单机片温度控制系统设计方案

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1、单机片温度控制系统设计方案1. 系统方案选择和论证1.2 系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1.2.1所示。为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。1.2.1各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1.2.1系统基本模块方框图方案一：采用FPGA作为系统控制器。FPGA功能强大，可以实现各种复杂的逻辑功能， 规

2、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EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。FPGA采用并行的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FPGA程序对其进行处理，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，FPGA的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PID控制系统。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。方案三：采用 ATMEL公司的AT89C52作为系统控制器。单片机算术

3、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AT89C52作为控制核心，对温度采集 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

4、：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

5、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 0.2 C,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

6、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XTR101将铂电阻随温度变化的转换为420mA线形变化电路，再将电流信号转化为电压信号，送到A/D转换器一一ADC0809.即将模拟信号转换为数字信号。该方案线性度优于 0.01 。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 C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。送入8为A/D转换器，可以获得

7、 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DS18B20 DS18B20为数字式温度传感器，无需其他外加电路，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1.2.2 所示。VCDJ至单片机DS18B201 DATA J-图1.2.2 DS18B20测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。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912位的数字值读数方式。并且从 DS18B20读出的信息或写入 DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口） 读写，因而使用DS18B20可使系统结构更趋

8、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（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 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

9、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BCD编码显示数字，程序编译容易，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，节省单片机的部 资源。1.2.2系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AT89C52单片机作为控制器，分别对温度采集、LED显示、温度设定、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

10、示用LED数码管显示实时温度值，用 ENTER UP DOW三个单键实现温度值的设In putDS18B20AT89C52键盘输入Output图1.2.3 系统基本框图系统的基本框图如图 1.2.3 所示。CPU(AT 89C52)首先写入命令给DS18B2Q然后DS18B20开始转换数据，转换后通过89S52来处理数据。数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。 DS18B2Q可以被编程，所以箭头是双向的。2. 硬件设计与实现2.1系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

11、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2.1.1所示。图2.1.1统硬件模块关系图2.2主要单元电路的设计221温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DS18B20单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。DS18B20应用广泛，性能可以满足题目的设计要求。DS18B20的测温电路如图2.2.1所示。VCCP3.02DS18B20图2.2.1 DS18B20 测温电路（1）DSI8B20的测温功能的实现：其测温电路的实现是依靠单片机软件的编程上。当DSI8B20

12、接收到温度转换命令后，开始启动转换。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 5C/LSB形式表示。温度值格式如表 2.2.1所示，其中“ 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。DSI8B20完成温度转换后，就把测得的温度值与TH做比较，若TTH或T RoM操作命令- 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 ROM操作命令总线主机检测到 DSI820

13、的存在便可以发出 ROM操作命令之一这些命令如表222所示表2.2.2 ROM操作命令表指令代码Read ROM读 ROM）33HMatch ROM（匹配 ROM）55HSkip ROM（跳过 ROMCCHSearch ROM（搜索 ROM）F0HAlarm search（告警搜索）ECH 存储器操作命令如表2.2.3 所示表2.2.3存储器操作命令表指令代码Write Scratchpad（与暂存存储器）4EHRead Scratchpad（读暂存存储器）BEHCopy Scratchpad（复制暂存存储器）48HCon vert Temperature（ 温度变换）44HRecall EP

14、ROM（重新调出）B8HRead Power supply（ 读电源）B4H（3）温度转换算法及分析由于DS18B20转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（MSByte ）高5位是用来保存温度的正负（标志为 S的bitllbit15 ）,高字节（MSByte ） 低3位和低字节来保存温度值（bit0 bit10 ）。其中低字节（LS Byte ）的低4位来保存温 度的小数位（bit0 bit 3）。由于本程序采用的是0.0625的精度，小数部分的值，可以用后四位代表的实际数值乘以0.0625，得到真正的数值，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0.1度。算法核心：首先程序判断温度是否是零下，如果是，则DS18B2 0保存的是温度的补码值，需要对其低 8位（LS Byte ）取反加一变成原码。处理过后把DS18B20的温度Copy到单片机的RAM中，里面已经是温度值的Hex码了，然后转换 Hex码到BCD码，分别把小