基于单片机的温度控制器设计-文献综述定稿.doc

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四川理工学院毕业设计（论文）

文献综述

基于单片机的温度控制器设计

学生：

XXX

学号：

XXXXXXXXXXXXXXX

专业：

自动化

班级：

2008.2

指导老师：

XXX

四川理工学院自动化与电子信息学院

二O一二年六月

前言

在某些工业生产过程中，如恒温炉、仓库储藏、花卉种植、小型温室等领域都对温度有着严格的要求，需要对其加以检测和控制[1]。

在工业生产中如果检测得不准确就会发生许多的生产事故。

如化工生产中对温度的检测不当就会导致生产效率的降低和产品质量的下降。

而现在所使用的温湿度检测系统通常都是精度为1℃或0.1℃的水银、煤油或酒精温度计进行的温度检测和用传统的物理模拟量的方法进行的湿度检测。

这些温湿度检测计的刻度间隔通常都很密，不容易准确分辨，读数困难，而且他们的热容量还比较大，达到热平衡所需的时间较长，因此很难读准，并且使用非常不方便。

因此，设计先进、实用的温度检测和控制系统有着重要的意义。

正文

1.国外和国内研究的现状

国外对温度控制技术研究较早，始于20世纪70年代。

先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。

80年代末出现了分布式控制系统。

目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。

现在世界各国的温度测控技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。

美国、日本的温度监测系统近20年来发展很快，他们结合本国条件做出了具有创新特色的成就，但其监控设备价格昂贵。

我国对于温度测控技术的研究较晚，始于20世纪80年代。

我国工程技术人员在吸收发达国家温度测控技术的基础上，才掌握了温度室内微机控制技术，该技术仅限于对温度的单项环境因子的控制。

我国温度测控设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。

在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。

我国近年引进了多达16个国家和地区的工厂环境控制系统，对吸收国外先进经验、推动工厂温度自动检测产生了积极的作用。

我国温度测量控制现状还远远没有达到工厂化的程度，生产实际中仍然有许多问题困扰着我们，存在着装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。

2温度控制器设计方案

2.1基于单片机的温度控制器

图1是基于单片机的温度控制器框图。

该控制器由温度采集模块、控制模块、显示模块、报警模块以及电源模块等组成。

图1基于单片机温度控制器框图

单片机是控制器的控制核心，因此单片机的选择，对所设计系统的实现以及功能的扩展有着很大的影响。

单片机种类很多，在众多51系列单片机中，较为常用的是ATMEL公司的AT89C51和AT89S52单片机，AT89C51片内4KROM是Flash工艺的，使用专用的编程器自己就可以随时对单片机进行电擦除和改写，片内有128字节的RAM。

而AT89S52含有在系统可编程的Flash存储器，片内有8K闪存，RAM的容量也较AT89C51大，为256字节。

显然这种单片机优点更多，开发时间也大为缩短。

2.2基于ARM的温度控制器

图2是基于ARM处理器的温度控制器框图。

该控制器主要是针对工业控制领域现场仪器仪表开发的。

该框图包括ARM微处理器、电源、监控复位、存储器扩展（RAM、Flash和EEPROM）、人机交换接口（LED）、网络通信、温度检测电路、A／D转换、D／A转换输出、RS232通信和CPLD控制电路（外围设备的译码、配置，实现系统的硬件软件化）等模块。

图2基于ARM温度控制器框图

温度传感器测量外部温度信息，在CPLD的控制下，把A／D转换后的数字信号送入ARM微处理器中进行处理，同时通过LCD显示处理信息，由网络接121远程监控。

当然，现场也可由键盘实时人工干预。

经ARM微处理器处理的数据通过RS232串口传送到上位机进行显示存储。

当然，工作过程中若出现错误，会产生声光报警等。

同时，键盘还可现场干预设置，处理故障等[2]。

这里ARM微处理器选用ATMEL公司32位的AT91M40800。

AT91M40800除具有ARM7TDMI内核外，其内部还集成有许多外围设备，大量内部寄存器可快速完成中断处理。

由于AT91M40800微处理器通过可编程的EBI与片外存储器相连，使其具有较快的访问速度；同时它还具有8个优先级向量中断控制器与外部数据控制器连接，进而提高中断响应速度。

因此，AT91M40800微处理器非常适用于工业实时控制领域，是嵌入式工业控制器中处理器的最佳选择。

2.3基于PLC的工业温度控制器

PLC与其他微型计算机相比,更适于在恶劣的工业环境中运行,且数据处理功能大大增强,具有强大的功能指令，编程也极为方便简单编程指令具有模块化功能,能够解决就地编程、监控、通讯等问题。

PLC的梯形图语言清晰、直观、可读性强,易于掌握.PLC具有丰富的功能指令，能实现加减乘除四则运算及数据传送比较移位等功能，还具有实时时钟指令，可方便的实现定时及时间和年月日的设置与显示。

PLC的主要优点可概括如下:

1、高可靠性；

2、丰富的I/O接口模块；

3、采用模块化结构；

4、编程简单易学；

5、安装简单，维修方便。

上述三种方案各有其优点，且均适合在工业场合使用，但是基于ARM处理器的控制器设计方案，设计相对复杂，设计难度较大，开发周期较长；而基于PLC的温度控制器，设计成本高，灵活性较低，因此，本课题拟采用单片机作为控制器的主控芯片，基于单片机的温度控制器具有开发周期短，成本低，功耗低，设计简单等优点。

3温度传感器的方案

温度是表征物体冷热程度的物理量,它可以通过物体随温度变化的某些特性（如电阻、电压变化等特性）来间接测量，利用这种物理特性制成的传感器称为温度传感器。

常用的温度传感器有热电阻、热电偶、热敏电阻、集成温度传感器和数字式温度传感器等多种。

3.1数字温度传感器

典型的数字温度传感器如DS18B20，该传感器主要特性如下：

1.适应电压范围更宽，电压范围：

3.0～5.5V，在寄生电源方式下由数据线供电；

2、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；

3、DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；

4、DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；

5、测温范围－55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；

6、可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温；

7、在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；

8、测量结果直接输出数字温度信号，以"单总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；

9、负压特性：

电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

3.2热电阻温度传感器

热电阻的测量精度高,性能稳定,使用方便,测量范围宽,在高精度、低温测量中占有重要的地位。

热电阻传感器主要用于中低温度（-200℃～+650℃或850℃）范围的温度测量。

常用的工业标准化热电阻有铂热电阻和铜热电阻。

铂电阻传感器是利用金属铂（Pt）的电阻值随温度变化而变化的物理特性而制成的温度传感器。

以铂电阻作为测温元件进行温度测量的关键是要能准确地测量出铂电阻传感器的电阻值。

对比上述两种方案，数字温度传感器（如DS18B20）使用方便，测量精度高，而PT100的测温电路外围电路较为复杂，需要单独设计放大电路，线性化电路。

因此本控制器的设计中，温度传感器拟选择DS18B20作为温度采集传感器。

结论

利用51单片机对温度检测、控制，具有精度高、功能强、体积小、价格低、简便灵活等优点，很好的满足了工艺的要求，本课题拟采用STC89C52单片机为控制核心。

DS18B20温度传感器测量温度的范围基本能满足工业温度检测的要求，所以用温度传感器DS18B20测量温度。

通过DS18B20实时采集现场温度，采集的数字信号由单片机处理，并将温度实时显示，控制LCD1602显示相应的温度，用键盘设置温度，控制温度升降继电器装置对温度进行控制，实现对温度的实时控制。

在实际生产应用中前景广阔。

参考文献

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