1、本科毕业设计 (论文 )文献综述 电子信息 工程 温度检测控制系统 摘要 : 随着社会的进步和工业技术的发展，在现代生产生活中温度因素已跟我们密切相关。在许多行业的工业控制系统中，温度控制都是要解决的问题之一。 论文概述了温度控制系统的意义和基本功能，温度传感器的发展，详细分析了三种温度检测控制系统的实现：基于单片机、基于 PLC和基于 FPGA，最后指出了每种设计方法的优缺点。 关键词： 传感器；温度控制；单片机； PLC； FPGA 1、 引言 温度控制系统对工业生产乃至国民经济都具有非常重要的现实意义和价值。特别是 近几年，随着我国经济的飞速发展，工业生产过程也发生了日新月异的变化，这就
2、使得对温度控制装置，特别是那些具有通用性、宽量程、高精度、实时性的先进的温度控制系统的需求不断增加。 目前市场上的温度控制装置 种类很多，但普遍存在成本高，温度信息传递不及时，精度不够等缺点。利用现代电子技术，开发出一种实时性高，精度高能够综合处理控制温度的温度控制系统是非常有必要的 1。 2、 温度控制系统概述 2.1 温度控制系统定义 图 2.1 智能温度控制器的结构功能图 在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开 关量都是常用的主要被控参数。而温度在其中扮演的角色又尤为重要，例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各
3、类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制 2。一种具有对温度 进行自动的检测并控制的系统就是温度控制系统。一般的温度控制系统都有温度传感器、温度调节仪器、执行装置等部件组成。如图 2.1是一般智能温度控制器的结构功能图。 2.2 温度控制系统的基本功能 1.实现温度的实时测量与显示。 2.可手动设置检测温度范围的上限和下限。 3.自动进行温度的 升降调节以保持恒温。 3、 温度传感器 3.1 传统的分立式温度传感器 传统的分立式温度传感器 热电偶传感器，热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精确度测量范围广，可从
4、-501600进行连续测量，特殊的热电偶如金铁 镍铬，最低可测到 -269，钨一 徕最高可达 2800 3。 3.2 集成（ IC）温度传感器 1、 模拟集成温度传感器 集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的 , 因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在 20世纪 80年代问世的 , 它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等 , 适合远距离测温 , 不需要进行非线性校准 , 外围电路简单 4，器件和基本应用电路如图 1。 图 1 LM
5、94022集成传感器封装图与基本应用电路 2、智能（数字）温度传感器 智能温度传感器亦称数字温度传感器是在 20世纪 90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ ATE）的结晶。目前 , 国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部包含温度传感器、 A/D转换器、信号处理器、存储器或寄存器和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器（ CPU）、随机存取存储器（ RAM）和只读存储器（ ROM）。智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量 , 适配各种微控制器（ MCU） , 并且可通过软件来实现测试功能，其智能化取决于软件的开发水平 5，器件如图 2
6、。 图 2 DS18B20传感器结构图 3.3 温度传感器的发展趋势 随着工业技术的不断发展，传统的控制方式已经不能满足 高精度、高速度的控制要求。 如接触器温度控制仪表，其主要缺点是温度波动范围大，它主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：单片机控制， PID 控制， FPGA 控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。 进入 21世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开
