基于SPCE061A单片机的温度采集及控制系统设计文档格式.docx
《基于SPCE061A单片机的温度采集及控制系统设计文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于SPCE061A单片机的温度采集及控制系统设计文档格式.docx（72页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
日期：
导师签名：
日期：
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
4、研究方法的科学性；
技术线路的可行性；
设计方案的合理性
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
建议成绩：
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
二、论文（设计）水平
评阅教师：
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
3、学生答辩过程中的精神状态
评定成绩：
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
教学系意见：
系主任：
【摘要】单片机温度测控系统以其体积小，可靠性高而在工业、农业、国防等行业有着广泛的应用广泛采用。
本设计采用凌阳公司生产的SPCE061A16位单片机作为控制核心微控制器采集控制水温。
PT100铂电阻传感器、LM358集成运算放大器和10位高精度AD（单片机内集成）等电子元件完成温度采集传送；
LED数码管显示和1*4键盘进行参数的显示和输入，实现自动检测显示。
控制部分采用PID算法,实时更新PWM控制输出参数,控制继电器的通断时间,最终实现对水温的高精度控制。
【关键词】SPCE061A单片机、PT100铂电阻传感器、PID控制算法。
DesignofTemperatureSamplingandControlSystembasedonSPCE061AMCU
【Abstract】Thetemperaturesurveyandthecontrolinprofessionandsoonindustry,agriculture,nationaldefensehasthewidespreadapplication.Usingmonolithicintegratedcircuittechnologytemperatureobservationandcontrolsystembyitsvolumesmall,thereliabilityishighbutiswidelyused.Thisarticlehascarriedontheanalysisdesigntothisobservationandcontrolsystem.
【Keywords】SPCE061APT100PIDcontrolsystem
24610
第1章绪论
1.1概述
本人是机械设计制造及其自动化专业，按照学校培养“应用型人才”和社会需求“复合型人才”为目标，历经四年的学习，具备了机械设计制造基础知识与应用能力，能在工业生产第一线从事机械制造领域内的设计制造、科技开发、应用研究、运行管理和经营销售等。
在现代机电系统中自动化控制起着核心控制的作用，是不可缺少的一部分。
毕业设计选择自动化控制系统的设计，符合本专业自动化方向，同时也是本人将来工作的发展方向。
在自动化控制系统中信号采集是的关键环节，不仅是系统控制的根本出发点也是最终衡量系统控制性能的重要依据之一。
在一个完善的闭环控制系统当中，首先要检测当前被控对象的状态，就必须对被控对象的状态信息（比如常见的温度，流量，速度，液位等信息）进行采集，并能够将此信息还原为实际的温度，流量等信息，并以此作为控制的根本出发点。
控制结果与目标的一致性也必须通过信号采集来衡量，只有采集当前的状态信息，并对该信息进行分析才能了解控制过程的好坏，才能做出进一步的优化。
由此可以说信号采集在系统控制中起着至关重要的作用，本设计中的重点是如何精确采集、传送和处理温度信号。
1.2选题意义
自动化温度控制在许多行业中都发挥着重要的作用，如：
冶金工业中炉膛温度控制，食品加工烤箱的温度控制，化学工业中的反应池温度控制。
不同行业的需求对自动化温度控制提出了不同的要求，温度控制的范围，精度，响应的时间等要求都不相同，但是控制的原理是相同的：
由微处理器处理采集的温度数据控制温度调节单元来获得预期的温度。
