单机片温度控制系统设计方案

0 单机片温度控制系统设计方案 统基本方案 根据题目要求 系统模块分 可以划分 为： 温度测量 模块，显示 电路 模块， 加热 模块， 控制 模块， 系统的框图如图 实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证 。 模块电路的方案选择及论证 （ 1）控制器模块 根据题目要求，控制器主要用于对温度测量信号的接受和处理、控制电热丝和风扇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方案： 图 系统基本模块方框图 方案一：采用 以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可应用 件仿真、调试，易于进行功能扩展。 用并行的 I/O 口方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统控制核心。由温度传感器送来的温度信号，经 序对其进行处理，控制加热装置动作。但由于本设计对数据处理的速度要求不高， 高速处理的优势得 不到充分体现，并且其成本偏高，引脚较多，硬件电路布线复杂。 方案二：采用模拟运算放大器组成 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。 示电路 加热装置 测温部分 键盘输入 控制部分 1 方案三：采用 司的 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，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 温度采集和实时显示以及加热装置进行控制。 （ 2）加热装置有效功率控制模块 根据题目， 可以使用电热炉进行加热，控制电热炉的功率即可以控制加热的速度。当水温过高时，关掉电热炉进行降温处理，让其自然冷却。在制作中，我们装设一个小电风扇，当水温超高时关闭电炉开启风扇散热，当需要加热时开启电炉关闭风扇。由于加热的功率较大，考虑到简化电路的设计，我们直接采用 220V 电源。对加热装置控制模块有以下两种方案： 方案一：采用可控硅来控制加热器有效功率。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。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。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。但可以由多路加热丝组成功 率控制，由单片机对温差的处理实现分级功率控制提高系统动态性能。基于以上分析以及现有器件限制选择方案二，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。 （ 3）温度采集模块 题目要求温度静态误差小于等于 温度信号为模拟信号，本设计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方案： 方案一：利用热电阻传感器作为感温元件，热电阻随温度变化而变化，用仪表测量出热电阻的阻值变化，从而得到与电阻值相应的温度值。最常用的的是铂电阻传感器 ，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 铂电阻随温度变化的转换为 4 20形变化电路，再将电流信号转化为电压信号，送到 A/ 方案二：采用温度传感器 好的非线性保证 测量精度。加上软件非线性补偿可以实现高精度测量。 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。送入 8为 A/以获得 255级的精度，基本满足题目要求。 方案三：采用 数字温度传感器 需其他外加电路，直接输出数字量。可直接与单片机通信，读取测温数据，电路简单。如图 示 。 2 图 温电路 基于以上分析和现有器件所限，温度采集模块选用方案三。 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 出的信息或写入 信息仅需要一根口线（单线接口）读写 ,因而使用 使系统结构更趋简单，可靠性更高。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。 （ 4）键盘与显示模块 根据题目要求，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方案： 方案一：采用液晶显示屏和通用矩阵键盘。液晶显示屏（ 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：采用三位 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，对外界环境要求较低。同时数码管采用 序编译容易，资源占用较少。 根据以上论述，采用方案二。本系统中，采用了数码管的动态显示，节省单片机的内部资源。 统各模块的最终方案 根据以上分析，结合器件和设备等因素，确定如下方案： 1. 采用 片机作为控制器，分别对温度采集、 度设定、加热装置功率控制。 2. 温度测量模块采用 数字温度传感器 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 3 图 系统基本框图 系统的基本框图如图 示。 9先写入命令给 后换后通过 89据处理后的结果就显示到数码管上。 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。以箭头是双向的 。 2. 硬件设计与实现 统 硬件 模块关系 本系统的执行方法是循环查询执行的，键盘扫描也是用循环查询的办法，由于本系统对实时性要求不是很高，所以没有用到中断方式来处理。 各模块关系图如图 码管 继电器 盘输入 4 图 统 硬件 模块关系 图 要单元电路的设计 度采集部分设计 本系统采用 半导体温度传感器作为敏感元件。传感器我们 采用了 总线可编程温度传感器 ,来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 。 用广泛，性能可以满足题目的设计要求。 测温电路如图 单片机初始话模块 继电器控制模块 温度调整模块 到温度值，存放到 处理温度值，换算成 温度显示模块 5 图 （ 1） 测温功能的实现： 其测温电路的实现是依靠 单片机软件的编程上。 