基于80c52单片机的数字电加热恒温控制系统设计(编辑修改稿)

基于80c52单片机的数字电加热恒温控制系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

.......................................................4 附录 2 ....................................................................................................................5沈 阳工业大学本科生毕业论文 1 第 1章 绪论 温度控制系统设计的背景、发展历史及意义 随着技术的不断发展 ， 以及温度控制在各个领域的广泛应用应用 ， 智能化的温度控制系统已成为研究发展的方向 [1]。 尤其近年来 ， 在我们生活得各个领域温度控制系统都取得了广泛的应用 ， 可是温度控制领域却一直没有得到很好的开 发 ， 针对这种情况 ， 设计一个简单适用的温度控制系统 ， 具备普遍的使用前景与实际意义。 温度是科学研究中占有重要的地位 ， 物理、化学、生物等学科与温度都息息相关。 近年来的实验研究中 ， 像电力领域、化工领域、石油领域、冶金领域、航空控制领域、机械设备制造领域、粮食存储领域、酒场生产领域内 ， 温度的控制往往是该领域生产过程中最重要的控制指标之一 [2]。 例如 ， 发电厂中锅炉的温度只能控制在我们需要的范围之内；许多化学反应的条件是适当的温度下；炼油过程中 ， 原油的提炼也是在温度和压力不同的条件下提炼出汽油、柴油、煤油等。 如果没有标 准的温度状态 ， 很多的电子设备很难正常运行 ， 如果没有合适的温度 ， 那些农民种出来的粮食就很容易变质 ， 靠其生产的酒类的品质也就没有了保障。 所以 ， 温度对于各行各业都非常重要。 目前单片机广泛的应用于各类电子产品 ， 当前的电子设备中大量的使用温度检测与温度控制系统。 随着温度控制器应用范围的扩大和需求的多样 ， 各种智能 的 温度控制系统被人们开发。 温度控制系统的目的 设计的温度控制系统具体的内容有：当给定的温度处于最低状态时 ， 控制系统自动启动半导体制冷器器用来给环境加温 ， 当温度缓慢上升并超过设定的下限值时 ， 温控系统停 止加温；当实际温度高于设定的温度上限值时 ， 报警器报警 ， 同时系统自动启动半导体制冷器给系统降温 ， 使温度降落到上限温度以下。 当温度下降到上限温度以下时 ， 停止降温。 温度在规定的范围内 ， 加温降温系统不工作。 设计的 LED 数字显示当前的 温度 ， 数值精确度为小数点一位。 沈 阳工业大学本科生毕业论文 2 温度控制系统完成的功能 本 系统 设计 目的 是对温度进行 高精度控制与 实时监测 ， 设计的温度控制系统实现了 对温度准确控制 ：当温度低于 给定最低 温度时 ， 控制 系统自动启动 半导体制冷器 器 用来给环境 加温 ， 当温度 逐渐 上升到 给定 下限温度以上时 ， 停止加温；当温度高于设定上限 温度时 ， 报警器报警 ， 同时 系统自动启动 半导体制冷器 给系统 降温 ， 使温度 降落到上限温度以下。 当温度下降到上限温度以下时 ，停止降温。 温度在 规定的范围内 ， 加温降温系统不工作。 LED 即时显示温度 ，精确到小数点一位。 国内外发展现状 随着信息技术的不断进步 ， 人们为了将人类从繁重、危险的 工作环境中解脱出来 ， 对已经有的技术运用到人们生活的各个领域。 随着移动通信需求和远程数据采集量的增加 ， 加之有线传输的费用日益增长 ， 人们正逐渐认识到在许多检测领域采用无线传输的必要性 [4,5]。 在过去的几年中 ， 无线通讯领域取得了很大的进 展 ， 这其中包括数字电路和射频电路制作工艺的进步、低功耗电路、高能电池以及微电子技术的采用。 以上诸多方面的发展使移动通信设备更加灵巧、经济、可靠。 与上述技术一样 ， 数字通信技术和数字调制技术的发展也发挥了很大的作用 ， 他们使无线通信网络向更加经济、更加容易操作的方向发展。 所以如果我们能够很好地了解无线通信的基本原则以及这些技术的特点 ， 就能更好地理解并完成传感数据的无线采集。 无线数据通信技术可分为两大类：一是基于蜂窝的接入技术 ， 如蜂窝数字分组数据 (CDPD)， 通用分组无线传输技术(GPRS) 、 EDGE 等。 二是基 于局域网的技术 ， 如 WLAN、 Bluetooth、IrDA、 HomeRF、微功率短距离无线通信技术等 [6]。 与目前已经具备相当规模的无线长距离通信网络 (如蜂窝移动通信网 )相比 ， 短距离无线通信系统在基本结构、服务范围、应用层次及通信业务 (数据、话音 )上 ， 均有很大的不同。 在 非授权频段上 ， 目前已经云集了蓝牙、 WiFi、 Zigbee 等多个标准无线协议。 ， 具有带宽高（ 2Mbps） ， 双向传输 ， 抗干扰性强 ， 传输距离远（短距离无线技术范围） ， 耗电少的优点 ， 用于无线键鼠等室内场合 [7]。 Nordic 公司等公司已成功推出 nRF401 芯片 ， 全球开发 ISM 频段免许可证使用。 同时许多公司也相继推出基于 nRF401 的无线传输模块。 nRF401 模块是一款新型单沈 阳工业大学本科生毕业论文 3 片射频收发器件 ， 工作于 GHz～ GHz ISM 频段 [8,9]。 内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块 ， 并融合了增强型 ShockBurst 技术 ， 其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。 nRF401 功耗低 ， 在以 6dBm的功率发射时 ， 工作电流也只有 9mA。 接收时 ， 工作电流只有 ， 多种低功率工作模 式 (掉电模式和空闲模式 )使节能设计更方便。 至此这种基于此频段的通信方式已日渐趋向成熟 [10]。 同样随着传感器及电子电路的发展 ， 集成的温度检测器件的完善性及集成性也得到了大大的提高。 类似美国 DALLAS 公司推出的数字测温芯片 DS18B20层出不穷 ， 国内外的研究在这方面的研究也趋近完善 [13]。 进入 21 世纪后 ， 智能温度控制器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟温度控制器和网络温度控制器、研制单片测温控温系统等高科技的方向迅速发展。 （ 1） ．提高温度控制器测温精度和分辨力 在 20 世纪 90 年代中期最早推出的智能温度控制器 ， 采用的是 8 位 A/D 转换器 ， 其测温精度较低 ， 分辨力只能达到 2176。 C。 目前 ， 国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度 传感器 ， 所用的是 9~12 位 A/D 转换器 ， 分辨力一般可达 ~176。 C。 为了提高多通道智能 温控器 的转换速率 ， 也有的芯片采用高速逐次逼近式 A/D 转换器 [11]。 （ 2） ．增加温度控制器测试功能 新型智能温度控制器的测试功能也在不断增强。 例如 ， 采用 DS1629 型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（ RTC） ， 使其功能更加完善。 DS1624还增加了存储功能 ， 利用芯片内部 256 字节的 E2PROM 存储器 ， 可存储用户的短信息。 另外 ， 智能温度控制器正从单通道向多通道的方向发展 ， 这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件 [15,16]。 智能温度控制器都具有多种工作模式可供选择 ， 主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式 ， 有的还增加了低温极限扩展模式 ， 操作非常简便。 对某些智能温度控制器而言 ， 主机 (外部微处理器或单片机 )还可通过相应的寄存器来设定其 A/D 转换速率 ， 分辨力及最大转换时间。 本章小结 本系统介绍的设计是用于日常生活较常用的系统来实现温度的无线控制 ，沈 阳工业大学本科生毕业论文 4 可以实现当前温度的测量并显示当前的温度值 ， 同时可实现对需求温度的调节。 该设计的优点在于控制简单方便 ， 也充分利用了单片机的控制优势。 沈 阳工业大学本科生毕业论文 5 第 2章 总体设计方案 温湿度的检测有许多方法 ， 可供选择的器件和运用的技术也有多种。 因此 ，系统的总体设计方案应在满足系统整体性能指标的前提下 ， 充分考虑系统使用的环境 ， 所选的结构要尽量简单实用、易于实现 ， 器件的选用要着眼于合适的参数、稳定的性能、较低的功耗、低廉的成本以及较好的互换性能。 方案的 系统构想 本系统设计的目的在于控制花房温度。 能够在远距离控制温度。 为了达到目 的应该有如下几个模块： 收发模块；温度采集模块；制冷加热模块；中央处理模块；温度报警模块；显示模块。 实现方案设想：温度采集模块将温度信号采集经过转换将温度信号传给 cpu， 并由收发电路发送给中央处理单元 ， 如果温度不在给定范围之内 ， 报警器报警。 同时单片机发出指令给半导体制冷加热器件调整温度。 以控制温度在合理的范围内 ， 达到对温度的控制目的。 系统方案的确定 传感器方案 传统的模拟式传感器具有测量转换速度快 ， 温度测量范围宽的优点。 但是模拟传感器的模拟信号需要先经过取样、放大和模数转换电路处理 ， 再将 转换得到的表示温湿度值的数字信号交由微处理器或 DSP 处理。 