基本的器件由温度采集，信号传输，处理运算，控制电路，人机接口等几个部分组成的。
目前市场上已经有很多成熟的产品。
从目前温度控制的产品现状，国内外的市场前景，技术的发展来看，温度控制课题是一个成熟的，有市场潜力的，有发展前途的研究项目。
从技术角度来看，研究温度控制课题能解决国内在这方面的弱势（大部分技术都是国外专利）。
从服务市场的角度来看，能适应市场的发展，满足国内外市场的需求。
从学业的发展角度来看，本课题符合本专业机械设计制造及自动化中的自动化方向。
自动化中的控制原理是相关的，具有联系性，此设计资料、思路、方法、步骤、部分设计可以运用到其他自动化控制领域，对自身素质有很好的提高。
此外，本课题注重应用，不仅要独立完成许多理论设计，更需要大量的实验，处理数据，最后制造出成品，作为设计成果展示，符合学校的教学理念——培养应用型人才。
1.3可行性分析
在导师的指导帮助下，已经完成了资料查找、技术准备、文献综述和外文翻译等部分，较好地完成了毕业设计的前期准备工作。
通过与导师的反复论证，认为在现有的条件下有能力完成本课题。
下面从几个方面论述：
⏹知识水平
通过大学四年的学习，基本在掌握了机电一体化产品的设计，在自动控制方面具备了一定的设计、制造能力，其中大三完成了基于单片机的自动化温度采集显示系统的理论方案。
可以说本课题是在有一定基础上开展的。
⏹硬件设备
由于本课题涉及到大量的实验和数据处理，需要加热炉、标准温度计量器和其他硬件电路设备，目前工程分院的实验室基本具备以上的实验设施，可以进行实验使本课题从理论转变成实际样品。
⏹技术经验
本次课题研究是大学四年中最重要的一次，因此全力以赴，发挥最大能力，保证课题的顺利完成。
在已经完成的文献综述方面，应用了新的资料搜集方法搜集到了大量的资料信息，准备的充分、系统，资料数量大，范围全面，内容质量高，数据准确，技术含量大，对课题研究将有重要的帮助，直接关系到课题成果的质量。
目前已经完成了基于AT89C51和PT100铂电阻等电子元器件的温度控制电路图设计，具备进一步开发的条件。
⏹资金条件
大学四年中做了多份学生科研竞赛课题，深刻体会到学生科研受到资金不足的限制，多次因资金问题导致最后成果不佳。
因此本次课题设计把资金问题做为重点，以现有的资金获得最大的收获。
由于是毕业设计，得到了学校和老师的支持，目前部分资金已经到位，可以开展研究工作。
从知识水平、硬件设备、技术经验、资金条件等方面来看，有能力独立完成温度控制系统的设计和制作。
1.4国内外温度控制器的分析
1.4.1温控产品的特点
浏览网页，考察市场，询问专业人事后，了解到现在温度控制产品有以下的特点：
⏹多样化：
产品多样化，功能、种类、型号众多，适应不同用户、不同需求，可以说是为了适应市场，更好地服务客户，客户选择的余地很大。
从实现温度控制成本的角度来看多样化可以节省资金。
⏹模块化：
将温度控制器的各个部件都集成在一个单元内，在整个系统内形成了一个温度控制模块。
用户拿到的是一个外观精美，使用的，有针对性的产品。
集成在一个单元内，有个外壳保护元件，在一定程度上避免了因碰撞，潮湿，灰尘等因素引起的故障，提高了使用的稳定性和寿命。
⏹系列化：
公司根据不同的要求（价格、精度、体积等因素）设计了系列化的产品，用户寻求使用和维护都很方便，对公司的销售、管理也有利。
系列化也是为了适应市场要求。
可以说自动化温度控制产品已经相当成熟了，不过即使再成熟的产品，只要有市场需求，
就有生命力，不断改进，更新，创造更好的产品。
自动温度控制在各个方面都有不可缺少的的作用，非常有市场前景。
从市场前景展望，从事温度控制领域研究具有开发价值。
下图1-1是西门子公司的带液晶显示的房间温度控制器，从两个产品我们可以看出具有模块化、系列化的特点。
该产品典型应用：
⏹用于两管制风机盘管进行供冷供热的独立房间温度控制
⏹用于采用DX型装置供冷的房间控制
⏹用于开关阀门和转换三速风机
适用于系统有下列功能
⏹自动冷/热转换
⏹手动冷/热切换
⏹连续供冷或供热模式
1.4.2国内外温控产品现状
全球工业电子温度控制器市场近年增长缓慢：
因为温度控制器环节已经被纳入为分布式控制系统（DCS），个人电脑（PC）和可编程逻辑控制器（PLC）。
工业电子温度控制器全球市场的增长率在2003年为3.6%，2004年为3.5%，2005年为2.5%。
预计2006年全球市场的增长率仅为1.2%，而预测2010年的综合年度增长率（CAGR）仅为0.7%。
欧洲和北美工业电子温度控制器市场受到这一趋势的影响最大。
