温控毕设开题报告

一、本课题背景、目的和意义

在人类的生活环境中，温度扮演着及其重要的角色。自18世纪工业以来，工业发展与是否能掌握温度控制有着密切的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业，可以说几乎80%的工业部门都得考虑着温度的因素[1]。温度控制是无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，如电热水器、自动饮水机等，都要用到水温控制系统。高校的发展同样要求用现代化手段提升现有的实验设备，为学生提供更多更好更现代化的实验条件。因此我们应该应用电子专业知识，实现温度控制的自动化，提高工业企业自动化水平。

目前的水温控制系统大多采用由模拟温度传感器、多路模拟开关、A/D转换器及单片机组成的传输系统[2]。这种系统需要布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸复杂，成本也高。同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大，不利于控制者根据温度变化及时做出决定。在这样的形式下，开发一种实时性高、精度高，能够综合处理多点温度信息的系统就很有必要。

近年来，单片机以其功能强、体积小、使用方便、性能价格比较高等优点,在实时控制、自动测试、智能仪表、计算机终端、遥测通讯、家用电器等许多方面得到了广泛的应用。用单片机对温度进行实时检测和控制来解决工业及日常生活中对温度的及时自动控制，是现代温控系统发展的趋势。

人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、适用范围大、本身的指令系统等诸多优势，在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。该课题的研究适应了社会对于水温控制的发展趋势,将单片机应用于水温控制系统中，将单片机控制方式成功地引入了水温控制领域,丰富了水温控制技术, 该系统可用作工厂、学校等场所的温度检测设施，由人工设定温度，有很好的实用价值，控制系统不仅可用于控制水温，还可应用到对温度有一定要求的其它领域。也为今后水温控制技术的发展探索了一条行之有效的道路,具有广阔的发展空间。

水温控制在生产中及生活中都发挥着重要的作用，如一些现代化车间里，生产特殊要求产品加工需要在一定的温度下才能进行，水产养殖中，也要对水的温度进行严格的控制，才能确保达到最好的效果，在家居生活中，我们同样离不开水温的控制，如电热水器，自动饮水机等，都要用到水温控制系统。实现水温控制的方法有很多种方法，如单片机控制，PLC控制，模糊控制等，而其中用单片机实现的水温控制系统，具有可靠性高，价格低廉，简单易实现等众多优点[3]。

二、本课题前景展望

日常生活及工农业生产中经常要用到温度的检测及控制，在冶金、食品加工、化工等工业生产过程中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，都要求对温度进行严格控制。在日常生活中，电烤箱、微波炉、电热水器、烘干箱等电器也需要进行温度检测与控制。传统的测温元件有热电偶和热电阻，而热电偶和热电阻测出的一般是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持，硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高[4]。而采用单片机对温度进行控制，不仅具有控制方便，简单和灵活等优点，而且可以大幅度提高温度控制的技术指标。

测量温度的关键是温度传感器，温度传感器正从模拟式向数字式、从集成化向智能化、网络化的方向发展[5]。在测温电路中，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，将随被测温度变化的电压或电流采集过来，先进行A/D转换，然后用单片机进行数据的处理，再在显示电路上，将被测温度显示出来。这种设计需要用到A/D转换电路，因此感温电路的设计比较复杂。采用智能温度传感器来设计数字温度计，温度值可以直接被读出来，通过核心器件单片机控制温度的读写和显示，用液晶实时显示温度值。测温范围大，分辨率高[6]。而且采用3线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。

三、本课题所涉及模块现状分析

（1）控制器模块

控制器主要用于对温度测量信号的接受和处理，控制电热棒和制冷片使控制对象满足设计要求、控制显示电路对温度值实时显示以及控制键盘实现对温度值的设定等。对控制器的选择有以下三种主流方案：

方案一：

采用运放等模拟电路搭建一个控制器，用模拟方式实现PID控制，对于纯粹的水温控制，这是足够的[7]。但是附加显示、温度设定等功能，还要附加许多电路，稍显麻烦。同样，使用逻辑电路也可实现控制功能，但总体的电路设计和制作比较烦琐

方案二：

采用FPGA实现控制功能。使用FPGA时，电路设计比较简单，通过相应的编程设计，可以很容易地实现控制和显示、键盘等功能，是一种可选的方案[8]。但与单片机相比，价格较高，显然大材小用。