7、发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测 温系统等高科技的方向迅速发展 6。 4、 各种设计方法介绍 4.1 基于单片机的温度控制系统设计 ADC0808是 CMOS器件，精度为 8位，不仅包括一个 8位的逐次逼近型的 ADC部分，而且还提供一个 8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑，因而可以把它作为简单的“数据采集系统”。采用 51单片机控制，软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便。既可以单独对数码管、 ADC0808等控制工作，还可以与 PC 机通信上传接受数据，另外 AT89C51 在工业控制上也 有着广泛的应用，编程技术及外围功能电
8、路的配合使用都很成熟 7。 该系统利用 AT89C51芯片控制 ADC0808完成对温度传感器 采集的模拟温度信号 进行模数转换并处理显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定档位的上下限；通过串口通信 接受上位机传送来的控制命令并进行相应的控制，将当前的档位值和温度值传送给上位机 8-9。总体设计 系统框图如图 3所示。 图 3 基于单片机的温控系统 4.2 基于 PLC的温度控制系统设计 基于 PLC 的温度控制系统一般有两种设计方案 ，一种是 PLC 扩展专用热电阻或热电偶温度模块构成，另一种是 PLC 扩展通用 A/D 转换模块来构成。 4.2.1 扩展热电阻 /热电偶模块 在
9、 SLC500控制器扩展模块中，有集温度采集和数据处理于一身的专用智能温度模块 热电阻 /电阻信号输入模块（ 1746-NR4）。在此模块中温度模拟量产生对应的 16位 A/D 数字值，其对热电阻变送的温度信号的分辨率约为 1/8度，控制器在数值处理中可以直接使用模块的转换值，无需在硬件级电路上作其他处理。热电阻温度模块的使用十分方便，只需要将热电阻接到模块的接线端子上，不需要任何外部 变送器或外围电路，温度信号由热电阻采集，变换为电信号后，直接送人温度模块中。热电偶 /毫伏输入模块（ 1746-NT4）的功能与热电阻 /电阻信号输入模块（ 1746-NR4）类似。系统如图 4所示。 图 4
10、扩展温度模块的温控系统 4.2.2 扩展通用 A/D 模块 在 PLC 温度控制系统中，可以用通用模拟量输入输出混合模块构成温度采集和处理系统。通用 A/D 转换模块不具有温度数据处理功能，因此温度传感器采集到的温度信号要经过外围电路的转换、放大、滤波、冷端补偿和线性化处理后，才能被 A/D 转换器识别并转换为相应的数字信号。 SLC500系列 PLC 常用的模拟量输入输出混合模块有 2路差分输入 /2路电压输出模块（ 1746-NIO4V），其 A/D 转换为 16位。由 A/D 转换模块构建的温控系统不但需要外加外围电路，而且其软件和硬件的设计也比较复杂。系统如图 5所示 10-12。 图
11、 5 通用 A/D 转换模块温控系统 4.3 基于 FPGA的温度控制系统设计 VHDL（ Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，超高速集成电路硬体描述语言） ， 是一种以 IEEE-1076标准所规范的硬件描述语言，主要用于从算法级、寄存器级到门级的多种抽象设计层次的数字系统建模，已成为电子设计自动化（ EDA）的一种重要手段。随着超大规模集成电路工艺的发展和成熟 ,采用 FPGA或者 CPLD来进行数字电路的设计己成为当前的热门之一。芯片的 FPGA可编程性和 VHDL语言的出现使得数字电路的设计周
12、期和 难度都大大减小。 该 温度 监控 系统即采用两者设计和实现的 13。 该温度控制系统的前级采用 LM35 型模拟集成温度传感器来采集温度信号并转化为电压信号，再经过前级放大后送入 ADS7886 采样输出数字信号，将得到的数字信号送入 FPGA 器件。 FPGA 器件设计主要分解为 3大模块 :数据采集模块、时钟定时模块及温度控制模块。最后通过端口映射的方法 ,完成整体的设计。 3大功能模 块均用 VHDL语言编程 ， 也可通过图形输入法设计 ， FPGA是系统的核心 ， 在 QuartusII开发平台上实现 3大功能模块。 整个系统逻辑框图可见 图 6。 图 6 基于 FPGA 的温控
13、系统 5、 结束语 文章综述了可控温传感器在现实生活中的主要作用，介绍了几种 主要 的 实现方法 ， 描述了每种方法的设计思想和优缺点。综合而言，基于单片机的设计方法比较成熟，成本低，但是修改和产品升级比较麻烦，因为单片机的资源相对较少。基于 PLC 的设计方法可以适应环境恶劣的工业现场，故其使用范围十分的广泛，但相对而言可实现扩展的功能较少。 基于FPGA 的设计方法设计外围电路比较简单 , 精度较高 ,周期短，但是设计成本相对较高。 参 考文献 1 黄贤斌 .传感器原理与应用 (第二版 )M.高等教育出版社 ,2004,3. 2 张开生，郭国法 .MCS-51单片机温度控制系统的设计 J.
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