被测信号从敏感元件接收的非电物理量开始 ， 到转换为微处理器可处理的数字信号之间 ， 设计者须考虑的线路环节较多 ， 相应测试装置中元器件数量难以下降 ， 随之影响产品的可靠性及小型化。 而且模拟信号在长距离传输过程中 ， 容易受到电磁干扰而导致误差产生。 在多点温湿度检测的场合 ， 各被测点到测试装置之间引线距离往往不同 ， 各敏感元件参数的不一致性 ， 都将会导致误差的产生 ， 并且难以完全清除。 另外 ， 模数转换系统的精度也不可能很高 ， 存在一定非线性 ， 互换性较差。 采用具有直接数字量 输出的传感器能够避免上述问题。 数字式传感器能把被测模拟量直接换成数字量输出 ， 可以直接与数字设备（计算机 ， 计数器 ， 数沈 阳工业大学本科生毕业论文 6 字显示系统等）相联 ， 用微控制器、 DSP 或计算机进行信号的处理、滤波、压缩。 它的信号原则上不受放大器和信号处理系统的温度漂移的影响 ， 具有极高的抗干扰能力 [17][18]。 数字式传感器具有高的测量精度和分辨率 ， 稳定性好 ， 信号易于处理、传送和自动控制 ， 便于动态及多路测量 ， 读数直观 ， 安装方便 ，维护简单 ， 工作可靠性高。 虽然存在反应速度较慢 ， 温度测量的范围不宽的缺点 ， 数字式传感器技术的发展仍受到人们越来越 多的重视。 考虑系统的经济性和温湿度传感器的优缺点及发展状况 ， 确定温度传感器采用数字式。 短距离无线通信模块方案 蓝牙技术作为一种近距离无线连接的全球性开放规范 ， 已经得到了全球众多大企业的支持。 蓝牙技术同时支持语音和数据传输 ， 使用跳频扩频技术 ， 本身包括纠错机制 ， 可靠性高 ， 蓝牙规范的核心部分协议允许多个设备进行相互定位、连接和交换数据 ， 并能实现互操作和交互式应用。 但是蓝牙设备价格昂贵 ， 通讯距离近 ， 蓝牙 RF 定义了三种功率等级（ 100mw、 25mw 和 1 mw） ，当蓝牙设备功率为 1 mw 时 ， 其发 射范围一般为 10m[19]。 红外线传输是使用红外线波段的电磁波来进行较近距离的传输。 IrDA 具有技术成熟、体积小、功率低、传输速率高、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、保密性强、成本低廉等优点。 也存在着只能视距传输、移动时不能传输、LED 易磨损等缺点。 随着大规模集成电路技术的发展 ， 世界上主要的芯片厂商都推出了无线收发芯片。 短距离无线通信系统的大部分功能都集成到一块芯片内部 ， 一般使用单片数字信号射频收发芯片 ， 加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块。 所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集 成在芯片内部 ， 一致性良好 ， 性能稳定且不受外界干扰。 射频芯片一般采用 FSK 调制方式 ， 工作于 ISM 频段 ， 通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议 ， 发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成 ， 用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解 ， 只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。 新一代短距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点 ， 而且开发简单快速 ， 可以方便地嵌入到各种设备中 ， 实现设备间的无线连接 ， 因此 ， 较适合搭建小型网络 ， 在工业、民用领域得 到较为广泛的应用 [20]。 考虑系统的经济性、传输距离 ， 确定该部分沈 阳工业大学本科生毕业论文 7 电路设计使用无线收发芯片。 无线收发芯片的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强 ， 通讯协议简单透明 ， 技术成熟。 使用该种方案无线通讯接口与数据采集系统接口电路设计简单。 系统控制及数据处理模块方案 温度数据在采集后通常要进行数据处理 ， 以实现测量数据的记录、显示和对测控系统的控制。 对于一般的工业测量与控制 ， 多采用专用计算机系统进行测控。 专用计算机系统是把采集系统作为一个独立完整的功能实体 ， 用单片机或 DSP 来控制整个系统。 最主要的特征是系统 软、硬件规模完全根据应用系统的要求配置 ， 独立性、可扩展性好 ， 因此系统具有较高的性价比。 根据微处理器的不同 ， 专用计算机应用系统可分为 DSP 应用系统和单片机应用系统 [21,22]。 DSP 和单片机都是构成专用计算机系统的核心芯片 ， DSP 主要用于复杂的数字信号处理 ， DSP 芯片中具有各种特殊功能的计算模块。