1、本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化基于单片机的温度测量仪设计一、课题研究意义及现状温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。温度控制器发展初期是机械式温度控制器，这类控制器采用金属片或充气式膜盒感测温度，使用波段开关调整风速。但这类控制器由于它外观陈旧、控制精度差、容易打火、功能单一等缺点，已被淘汰，现在已被智能电子式温度控制器全面取代。在温度控制中，采用的测量元件和方法不同，产品的工艺不同都会影响温度数据采集的精度。温度控制可以
2、采用多种方式实现，可以采用继电器，也有 PLC，还有单片机等。对于继电器，它具有零电压导通，零电流关断，灵敏度高、控制功率小、电磁兼容性好，耐腐蚀、抗干扰、寿命长、体积小，能以微小的控制信号直接驱动大电流负载等优点，但也存在通态压降，需要散热措施，有输出漏电流，交直流不能通用，导通后的管压降大，触点组数少，成本高等缺点；PLC 主要应用于强电方面的工业控制，或者整条流水线的控制，相对于单片机的功耗要大，单个 CPU 价格昂贵，但比较稳定；单片机适合于实时工业控制，相对于微机价格较为低廉，可编程性和可扩展性强；专用工控机配置硬盘容量小、数据安全性低且存储选择性小。相较各部分优点，对于温度控制单片
3、机是不错的选择。而且单片微处理器具有高精确度、高灵敏度、高响应速度、以及耗能少、机构小、可以连续测量、自动控制、安全可靠等优点，非常适合嵌入式控制。同时，其逻辑控制运算是由软件来进行的，可以容易的实现各种控制规则，甚至是比较复杂的控制算法的实现，而且不受外界的工作环境的影响。单片机温度控制中温度信息主要是由传感器进行测量，并转换成为毫伏级的电压信号，把经过的信号放大到单片机可以处理的范围以内，再经过AD 转换器来转换到数字信号，并且输入到主机中去。在单片机对信号进行采集的时候，想要更大程度的提高测量的精度，在采样的时候就必须对信号进行数字滤波。在这个时候，信号经过数字滤波以后，标度就会逐渐转换
4、出来，并通过 LED 把温度显示出来。因此，基于单片机的温度控制器可以安全可靠地运行，智能地控制环境温度稳定在某一给定值，或者给定值附近。二、课题研究的主要内容和预期目标本课题主要研究利用温度传感器采集外界的温度模拟量，通过 A/D 转换器将放大后的模拟量转换为单片机能够识别的数字量，并通过液晶显示进行实时显示。主要分为以下几步:（1）熟悉多功能温度计的硬件结构，分析多种温度计的工作原理。（2）控制器采用单片机 STC89C51，温度传感器采用 DS18B20，并通过液晶显示进行实时显示；报警部分运用蜂鸣器报警；（3）能够测量和显示当前环境温度等信息；本设计要求完成系统的软硬件部分并且能够进行
5、实物作品演示。三、课题研究的方法及措施整个系统主控部分采用 STC89C51 构成单片机应用系统，工作时由键盘输入设定温度值，温度采集模块采用 DS18B20 数字温度传感器，并通过液晶显示进行实时显示；报警部分运用蜂鸣器报警；外围控制用继电器。系统整体框图如下：STC89C51液晶显示报警电路温度采集电路R S - 2 3 2 通信电路外围设备控制电路P C 系统温度控制系统框图硬件部分包括：1.单片机最小系统：采用 STC89C51 单片机；2.温度采集模块：采用DS18B20 温度传感器； 3.温度显示模块：采用 LCD1602 字符型液晶显示进行实时显示；4.串行通信模块：本系统采用
6、MAX232 电平转换来实现 RS-232 标准接口通信与 PC 机进行串行通信；5.报警电路：报警部分运用蜂鸣器报警；6.外部设备控制电路：输出的控制信号，经过 NPN 晶体管放大，再通继电器控制工作。本设计的难点主要在温度检测时芯片本身会发热，其上的温度和室内有一定的误差。在仔细阅读芯片、传感器等资料后，设计本课题的硬件电路。在研究过程中，使用检测仪器是必不可少的，如：万用表、稳压电源等。进行实物的焊接。在焊接的过程中，尽量避免虚焊、短路，一个模块分开焊接，边焊接边调试，保证每个模块正确且工作正常，以避免给今后的设计带来不必要的麻烦。在软件方面，根据自己实际的电路，进行编程。用C51 语言