这两个较大地区的市场预计将在2010年出现负增长。
然而，亚太市场，较小的拉丁美洲和其他地区的市场预计仍将保持增长。
温度控制器国内项目市场分析：
中国作为一个主要的制造中心和工业电子温度控制器市场的崛起是这一增长的驱动因素。
OEM厂商以及众多的终端工业厂商已经开始转移到中国大陆，以获得低成本的劳动力和原料优势。
日本经济的复苏同样推动该地区走出了停滞发展时期。
OEM厂家和主要终端工业公司将制造业务向中国的转移，以及温度控制器价格的下降，是欧洲和北美工业电子温度控制器市场预测下降的主要原因。
此外，许多位于欧洲和北美的工业电子温度控制器供应商已经表明一旦准备充分，他们将很快在中国展开他们的制造工业电子温度控制器业务。
通过在中国生产电子温度控制器，供应商不但可以获得更便宜的劳动力和原料的竞争优势，而且他们这样更接近主要的发展市场。
根据现有的资料分析如下：
1）、温度控制器广泛应用于家用电器，主要为冰箱、冷柜、空调、饮水机、微波炉等制冷制热产品配置。
2）、目前国内温度控制器生产企业较少，仅广东、江苏、辽宁、江西各有一家规模稍大一点的生产厂家，他们的生产能力远远不能满足电子温度控制器市场的需求。
3）、温度控制器不仅在国内市场销售顺畅，而且在国际市场也十分看好，特别是日本、意大利、美国等国家对温度控制器产品的需求量很大，出口前景十分乐观。
4）、由于沿海发达地区产业的梯度转移，科龙集团已在南昌新建分厂，上海华意集团也与江西签订了投资意向。
市场效益显著：
只考虑生产和销售环节，我大体估计了下温度控制器市场经济效益：
目前国内市场价每只温度控制器11元，出口价每只2美元。
年产500万只温度控制器，年产值可达6000万元，年利润可达1500万元，投资回收期3.5年左右。
综合分析可以看出：
1）温度控制器全球的市场需求巨大，尽管增长缓慢，但需求的绝对数量很大。
2）中国国内市场前景良好，发展潜力很大，目前国内外厂商都看好中国市场。
3）控制生产成本，研究廉价的民用产品是一个很有前途的方向，举个简单的例子：
中国人口众多，空调需求量大，每个空调都需要一个或多个温度控制器，温度控制器的市场在空调产业上的用量就相当大了。
4）科学技术是第一生产力，不断研究新型的温度控制器是处于领先地位的必须条件。
1.4.3国内外现状总结
1.5代表性设计案例分析
在收集到的25份温度控制设计中挑选典型的设计进行分析、学习，积累温度控制设计方面的知识。
这个部分很有针对性，能直接学习到相关的知识，是个参考借鉴过程。
案例：
（系统结构框图见图1-2）
题目：
基于89C51单片机的智能温度控制系统的设计
作者：
耿方志
文献来源：
《现代电子工程》2003年1期
摘要：
介绍了以89C51单片机为核心的温度控制器的设计，文章结合全国大学生电子制作竞赛的课题《水温控制系统》，从硬件和软件设计两方面作了较为详尽的阐述。
关键词：
水温控制系统PID控制、单片机、AD590、ADC0809。
分析：
1）此设计质量较高。
理论上系统控制精度高：
温度控制设定范围为40-90℃，最小区分度为0.2℃，标定温差≤0.6℃，静态误差≤0.4℃。
2）设计合理科学，目标明确，思路清晰，逻辑合理，使用了较先进的改进型PID控制算法。
3）由于使用了PID控制算法，控制的精度相对其他简单控制算法的系统有了提高。
为了实现较高精度控制，使用PID控制算法是一个方法。
4）加入了保护电路，越限报警等部分，是系统更加完善。
5）由于AD590测温范围：
-55℃～+150℃，该系统的适合控制温度不高的领域，适合民用，如水温控制，室内温度控制。
6）该系统在不同的条件下应用需要修改参数，不能直接使用，否则控制精度难保证。
7）同样是既有加热器（热电阻丝）又有冷却器（电风扇），有利于快速实现温度的升降控制。
通过对以上两份设计的分析学习，对整个温度控制系统有了系统的认识。
对各个部分的电路进行了研究，懂得了工作机理，绘制了多张电路图。
学习和借鉴优秀的设计对提高自身的设计水平有很大的帮助。
第2章设计方案的选定
2.1温控设计的方案
根据收集到的设计资料学生做温度控制的设计几乎都是以C51为控制核心，并以此为基础设计其他电路来实现的。
传感器选择PT100、AD590、DS18B20等。
显示组件为LED或LCD。
学生设计中使用PLC和DSP作为控制核心的开发费用要上千元，做温度控制系统性价比低，使用很少，所以PLC和DSP控制核心不作考虑。
PLC和DSP在工业控制中特殊温度控制的场合应用广泛，如大型粮库的多点温度控制。
对三十多份学生的温度控制设计方案分析总结出：
