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1、 1 引言1.1 课题研究的目的和意义当今社会，温度测量系统被广泛的应用于社会生产、生活的各个领域。在工业、环境检测、医疗、庭等多方面均有应用。同时单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛。在很多电子产品中也将其用到温度检测和温度控制。目前温度测量系统种类繁多，功能参差不齐。有简单的应用于家庭的如空调，电饭煲、太阳能热水器，电冰箱，等家用电器的温度进行检测和控制。采用AT89S51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，为自动化和各个测
2、控领域中广泛应用的器件，在日常生活中成为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。因此，单片机对温度的控制问题是一个日常生活中经常会遇到的问题。本论文以上述问题为出发点，设计实现了温度实时测量、显示、控制系统。以AD590为采集器，89S51为处理器，空调相应电路为执行器来完成设计任务提出的温度控制要求。设计过程流畅，所设计的电路单元较为合理。该设计在硬件方案设计，单元电路设计，元器件选择等方面较有特色。1.2 温度控制系统的国内外现状通过网上查询、翻阅图书了解到目前国内外市场以单片机为核心的温度控制系统很多，而且方案灵活，且应用面比较广，可用于工业上的加热炉、热处理炉、反应炉，
3、在生活当中的应用也比较广泛，如热水器，室温控制，农业中的大棚温度控制。以上出现的温度控制系统产品，根据其系统组成、使用技术、功能特点、技术指标。选出其中具有代表性的几种如下：1 虚拟仪器温室大棚温度测控系统在农业应用方面虚拟仪器温室大棚温度测控系统是一种比较智能，经济的方案，适于大力推广，改系统能够对大棚内的温度进行采集，然后再进行比较，通过比较对大棚内的温度是否超过温度限制进行分析，如果超过温度限制，温度报警系统将进行报警，来通知管理人员大棚内的温度超过限制，大棚内的温控系统出现故障，从而有利于农作物的生长，提高产量。本系统最大的优点是在一台电脑上可以监测到多个大棚内的温度情况，从而进行控制
4、。该系统LabVIEW虚拟仪器编程，通过对前面板的设置来显示温室大棚内的温度，并进行报警，进而对大棚内温度进行控制。该系统有单片机，温度传感器，串口通信，和计算机组成。计算机主要是进行编程，对温度进行显示、报警和控制等；温度传感器是对大棚内温度进行测量，显示；单片机是对温度传感器进行编程，去读温度传感器的温度值，并把半温度值通过串口通信送入计算机；串口通信作用是把单片机送来的数据送到计算机里，起到传输作用7。2 电烤箱温度控制系统该方案采用美国TI公司生产的FLASH型超低功耗16位单片机MSP430F123为核心器件，通过热电偶检测系统温度，用集成温度传感器AD590作为温度测量器件利用该芯
5、片内置的比较器完成高精度AD信号采样，根据温度的变化情况，通过单片机编写闭环算法，从而成功地实现了对温度的测量和自动控制功能。其测温范围较低,大概在0-250之间，具有精度高，相应速度快等特点。3 小型热水锅炉温度控制系统该设计解决了北方冬季分散取暖采用人工定时烧水供热，耗煤量大，浪费人力，温度变化大的问题。设计方案硬件方面采用MCS-51系列8031单片机为核心，扩展程序存储器2732，AD590温度检测元件测量环境温度和供水温度，ADC0809进行模数转换，同向驱动器7407、光电耦合器及9103的功放完成对电机的控制。软件方面建立了供暖系统的控制系统数学模型。本系统硬件电路简单,软件程序