7、编写过程中，在完成一个功能的调试后，再添加下一个功能，并且不断的进行调试，最后完成设计要求。四、课题研究进度计划毕业设计期限：自 2010 年 10 月 15 日至 2011 年 4 月 28 日。第一阶段（2010.9.13-9.26）：确定和分析课题，搜集资料。第二阶段（2010.10.18-11.14）：学习相关理论知识，完成开题报告、文献综述、外文翻译。第三阶段（2010.11.15-12.29）： 设计系统的电路图并制板；焊接和调试所制好的 PCB 板；第四阶段（2011.1.4-2.4）：编写相关的主控程序，进行系统调试；第五阶段（2011.2.5-3.21）：作品的完善和验收，写
8、论文；第六阶段（2011.3.22-4.20）：修改整理论文，准备答辩。五、参考文献1 罗淳.模糊自整定 PID 的温室温度控制器的设计D.武汉科技大学；2 徐翔.基于 AT89S52 单片机与 DS18B20 的温度控制系统的设计 C. 中国矿业大学计算机科学与技术学院；3 巫莉.电气控制与 PLC 应用M.中国电力出版社， 2008；4 杜生海,邢闻译.FPGA 设计指南M. 北京: 人民邮电出版社 ,2007,12；5 赵世霞.VHDL 与微机接口设计M.北京:清华大学出版社,2004,7；6 王志刚.现代电子线路M. 第四版.北京：清华大学出版社 ,2008；7 路而红.专用集成电路设
9、计与电子设计造化M. 清华大学出版社， 2004；8 高西全，丁玉玉.数字信号处理M. 西安电子科技大学出版社 ,2008；9 李业德，唐诗. 单片机与 DS18B20 组成的多点温度测控系统J.山东工程学院学报 第 15 卷第 4 期 2001；10 李士勇.模糊控制，神经控制和智能控制论M. 哈尔滨工业大学出版社；11 江孝国，王婉丽，祁双喜.高精度 PID 温度控制器J. 2000；12 庞晓青,彭自强.工业控制计算机J.(武汉理工大学自动化学院，湖北武汉，430070),2007 年 20 卷第 3 期；13 刘文慰，葛锁良.AT89C2051 在自适应模糊 PID 温度控制器中的应用
10、J. 合肥工业大学电气与自动化工程学院 第 30 卷第 1 期 2004；14AppendixF:PID Temperature ControlJ.文章出自 ；15 邬国杨.模拟电子技术M. 西安电子科技大学出版社 2002；16 王树勋.MCS 一 51 单片微型计算机原理与开发M北京机械工业出版社；毕业论文文献综述电气工程及自动化温度控制系统研究综述摘要：随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。本文简单介绍了温度控制系统的研究现状，并详细介绍了温度控制器的三个主要组成部分。关键字：温度控制；温度检测；模糊 PID 控制引言现代信息技术的三大基础
11、是信息采集控制（即温度控制器技术） ，信息传输（通信技术）和信息处理（计算机技术） 。温度控制器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度控制器被广泛用于工农业生产，科学研究和生活等领域，而且人们生活环境的需求，温度控制器的数量日渐上升 1。对于温度控制，以往，在实际的温度控制系统中，多采用热敏电阻器或热电偶测量温度，后来又有继电器、PLC 、单片机，专用工控机等 .实现方法不同的测温方式有不同的优缺点：对于热敏电阻器这种温度采集电路有时需要冷端补偿电路，这样就增加了电路的复杂性，而且该种电路易受干扰，使采集到的数据准确性不高 2；继电器具有零电压导通，零电流关断，灵敏度高、控制功率小、电磁兼容性
