实验、报警提醒等开发中的必备模块。 12、板载液晶12864 接口，背光对比度可调。 13、板载液晶1602 接口，背光对比度可调。 14、板载晶振插座。使用优质的*圆孔插座，可以根据需要自由更换晶振。 15、板载DS18B20 温度传感器接口，即插即

20、用。 16、板载4 个独立按键。 17、板载复位按键。 18、板载电源开关、电源指示灯。 19、模块添加跳线，有效防止模块使用冲突。四、硬件连接 图10硬件连接第一步：将随板的铜柱螺母固定在学习板四角四个孔上，将学习板支撑起来，防止底部线路因 桌面有导电物质导致短路。 第二步：插入主芯片，注意芯片方向，带凹槽的一端朝上。 第三步：选择11.0592M 晶振（或者根据自己程序的需要选择其他值），插到板子晶振插座位。 第四步：使用USB 延长线将计算机和学习板USB 口连接起来。然后按下电源开关，看看电源 指示灯是否点亮，如果指示灯点亮了，说明学习板供电正常，接着进行下一步。 第五步： 安装驱动五

21、、 下载程序 1、打开下载软件STC-ISP,按照下图所示进行设置 图11注意：根据自己电脑上的串行口选择串行口。步骤： 第一步：芯片型号选择STC89C52RC 第二步：选择端口号，要与设备管理器中提示的端口号一致。这里的是com9 。 第三步：波特率可以选择默认值：最高，最低2400 。如果下载失败可以尝试较小的波特率。 第四步：其他选项选择默认值，不要随意更改。 2、点击打开程序文件加载程序图12 3 、点击download下载程序，当信息框出现如下提示时给MCU上电图13当出现如下提示时表明下载程序成功图14 整个系统的硬件电路如下：图15电路图六、 软件设计1、在程序的设计过程中，需

22、要使用流程图表达软件设计思路及运行过程，使用软件组成框图表示软件模块组成。开始系统初始化A/D数据采集完成？ 结束按键识别执行相应功能数据处理LCD液晶显示图16 软件顶层流程图2、软件组成框图 主要包括主控程序、硬件接口程序、人机接口程序、处理算法程序、通用模块程序等，每个程序又由若干子程序或模块组成。软件的部分组成框图。 图17软件组成框图#includestc12c5a.h /头文件在STC公司主页上下载#includestdio.h#includeintrins.h#include config.huint8 code LED_Disp = 0xC0,0xF9,0xA4,0xB0, 0

23、x99,0x92,0x82,0xF8, 0x80,0x90,0x88,0x83, 0xC6,0xA1,0x86,0x8E,0xBF;sfr LedPort = 0x80; /段选段P0sfr LedCtrl = 0xa0; /位选段P2unsigned char DisBuff4;unsigned char Txd_data; unsigned char Rxd_data; float m=3.33;/-void AD_init();void serial_init();void LED_Disp_Seg7();void mDelay(uint16 mtime);void delay(unsi

24、gned int a);float AD_work(unsigned char channel);unsigned int AD_get(unsigned char channel);/-void main() float ad1,ad2; unsigned int temp;AD_init(); /A/D转换初始化serial_init(); /串口初始化while(1) ad1=AD_work(0); /p10 电压 ad2=AD_work(3); /p13电压 ad1=4000*ad1/ad2/m-400; temp=(int)ad1; Txd_data=temp%100; Rxd_da

25、ta=temp/100; LED_Disp_Seg7(); /delay(10); /延时约1s /-unsigned int AD_get(unsigned char channel)ADC_CONTR=0x88|channel; /开启AD转换1000 1000 即POWER SPEED1 SPEED0 ADC_FLAG ADC_START CHS2 CHS1 CHS0 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();/要经过4个CPU时钟的延时，其值才能够保证被设置进ADC_CONTR 寄存器while(!(ADC_CONTR&0x10); /等待转换完成ADC_C

26、ONTR&=0xe7; /关闭AD转换，ADC_FLAG位由软件清0return(ADC_RES*4+ADC_RESL); /返回AD转换完成的10位数据(16进制)/-float AD_work(unsigned char channel)float AD_val; /定义处理后的数值AD_val为浮点数unsigned char i;for(i=0;i0;i-); /1T单片机i=600，若是12T单片机i=125/-void serial_init()TMOD=0x20;TH1=0xfd;TL1=0xfd; /设置9600波特率SCON=0x50; /串口方式1，允许接收TR1=1;/-void AD_init()P1ASF=0x09; /P1口全部作为模拟功能AD使用ADC_RES=0; /清零转换结果寄存器高8位ADC_RESL=0; /清零转