6、易于实现。它可用于一台或多台小型取暖热水锅炉的温度控制,可使居室温度基本恒定,节煤,节电,省人力。1.3 温度控制系统方案结合本设计的要求和技术指标，通过对系统大致程序量的估计和系统工作速度的估计，考虑价格因素。选定AT89S51单片机作为系统的主要控制芯片，8位模数转换器AD0809，采用AD509进行温度采集，温度设定范围为-10 45，通过温度采集系统，对温度进行采集并作A/D转换，再传输给单片机。以空调机为执行器件，通过单片机程序完成对室内温度的控制。1.4 论文的主要任务和所做的工作本论文主要是完成一种低成本、低价格、功能齐全、及温度测量、温度显示、温度控制于一体的单片机温度控制系统
7、的理论设计。包括硬件电路和主要的软件设计。研究的关键问题是：室温的精确测量；温度采集器AD590温度控制电路设计；单片机与A/D转换电路、显示电路以及软件设计。根据本设计所要完成的任务本论文完成了如下工作：1介绍了研究和设计的背景和意义，调查并综述了当前温度控系统市场的国内外现状，2 提出了符合设计要求的高精度温度控制系统方案，并阐述了其工作原理。3 完成了硬件电路的设计，它包括温度采集系统电路；包含89S51单片机，模数转换器ADC0809等芯片的接口电路；通过AD590实现的温度控制采集电路;键盘接口和LED显示电路。4 基本完成了软件部分设计，它包括主程序流程图，A/D转换子程序，显示子
8、程序，主程序清单。2 单片机温度控制系统总体方案设计及原理2.1系统的主要要求（1）温度设定范围为-10 45，最小区分温度为1，标定温差小于等于1。（2）用二位十进制数码显示当前温度。（3）能根据设定的温度实现加热或降温处理。（由于元器件和设计成本问题，在本设计中加热和降温处理电路由发光二极管代替）（4）设计出控制系统电路单元。2.2系统的工作原理在温控系统中，需要将温度的变化转换为对应的电信号的变化，选用89S51单片机为中央处理器，通过温度传感器对空气进行温度采集，将采集到的温度信号传输给单片机，再由单片机控制显示器，并比较采集温度与设定温度是否一致，然后驱动空调机的加热或降温循环对空气
9、进行处理，从而模拟实现空调温度控制单元的工作情况。工作流程说明如下：开始，先接通电源，三段数码管显示器就自动显示出当前温度，并且显示出设置温度的缺省值000。按下S1按键，功能转换键，按此键则开始键盘控制。此时可以通过键盘输入预设置的温度。按下S2加，按此键则温度设定加1度。按下S3减，按此键则温度设定减1度。S4复位键，使系统复位。就这样通过温度芯片的反馈信息，实现温度保持在设置温度上，从而达到自动控制温度的功能。2.3 系统的主要技术指标测温范围 ：-55- +100 温度分辨率：0.5VLED显示位数：32.4 系统的总体结构系统的硬件电路有温度传感器、A/D转换、LED显示等部分组成，
10、总体方案结构见图2-1所示（加热）输入部分显示部分驱动控制驱动控制（制冷）温度传感器空气89S51A/D转换器图 2-1 空调温度控制单元结构图实现方案的技术路线为：用按钮输入标准温度值，用LED实时显示环境温度，用驱动电路控制完成加热和制冷调节。用汇编语言完成软件编程。 3 温度控制系统硬件单元方案设计与选择硬件设计部分将先寻找电源电路最合适的设计方案，在进行单元电路设计。最后介绍所用到的两个特殊元件。3.1 温度传感部分要求对温度和与温度有关的参量进行检测，应考虑用热电阻传感器。按照热电阻的性质可分为半导体热电阻和金属热电阻两大类，前者通常称为热敏电阻，后者称为热电阻。方案1：采用热敏电阻