12、好，耐腐蚀、抗干扰、寿命长、体积小，能以微小的控制信号直接驱动大电流负载等优点，但也存在通态压降，需要散热措施，有输出漏电流，交直流不能通用，导通后的管压降大，触点组数少，成本高等缺点；PLC 主要应用于强电方面的工业控制，或者整条流水线的控制，相对于单片机的功耗要大，单个CPU 价格昂贵，但比较稳定 3；单片机适合于实时工业控制，相对于微机价格较为低廉，可编程性和可扩展性强；专用工控机配置硬盘容量小、数据安全性低且存储选择性小 45。温度控制系统研究现状温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度
13、控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。温度控制器发展初期是机械式温度控制器，这类控制器采用金属片或充气式膜盒感测温度，使用波段开关调整风速。但这类控制器由于它外观陈旧，控制精度差，容易打火，功能单一等缺点，已被淘汰，现在已被智能电子式温度控制器全面取代 6。当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于 PLC 的温度控制系统，基于工控机（ IPC）的温度控制系统，集散型温度控制系统（DCS ） ，现场总线控制系统（FCS）等。现在温度控制器大致可以分为三部分：温度检测部分，温度控制部分和显示部分。1 温度检测部分：温度检测部分是温度系统最关键部分，它直接影响
14、整个温度控制系统。在集成温度传感器出现以前，多采用热电偶温度传感器和热电阻温度传感器。热电偶温度传感器将温度转变为电动势，它的优点主要在于结构简单，使用方便，但它灵敏度比较低，容易受到环境的信号干扰，也容易受到前置放大器温漂的影响，不适合测量微小的温度变化。热电阻传感器是利用电阻值随温度升高而增大这一特性 7。现在随着半导体集成电路的发展，多采用集成温度传感器，它的工作原理是利用 PN 结的温度特性制成，同传统的温度传感器相比，优点在于灵敏度高，线性好，不需要线性补偿，测量重复性好，响应速度快，但它需要用放大器，滤波器等电路进行信号放大 8。如今，很多地方也使用了 DS18B20 数字温度传感
15、器，它的测量范围为-50 至+125，精度可达到 0.1，不需要A/D 转换电路，直接将温度值转换成数字量 9。2 温度控制部分：对于温度控制，可以采用单片机控制或者 PLC 控制，实现温度控制的方法很多，有采用模拟电路实现的，也有采用计算机构成的智能控制。模拟控制温度的方法主要有开关式控制法、比例式控制法和连续式控制法。这三者属连续式控制法最为精确，而且电路最为复杂。智能控制方法主要包括模糊控制，神经网络和遗传算法控制等 10。由于温度控制具有升温单向性，大惯性、大滞后等特点，使温度控制器控温产生一种惯性温度误差，这很难用数学方法建立精确的模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果
16、，要解决温度控制器这个问题，就要有一套很好的控制方法，传统模拟系统中的控制器已有一套成熟的方法，其中以 PID 控制器为代表。PID 控制器原理简单，易于实现，适用范围广等优点 11。但随着模糊技术的反展，可以采用模拟控制为基础的温度智能控制系统，人工智能中的模糊控制技术，采用 PID 与模糊控制技术相结合的 PID 模糊技术，是更为明智的选择。PID 模糊控制，是针对以上的情况而制定的、新的温度控制方案，用先进的数码技术通过 Pvar、Ivar、Dvar 三方面的结合调整，形成一个模糊控制，来解决惯性温度误差问 12 13。模糊控制和 PID 控制结合的形式有多种：模糊-PID 复合控制；比