当 始启动转换。转换完成后的温度值就以 16 位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的 0， 1 字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格 式以 0 062 5 度值格式如 表 中 “S” 为标志位，对应的温度计算：当符号位 S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当 S=1时，先将补码变换为原码，再计算十进制值。 成温度转换后，就把测得的温度值与 比较，若 T - 存储器操作命令 - 处理数据 初始化 单总线上的所有处理均从初始化开始 作 命 令 总线主机检测到 作命令之一这些命令如 表 表 作命令表 指令 代码 6 33H 配 55H 过 索 警搜索 ) 存储器操作命令 如表 表 存储器操作命令表 指令 代码 暂存存储器 ) 4暂存存储器 ) 制暂存 存储器 ) 48H 度变换 ) 44H 新调出 ) 电源 ) 3）温度转换算法及分析 由于 换后的代码并不是实际的温度值，所以要进行计算转换。温度高字节（ 5位是用来保存温度的正负（标志为 S 的 高字节（ 3位和低字节来保存温度值（ 其中低字节（ 低 4位来保存温度的小数 位（ ）。由于本程序采用的是 数部分的值，可以用后四位代表的实际数值乘以 到真正的数值，数值可能带几个小数位，所以采取小数舍入，保留一位小数即可。也就说，本系统的温度精确到了 算法核心：首先程序判断温度是否是零下，如果是，则 存的是温度的补码值，需要对其低 8位（ 反加一变成原码。处理过后把 面已经是温度值的 后转换 别把小数位，个位， 十位的 热控制部分 由于本系统要控制电热丝加热，功率较大，因此要借助功率电路。在器件选择上留足余量，增加安全性。加热部分采用继电器控制，电路简单可靠。电路如图 当实测温度低于设定值时，由单片机输出高电平信号。三极管 9014导通，继电器开始工作对水加温。为了防止继电器频繁动作。在软件中对水温测量精确到 而在温度设定时只取整数。可以有 1的余量。 当设定温度低于实测温度时为了加快系统动态响应速度，设置一个小功率电扇，加速水温的降低。使系统整体性能得以提 高。原理图如图 盘、显示、控制器部分 本设计中采用动态显示方式驱动 3个七段数码管，分别显示温度的十位、个位和小数位。数码管采用共阴极，由于 片机每个 I/O 的拉电流只有 1 2以在位码和段码都加上了同相驱动器。 单片机 2供系统时钟基值。另 7 理图如图 图 继电器控制 图 风扇控制图 8 图 显示、控制器部分原理图 3. 系统软件设 计 系统的软件设计采用汇编语言，对单片机进行变成实现各项功能。 主程序对模块进行初始化，而后调用读温度、处理温度、显示、键盘、和继电器各模块。 用的是循环查询方式，来显示和控制温度。 取 程序 每次对 行。 初始化 - 存储器操作命令 - 处理数据 程序流程图如图 据处理子程序 由于 换后的代码并不是实际的温度值，所以要进行 数据处理 。由于本程序采用的是 度，小数部分的值，可以用后四位代表的实际数值乘以 到真正的数值，数值可能带几个小数位，所以采取 四舍五入 ，保留一位小数即可。也就说，本系统的温度精确到了 首先程序判断温度是否是零下，如果是，则 存的是温度的补码值，需要对其低 8位（ 反加一变成原码。处理过后把 面已经是温度值的 后转换 别把小数位，个位，十位的 数据处理子程序流程图如图 9 图 取 度 子程序流程图 图 据处理子程序流程图 程序流程图 返回 数据传递 温度是否为负？ 转换 求补运算 开始 开始初始化 在？ 作命令 存储操作命令 读取温度值 返回 是 否 10 总模块流程图如图 示。本软件设计采用循环查询来处理各个模块，温度是缓慢变化量所以可以满足性能要求。 图 图 程序流程图 否 初始化 开始 调用 A/D 转换子程序 数据处理子程 序 显示子程序 键盘扫描子程序 继电器控制子程序 错误处理显示 888 是 11 4. 系统测试 态温度测试 测试方式 ：由于种种条件的限制，采用模拟加热方式进行测试。利用继电器的指示灯来显示继电器的动作。红灯表示加热，绿灯表示降温。 测量仪器：空调温度显示屏 测试结果如表 示： 表 测试结果数据 标准温度 / 20 22 25 27 28 测量温度 / 差 / 测试方式：加热方式用体温对传感器 定控制温度，记录超调温度，稳态误差。超调温度与加热的功率有关， 这里不再测量。 测量仪器：空调温度显示屏 测量结果如表 表 测试结果数据 设定温度 / 29 30 33 35 超调温度 / 态误差 / 有以上的测量结果可见，系统基本上达到了所要求的指标，静态测温的精度主要由 在控温指标中，影响系统的性能的因素很多。最关键的是加热系统本身的物理性质及控制算法。由于条件的限制，在本设计中采用体温进行测试。 附录 1： 产品使用说 明 12 本温度控制系统能在 0 99 范围内设定任意温度值，超出此范围将有 出错显示 888，之后返回到 99或 0。通过按 确认开始温度设定； P 键为加 1键，每按一次使设定温度值加 1 为减 1 键，每按下一次设定温度值减 1。设置完温度要在按 后显示实测温度值。当温度传感器没有接入时也将有出错提示显示 888。 附录 2： 元件清单 元 件 单价 数 量（个） 单价 1 1 7404 6 12振 1 继电器 1 数码管 3 9014 2 1 2 发光二极管 2 1K 8 排阻 1 100电阻 3 3 4 1 500 1 200 1 电解电容 10 F 1 30 2 插槽 面包板 13 附录 3 ： 系统硬件原理图 附录 4：软件程序清单 9H 28H 38H 00H 3H 13H 0H A 14 4H,#0 5H,#0 6H,#9 7H,#0 3 107 25H 117 0,$ B ,#0,#44H ,#0,#015 2,#8 3,#6 3,$ 3,#23 3,$ 2, 4,#4 1,#29H 2,#8 3,#9 3, 23 3, 2, 1 4,#80H , ,#1 16 , ,#0 3H,#03H,#0,#0,A+0H,A ,#0 ,#0 ,2,#100 B 23H,A ,#10 ,B B 2H,A 1H,B ,73H ,#0,#1,72H ,#0,73H 2H,A 3H,#0,1,1,2,3,3,4,4,5,6,6,7,8,8,9,9 1,#70H 0,#74H 5,#01,#0,17 2,A ,A+1,A ,A+0,A ,B 1 0 ,L A 5,A ,73H ,#1,72H ,#02H,#0