⏹控制处理器基本选择在学校使用学习过的C51系列，降低技术难度和风险。
⏹电子元件选择非高精度的通用型号，容易购买，价格低廉。
⏹系统功能单一，难以扩展功能，开发升级。
⏹整个系统开发费用低廉，适应学生学习要求。
2.2控制处理器的比较分析
在毕业设计前期的资料收集、技术准备阶段，本人完成了以AT89C51、AD590、ADC0809、LED为主要部件的温度控制系统原理设计。
送报导师审批后，导师建议以SPCE061A单片机为控制核心设计全新的温度控制系统。
根据目前搜集到的资料显示，实现温度控制的中央处理器有PC机、DSP、PLC、单片机、专用温度控制器五大类别，下面举例说明五类处理器实现温度控制的机理。
⏹PC机
即个人计算机，功能强大，通常作为上位机，需要控制网络，下位机等其他硬件设备的支持，实现对一个区域的温度监控，具有良好的人机操作界面，能管理温度控制方面多个层面，如防火消防，室内温度调节，特殊房间的温度控制。
适用于工厂、宾馆大厦等大范围的温度控制。
⏹DSP
基于DSP的温度控制系统以高速DSP为核心，其片内集成的丰富的控制外围部件和电路,从而简化了电路的硬件设计,可以实现各种控制算法和控制策略,并通过异步串行通信接口来读取用户所需要的数据,便于用户分析实验结果，可以实现复杂的控制。
具有处理速度快、灵活、精确、抗干扰能力强、体积小以及可靠性高的特点，可满足对信号快速、精确、实时处理及控制的要求。
可以作为上位机使用，控制若干个下位机，也可以单独应用于某一点的温度。
同样需要网络等技术支持。
通常运用在生产线温度控制，仓库的温度控制等。
⏹PLC
以微处理为基础，综合计算机技术和自动化技术而开发的新一代工业控制器－可编程控制器（简称PLC）正在改变着生产过程控制的面貌。
近二十年来，随着科学技术的迅猛发展，可编程控制器以其可靠性极高，能经受恶劣环境考验，使用非常方便的巨大优越性，迅速占领工业自控制领域，成为工业自动控制的首选产品，与机器人、CAD/CAM并称为工业生产自动化的三大支柱。
微型可编程控制器由于体积小价格适中而且可靠性高，非常适合当前中小企业的设备改造、以提高产品质量和劳动生产率。
⏹单片机
单片机是目前最为常用的控制处理器，以低廉的价格，完善的功能，广泛适用于大部分控制领域。
特别适合学生开发控制系统（低成本、小规模、多方面、易上手、重基础），几乎所有的本科生在研究自动化控制课题时候都选择了单片机作为控制系统的处理器。
上面已经有很多单片机实际运用于温度控制的例子了，在此不重复展开叙述了。
本人的自动化温度控制也是基于单片机为核心的控制系统，将在论文中详细介绍各个部分。
2.3温度传感器的分析选择
在温度控制领域目前成熟的应用的技术按传感器类型分类有以下几点：
⏹机械式温度控制器件
机械式温度控制器件，到达预定设置的温度后开关断开，当低于一定的温度时又自动开启，这种温度控制通常是控制某一个定值，不具备可调性，控制的精度很低，响应的时间也很长，但成本低廉，应用比较广泛，多用于民用。
如在电饭锅上使用的是机械式的温度控制器件。
⏹热电偶热电阻温度控制器
热电偶热电阻温度控制器中以热电偶、热电阻作为温度传感器，通过运放、AD电路，将温度物理量转换成电压等信号，传送给处理器，处理器进行比较分析，输出控制信号给控制开关，开启或断开加热、冷却电路。
这类传感器应用广泛，控制温度
范围和精度按需要选择器件的型号。
如：
AD590（见图2-1）
AD590的测温范围为-55℃～+150℃。
AD590的电源电压范围为4V～30V。
电源电压可在4V~6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。
AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。
输出电阻为710MW。
精度高。
AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±
0.3℃。
AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。
由于AD590精度高、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。
对于其他型号将在以后传感器章节叙述。
具体也可以到网上输入“传感器型号”关键词，寻找到。
⏹数字式温度传感器控制器
数字式传感器内集成了AD转换单元，输出的是数字量，不是模拟量了，方便使用，电路简化，程
升级会员 