方案三：

采用单片机最小系统同时完成控制、显示、键盘等功能，软件编程灵活、自由度大，电路设计和制作比较简单，并且其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，是一种非常好的方案[9]。

以上三种方案中，方案三电路的设计制作比较简单，功能强大，成本低，故一般采用方案三。

（2）加热装置有效功率控制模块

可以使用加热棒进行加热，使用制冷片降温，当水温超过设定温度时关闭加热棒开启制冷片，当需要加热时开启加热棒关闭制冷片。由于加热的功率较大，考虑到简化电路的设计，一般直接采用220V电源[10]。对加热装置控制模块有以下两种主流方案：

方案一：

采用可控硅来控制加热棒有效功率。可控硅是一种半控器件，应用于交流电的功率控制有两种形式：控制导通的交流周期数达到控制功率的目的；控制导通角的方式控制交流功率。由交流过零检测电路输出方波经适当延时控制双向可控硅的导通角，延时时间即移相偏移量由温度误差计算得到。可以实现对交流电单个周期有效值周期性控制，保证系统的动态性能指标[11]。该方案电路稍复杂，需使用光耦合驱动芯片以及变压器等器件。但该方案可以实现功率的连续调节，因此响应速度快，控制精度也高。

方案二：

采用继电器控制加热棒和制冷片。使用继电器可以很容易实现通过较高的电压和电流的通断，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，电热棒只能工作在最大功率或零功率，对控制精度将造成影响。但可以通过控制加热棒和制冷片交替工作实现水温的动态平衡，电路焊接简单，响应速度快，控制精度高[12]。

方案二采用继电器控制省去光耦和交流过零检测电路，在软件上选用适当的控制算法，同样可以达到较好的效果。响应速度快，控制精度高。

（3）温度采集模块

温度信号为模拟信号，要对温度进行控制和显示，所以要把模拟量转换为数字量。该温度采集模块有以下三种主流方案：

方案一：

利用热敏电阻传感器作为感温元件，热敏电阻的阻值随温度变化而变化，用仪表测量出热电阻的阻值变化量，从而得到与电阻值相应的温度值。最常用的是铂电阻传感器，铂电阻在氧化介质中，甚至在高温的条件下其物理，化学性质不变。由铂电阻阻值的变化经小信号变送器XTR101将铂电阻随温度变化的转换为4～20mA线性变化电路，再将电流信号转化为电压信号，送到A/D转换器——ADC0809.即将模拟信号转换为数字信号，该方案线性度优于0.01％[13]。

方案二：

采用温度传感器AD590K。AD590K具有较高精度和重复性，良好的非线性保证±0.1℃的测量精度。加上软件非线性补偿可以实现高精度测量。AD590将温度转化为电流信号，因此要加相应的调理电路，将电流信号转化为电压信号[14]。送入8位A/D转换器，可以获得255级的精度，基本满足题目要求。   

方案三：

采用数字式温度传感器DS18B20，该传感器测温范围为-55℃-+125℃，最重要的是DS18B20传输方式为数字式，采用单总线专用技术，非常节约I/O口。实现对温度的采集和转换，直接输出数字量，可以直接和单片机进行通讯，大大简化了电路的复杂度。

DS18B20与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根接口线（单线接口）读写,因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高[15]。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面带来了令人满意的效果。故一般采用方案三。

（4）键盘与显示模块    

水温要由人工设定，并能实时显示温度值。对键盘和显示模块有下面两种主流方案： 

方案一：

采用LCD1602液晶显示屏和单列3按键。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,并可灵活的现实多种状态[16]。

方案二：

采用三位LED七段数码管分别显示温度的十位、个位和小数位。按键采用单列3按键进行温度设定。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化等特点。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[15]。但可视面积小，画面效果不美观。

ATS52单片机资源丰富，考虑到液晶显示屏（LCD）具有功耗小、可视面积大、画面效果好等特点，一般选用方案一。

参考文献：

[1] 王青云. 基于单片机的温度测量系统[J] 2010，(05)：3,20-23.

[2] 于洋. 高低温试验箱微机自动控制系统的设计[J]工业仪表与自动化装置, 2003,(02)：33-35.

[3] 张媛媛,何怡刚,徐雪松. 基于C8051F020的温湿度控制箱设计[J]国外电子元器件, 2004,(10) ：35-38.

