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1、上海应用技术学院电气与电子工程学院毕业设计（论文）开题报告题目： 基于单片机的温度控制系统硬件设计专 业 电气工程及其自动化班 级 11103212 学 号 1110321213 姓 名 张扬指 导 教 师 蒋文萍2015年 1 月 16 日电气与电子工程学院 毕业设计（论文）开题报告1 本课题的目的和意义、国内外研究现状、水平和发展趋势1.1 课题的目的和意义单片机在检测和控制系统中得到广泛的应用, 温度则是系统常需要测量、控制和保持的一个量。 本课题设计从硬件方面介绍了AT89C51单片机温度控制系统的设计。 单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛,并且在很多电子产品中也将其用到温度检测和
2、温度控制。为此在本文设计了基于ATMEL公司的 AT89C51的温度测量系统。 这是一种低成本的利用单片机 I/O口实现的温度检测电路。 本课题拟采用智能控制器直接控制风扇，实现电吹风及电扇的无极连续控制。节约电能，实现温度的精确控制。 具有很好的市场发展前景。1.2 国内外研究现状与水平国内外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。目前社会上温度控制大多采用智能调节器，国产调节器分辨率和精度较低，温度控制效果不是很理想，但价格便宜，国外调节器分辨率和精度较高，价格较贵。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表并在各行
3、业广泛应用。它们主要具有如下的特点：一是适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制；-是能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制；三是能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制；四是温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛；五是温控器普遍具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化；六是具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。1.3 发展
4、趋势目前，国内外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。2 文献查阅、调研情况2.1 文献综述查文献可知温度控制算法主要有： PID控制算法1，作者李科在控制理论与控制工程中指出P就是比例，就是输入偏差乘以一个系数；I就是积分，就是对输入偏差进行积分运算；D就是微分，对输入偏差进行微分运算。作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。 优点：简单易懂，使用中不需精确的系统
5、模型等先决条件，提高了系统的稳定性；缺点：在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作得不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。模糊控制算法2，作者方志明在控制理论与控制工程中指出所谓模糊控制,就是在控制方法上应用模糊集理论、模糊语言变量及模糊逻辑推理的知识来模拟人的模糊思维方法,用计算机实现与操作者相同的控制。该理论以模糊集合、模糊语言变量和模糊逻辑为基础,用比较简单的数学形式直接将人的判断、思维过程表达出来,从而逐渐得到了广泛应用。 优点：简化系统设计的复杂性，特别适用于非线性、时变、模型不完全的系统上。利用控制法则来描述系统变量间的关
6、系；不用数值而用语言式的模糊变量来描述系统，模糊控制器不必对被控制对象建立完整的数学模式；模糊控制器是一语言控制器，使得操作人员易于使用自然语言自然语言进行人机对话；模糊控制器是一种容易控制、掌握的较理想的非线性控制器，具有较佳的适应性及强健性(Robustness)、较佳的容错性(FaultTolerance)。缺点：模糊控制的设计尚缺乏系统性，这对复杂系统的控制是难以奏效的。所以如何建立一套系统的模糊控制理论，以解决模糊控制的机理、稳定性分析、系统化设计方法等一系列问题；如何获得模糊规则及隶属函数即系统的设计办法，这在目前完全凭经验进行；信息简单的模糊处理将导致系统的控制精度降低和动态品质
7、变差。若要提高精度则必然增加量化级数，从而导致规则搜索范围扩大，降低决策速度，甚至不能实时控制；如何如何解决模糊控制中关于稳定性和鲁棒性问题。自适应算法3，作者李毅在通信与信息系统中指出通信与信息系统自适应控制可以看作是一个能根据环境变化智能调节自身特性的反馈控制系统以使系统能按照一些设定的标准工作在最优状态。一般地说，自适应控制在航空、导弹和空间飞行器的控制中很成功。 优点： 适合没有大时间延迟的机械系统。 缺点： 需要复杂的离线训练；辨识所需的充分激励信号和系统平稳运行的矛盾；对系统结构假设；实际应用中，模型的收敛性和系统稳定性无法保证。另外，传统自适应控制方法中假设系统结构的信息，在处理