17、例 -模糊-PI 控制；模糊-积分混合控制；参数模糊自整定 PID 控制，较常用的是模糊 -PID 复合控制和参数模糊自整定 PID 控制两种方法。3 温度显示部分：显示处理模块主要完成人机交互作用，具体实现可以采用将采样温度值，设定温度值以字符的形式通过液晶显示出来，可以采用 HT1621 作为显示驱动器；也可以采用 LED 数码管进行显示 14。如今，智能温度控制器正朝着高精度、总线标准化、高可靠性及安全性以及网络化虚拟化方向迅速发展；其中包括提高温度控制器测温精度和分辨力；增加温度控制器测试功能；温度控制器总线技术的标准化与规范化；温度控制器可靠性及安全性设计；虚拟温度器和网络温度控制器
18、的设计。总结与展望温度在工业自动化、家用电器、环境保护、安全生产和汽车工业等部分中，都是最基本的检测参数之一。特别是化学工业自动化系统中，一般温度检测占全部检测点的 50以上，可见温度检测的重要性所在 15。随着科学技术的不断发展，各企业对温度检测技术提出了更高的要求适应性更强、精度更高、性能更稳定、并具有智能功能的新一代温度检测仪表。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。我们需要取长补短，设计出更新型的温度控制器。参考文献1 罗淳.模糊自整定 PID 的温室温度控制器的设计D武汉科技大学
19、；2 徐翔.基于 AT89S52 单片机与 DS18B20 的温度控制系统的设计 C. 中国矿业大学计算机科学与技术学院；3 巫莉.电气控制与 PLC 应用M.中国电力出版社， 2008；4 杜生海,邢闻译.FPGA 设计指南M. 北京: 人民邮电出版社 ,2007,12；5 赵世霞.VHDL 与微机接口设计M.北京:清华大学出版社,2004,7；6 王志刚.现代电子线路M. 第四版.北京：清华大学出版社 .2008；7 路而红.专用集成电路设计与电子设计造化M. 清华大学出版社， 2004；8 高西全，丁玉玉.数字信号处理M. 西安电子科技大学出版社 .2008；9 李业德，唐诗.单片机与
20、DS18B20 组成的多点温度测控系统J. 山东工程学院学报 第 15 卷第 4 期 2001；10 李士勇.模糊控制，神经控制和智能控制论J. 哈尔滨工业大学出版社；11 江孝国，王婉丽，祁双喜.高精度 PID 温度控制器J.2000；12 庞晓青,彭自强.工业控制计算机J.(武汉理工大学自动化学院，湖北武汉，430070)2007 年 20 卷第 3 期；13 刘文慰，葛锁良.AT89C2051 在自适应模糊 PID 温度控制器中的应用J. 合肥工业大学电气与自动化工程学院 第 30 卷第 1 期 2004；14 邬国杨.模拟电子技术M. 西安电子科技大学出版社 2002；15 王树勋.M
21、CS 一 51 单片微型计算机原理与开发M北京机械工业出版社；毕业设计（20_ _届）基于单片机的温度测量仪设计摘 要温度控制现在广泛应用于各个领域。在冶金工业，化工生产，电力过程，造纸行业，机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都在对温度进行测量和控制。在工业中，如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员努力想要解决的问题，由于所选器件的不同，还有很多不确定因素难以建立精确的数学模型，导致温度的不稳定和失控。而随着单片机的出现，很多问题都有了进一步的解决。本系统采用 STC89C51 单片机来驱动数字温度传感器 DS18B20，进行温度数据的采集、读取和处理，并通过液晶显示器 LCD1602 显示出来。同时通过RS-232 串行口与 PC 机连接，将温度数据传送至 PC 机系统。本系统的软件设计主要分为以下几部分：主程序，温度上下限值设定子程序、温度读取子程序、温度显示子程序、串口通信子程序、输出控制子程序和报警子程序等，所有程序编写都采用 C51 语言。关键词：温度控制；单片机；数字温度传感器；液晶显示