11、，这种电阻是利用对温度敏感的半导体材料制成，其阻值随温度变化有明显的改变。负温度系数热敏电阻器通常是由锰，钴的氧化物烧制成半导体陶瓷制成。其特点是在工作温度范围内电阻阻值随温度的上升而降低。可满足40 90测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，不适用于检测小于1的信号；而且线性度很差，不能直接用于A/D转换，应该用硬件或软件对其进行线性化补偿。方案2：采用温度传感器铂电阻Pt1000.铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，他能用作工业测温元件，且此元件线性较好。在0 100时最大非线性偏差小于0.5铂热电阻与温度的关系是，Rt=R0(1+At+Bt*t)；其中Rt是温度为t
12、摄氏度时的电阻；R0是温度为0时电阻；t为任意温度值，A、B为温度系数。但其成本太贵，不适合做普通设计。方案3：采用集成温度传感器，如常用的AD590和LM35。AD590是电流型温度传感器。这种器件是以电流作为输出量指示温度，其典型的电流温度敏感度是1A/K.它是二端器件，使用非常方便，作为一种高阻电流源，他不需要严格考虑传输线上的电压信号损失噪声干扰问题，因此特别适合作为远距测量或控制用。另外，AD590也特别适用于多点温度测量系统，而不必考虑选择开关或CMOS多路转换开关所引起的附加电阻造成的误差。由于采用了一种独特的电路结构，并利用最新的薄膜电阻激光微调技术校准，使得AD590具有很高
13、的精度。并且应用电路简单，便于设计。方案选择：选择方案3。理由：电路简单稳定可靠，无需调试，与A/D连接方便。 3.2 A/D转换部分模/数转化器是一种将连续的模拟量转化成离散的数字量的一种电路或器件模拟信号转换为数字信号一般需要经过采样保持和量化编码两个过程。针对不同的采样对象，有不同的A/D转换器（ADC）可供选择，其中有通用的也有专用的。有些ADC还包含有其他功能，在选择ADC器件时需要考虑多种因素，除了关键参数、分辨率和转换速度以外，还应考虑其他因素，如静态与动态精度、数据接口类型、控制接口与定时、采样保持性能、基本要求、校准能力、通道数量、功耗、使用环境要求、封装形式以及与软件有关的
14、问题。ADC按功能划分，可分为直接转换和非直接转换两大类，其中非直接转换又有逐次分级转换、积分式转换等类型。A/D转换器在实际应用时，除了要设计适当的采样/保持电路、基准电路和多路模拟开关等电路外，还应根据实际选择的具体芯片进行模拟信号极性转换等的设计。方案1：采用分级式转换器，这种转换器采用两步或多步进行分辨率的闪烁式转换，进而快速地完成“模拟-数字”信号饿转换，同时可以实现较高的分辨率。例如在利用两步分级完成n位转换的过程中，首先完成m位的粗转换，然后使用精度至少为m位的数/模转换器（ADC）将此结果转换达到1/2的精度并且与输入信号比较。对此信号用一个k位转换器（k+m=n）转换，最后将
15、两个输出结果合并。方案2：采用积分型A/D装换器，如ICL7135等。双积分型A/D转换器转换精度高，但是转换速度不太快，若用于温度测量，不能及时地反应当前温度值，而且多数双击分型A/D转换器其输出端多不是而二进制码，而是直接驱动数码管的。所以若直接将其输出端接I/O接口会给软件设计带来极大的不方便。方案3：采用逐次逼近式转换器，对于这种转换方式，通常是用一个比较输入信号与作为基准的n位DAC输出进行比较，并进行n次1位转换。这种方法类似于天平上用二进制砝码称量物质。采用逐次逼近寄存器，输入信号仅与最高位（MSB）比较，确定DAC的最高位（DAC满量程的一半）。确定后结果（0或1）被锁存，同时加到DAC上，以决定DAC的输出（0或1/2）。逐次逼近式A/D转换器，如ADC0809、AD574等，其特点是转换速度快，精度也比较高，输出为二进制码，直接接I/O口，软件设计方便。ADC0809芯片内包含8位模/数转换器、8通道多路转换器与微机控制兼容的控制逻辑。8通道多路转换器能直接连通8个单端输入信号中的任何一个。由于ADC0809设计时考虑到若干种模/数转换技术的优点，所以该芯片非常适合于过程控制、微