[4] 范晶彦.传感器与检测技术应用[M].北京:机械工业出版社,2005：11-13.

[5] Rhee W.Design of high-performance CMOS charge pumps inphase-locked loops. IEEE International Symposium on Cir-cuits and Systems. 1999 [3] Todd Charles Weigandt.Low-phase-noise,low-timing-jitter design techniques for delay cell based VCOs and frequency synthesizers[C]//PHDthesis. . 1998：2-3.

[6] 王俊峰,孟令启.现代传感器应用技术[M].北京:机械工业出版社,2007：90-91.

[7] 彭立，张建洲，王少华. 自适应温度控制系统的研制[J]东北师大学报(自然科学版), 1994,(01)：3-7.

[8] 夏继强.单片机实验与实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社,2001：2-3.

[9] 江孝国,王婉丽,祁双喜. 高精度PID温度控制器[J]电子与自动化, 2000,(05)：19-20.

[10] Goldman JM, Petterson MT, Kopotic RJ, Barker SJ.Masimosignal  extraction pulse oximetry[J].J Clin Monit Comput.2000;16(7)：75-83.

[11] Nonis R,Da Dalt N,Palestri P,et al.Modeling,design andcharacterization of a new low-jitter analog dual tuning LC-VCOPLL architecture[J]. IEEE Journal of Solid State Circuits. 2005 [7] Lim Kyoohyun,Park Chanhong,Kim Dalsoo,et al.A low-noise phase-locked loop design by loop bandwidth optimization. IEEE Journal of SolidState Circuits. 2000：23-25.

[12] 金发庆.传感器技术与应用[M].北京:机械工业出版社,2006：3-6.

[13] Behzad Razavi.Design of Analog CMOS Integrated Circuits[M]. 2001:99-100.

[14] 何立民.单片机高级教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001：30-32.

[15] 李广第．单片机基础[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1999：3-4.

设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为1升水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。

二、设计要求

1.可键盘设定控制温度值，并能用液晶显示，显示最小区分度为0.1℃。

2.可以测量并显示水的实际温度。温度测量误差在±0.5℃内。

3.水温控制系统应具有全量程（10℃—70℃）内的升降温功能。

4.在     全量程内任意设定一个温度值（例如起始温度±15℃内），控制系统可以实现该给定温度的恒值自动控制。控制的最大动态误差≤±4℃，系统达到稳态的时间≤15min（最少两个波动周期）。

三、具体方案

1、总方案

采用ATS52单片机为核心，采用温度传感器DS18B20进行温度采集，用继电器控制加热和制冷，使其达到电路简单、可靠的目的。使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。

图1 温度控制系统框图

2、各模块电路的方案选择

根据题目要求系统模块分可以划分为：温度测量模块，显示模块，加热模块，控制模块。本着简单、实用的原则，综合考虑硬件构成、软件编程的复杂程度以及价格和题目所要求的精确度等因素，确定如下方案：

（1）.采用ATS52单片机作为控制器，分别对温度采集、LCD显示、温度和设定、加热装置功率控制。

（2）.温度测量模块采用数字温度传感器DS18B20，此器件经软件设置可以实现高分辨率测量。 

（3）.电热丝有效功率控制采用继电器控制，实现电路简单实用，加上温度变化缓慢可以满足设计要求。

（4）.显示用LCD液晶显示实时温度值。

系统的基本框图(如上图1所示)。

3、系统工作原理

CPU（ATS52）首先写入命令给DS18B20，然后DS18B20开始转换数据，转换后通过ATS52来处理数据。数据处理后的结果就显示到1602液晶屏上。另外由键盘设定温度值送到单片机，单片机通过数据处理发出温度控制信息到继电器。继电器的通断来控制加热棒和制冷片的工作。

该同学查阅了大量的文献资料，包括中国学术期刊、万方数据学位论文中的许多论文及单片机应用和温度传感器应用相关的书籍以及编程方面的书籍。

文献综述结果较合理，语言流畅。介绍了本课题的研究背景、研究内容及研究意义。该生已经明确了本课题要解决的问题，给出了准备拟采用的研究手段。这些工作为下一步研究如何实现本课题打下了良好基础。

同意开题。

 指导教师：               

    年   月   日

 系主任：               

 年 月 日