8、非线性、变结构或大时间延迟时很难。遗传算法4，作者王银年在计算机应用技术中指出遗传算法（Genetic Algorithm）是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。优点：遗传算法的整体搜索策略和优化搜索方法在计算时不依赖于梯度信息或其它辅助知识，而只需要影响搜索方向的目标函数和相应的适应度函数，所以遗传算法提供了一种求解复杂系统问题的通用框架，它不依赖于问题的具体领域，对问题的种类有很强的鲁棒性，所以广泛应用于许多科学。缺点：编码不规范及编码存在表示的不准确性；单一的遗传算法编码不能全面地将优化问题的约束表示出来。考虑约
9、束的一个方就是对不可行解采用阈值，这样，计算的时间必然增加；通常的效率比其他传统的优化方法低；容易过早收敛；对算法的精度、可行度、计算复杂性等方面，还没有有效的定量分析方法。2.2 调研情况通过上网调查可知现在温度控制的主要产品有：台湾台松TESHOW EM系列温控器，日本理化株式会社RKC温控器等。具体参数以日本理化株式会社RKC的CD901温控器为例，其参数为：尺寸：96*96 纵深100，约340g1.测温热电阻输入：PT100、JPT1002.支流电压：DC0DC5V，DC1DC5V3.支流电流：DC020MA，DC420MA （需250欧外部电阻）多种报警类型：上限输入值、下限输入值
10、、上限偏差、下限偏差、上下限偏差、范围内上限设定值、下限设定值（可附带待机动作）取样周期：0.5s测量精度：热电偶：（显示值的0.3%+1digit）或 2度测温电阻：（显示值的0.3%+1digit）或 0.8度支流电压/电流输入： （显示值的0.3%+1digit）（DC0/12V）允许负载电阻600，用于驱动TRIAC（三端双相可控硅）的触发输出：触发方式零交叉方式，实行导通电流：50ma（50度），70ma（25度）用于零交叉方式中容量TRIAC（用于驱动100a以下的负载）*加热/冷却型的场合不可TRIAC（三端双向可控硅）输出：额定值0.5a（周围温度40度以下）相关文献资料金凯鹏
11、，胡即明提出了基于模糊PID 算法远程温度控制算法，针对实时温度控制对象, 算法远程温度控制系统是一套远程控制系统,并结合了模糊PID控制算法,利用其电路组成和设计原理,实现了对远程温度系统的监视和控制功能.采集端主要实现温度采集、数码显示、温度设定、无线编码发射、加热开关控制等功能;监控部分主要实现无线解码接收、温度显示、报警等功能模块.本系统实现了实时控制与无线传输结合；王晓员针对目前许多塑料反应炉温度控制不准确的现状,进行了基于MCS-51系列单片机多点温度控制的硬件构建的设计.采用数字化温度传感器DS18820,TLC2543型号的12位开关电容运次逼近模数A/D转换器.成本低、可靠性
12、高 ； 王芳利用单片机实现温度智能控制，温度控制系统是一个闭环反馈控制系统,它是用温度传感器将检测到实际炉温A/D转换,送入到计算机中,与设定值进行比较,得出偏差.对此偏差按PID算法进行修正,求得对应的控制量控制可控硅驱动器,调节电炉的加热功率,从而实现对炉温的控制；李晓伟，郑小兵，周磊，李建军提出了基于单片机的精密温控系统设计。基于单片机的精密温控系统是一种基于单片机的精密温控系统.该系统采用单片机为核心控制部件进行PID运算,数字式温度传感器DS18B20芯片测量温度,大功率放大器OPA548驱动半导体致冷器TEC实现温度控制,精度达到0.1.关键字;单片机;温度控制;PID控制；在储海
13、兵，谭功全，曹亢，任善荣提出的单片机温度控制实验系统中，以单片机AT89C51为核心的温度控制实验系统.它使用一线制数字温度传感器DS18B20采集温度,经过PID算法计算输出PWM波控制固态继电器调节热阻丝发热功率,最终控制被控对象温度.另外,该系统还扩展了人机接口和串口通信.整个系统不但成本低廉、而且使用和扩展方便,为广泛深入应用提供了借鉴3 本课题的基本内容、重点、难点3.1 本课题的基本内容设计一个基于单片机的控制系统，当环境温度低于某下限值时，电吹风开始工作，当环境温度高于某设定值时，风扇开始工作。环境温度的上下限值可调。并且可以依据环境温度的高低，自动地调整风扇或电吹风的转速。即温
14、度偏离设定温度区间越大，则风扇或电吹风转速越快，并且要无级变速。硬件图C518温度检测模块驱动模块温度液晶显示模块按键模块3.2 本课题的重点难点51单片机与电机之间采用何种方式连接，如何做到无极调速，如何依据外界温度的变化而自动调节风扇或电吹风的转速。另外，温度控制系统普遍存在大延时、纯滞后的特性，被控对象的这种特性会降低系统的稳定性等。3.3 拟采取的方法和技术暂时拟采用pwm占空比原理来实现风扇的无级调速.具体是通过事先编好的c语言程序及时将温度传感器ds18b20测到的数据通过某种软件算法与设定温度进行比较后，在c51的p3.2或p3.3口得出相应的pwm波形，随后通过光耦合器排除干扰
15、，再输入三极管的基级，通过控制三极管的基级，使24v直流也输出一个pwm波形来控制电机的转速大小。原理图如下+220V交流光耦整流装置+24VPWM波M使用文档中的独特引言吸引读者的注意力，或者使用此空间强调要点。要在此页面上的任何位置放置此文本框，只需拖动它即可。3.4 选择的工具硬件部分AT89C51型单片机开发板，AC-DC整流模块, 光耦合器,直流电机等AT89C51简介AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机
