基于单片机的室温控制系统的设计.docx
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基于单片机的室温控制系统的设计
基于单片机的室温控制
系统的设计
作者姓名：
专业名称：
电气工程及其自动化
指导教师
摘要
在日常生活、工业生产和实验室中，室内温度控制的应用随处可见。
室内温度控制是所有温度控制系统中的最基础的控制，在此基础上可以形成温度不变的恒温箱等等。
本论文设计的室内温度控制是在单片机的基础上进行的。
DS1624将室内温度检测后传到AT89S52单片机内，与设定值进行比较，单片机对数据进行处理，然后根据处理结果，改变特定I/O口的电平，来控制热电制冷片是加热还是制冷，从而达到室内温度控制的目的。
本论文既可以对当前设定温度进行实时显示又可以对温度进行控制，以达到用户需要的温度，并且在没有新温度设定时保持已定值不变。
人性化的键盘设计使设置温度简单快速，两位整数两位小数的显示方式具有更高的显示精度。
而且还设定了温度的上下限，系统只执行允许范围内的温度变化，系统整体误差小于0.1°C。
关键词：
单片机热电制冷DS1624按键输入数码显示
Abstract
Inourdailylifeandindustrialproductionandlaboratory,app-licationofRoomtemperaturecontrolcanbeseeneverywhere.Atthesametime,itisthebasisofalltemperaturecontrolsystemandthisbasis,canbesettoelectricincubatorsandsoon.
Inthispaperthedesignofamicrocontroller-basedRoomtemperaturecontrol.RoomtemperaturewillbedetectedafterDS1624insingle-chipAT89S52reachedwithagivenvalueofcomparison,single-chipdataprocessing,andthenaccordingtoprocessingresultsandchangethespecificI/Oportlevel,tocontrolthethermoelectriccoolingsystemisheatingorcooling,toachievetheobjectiveofindoortemperaturecontrol.Inthispaper,thetemperaturecannotonlybecarriedoutonthecurrentreal-timedisplaybutalsobecontrolledsothattheuserneedstoreachtemperature,andmakeitaconstantinthistemperaturewithoutnewsetting.Humanizeddesignkeyboardeasyandquicktosetthetemperature,thetwodecimalandintegers,adisplayshowsahigheraccuracy.Butalsosetthetemperatureoftheupperandlowerlimits,thesystemonlyallowstheimplementationofthetemperaturechangewithinandthesystemoverallerrorislessthan0.1°C.
Keywords:
MCU,thermoelectricrefrigeration,DS1624,keystorke,
digitaldisplay
前言
温度控制被广泛地用在生产、生活、实验等领域。
而在医用、水产、特种工业、工业探伤、照相等行业，都需要求有稳定而精确的温度，也就是在设定一个温度之后，系统能够自动调整到这一个数值并保持不变。
本论文是基于单片机而设计的室内温度控制系统，通过对室内温度的检测传到单片机，与给设定值进行比较，单片机对数据进行处理，根据偏差信号来改变特定I/O口的电平，也就控制了热电系统，从而达到室内温度控制的目的。
本论文是对室内进行的温度控制。
从室内温度的检测并传送到单片机，在设计过程中也遇到了困难，比如说温度测量器件的选用，是选用数字量输出还是选用模拟量输出，各有什么有特点，这些都经过了考虑才选择了这个方案。
在单片机的设计中，单片机外部线路的设计，端口的分配和选用，复位和内部时钟的配合和电路的驱动等方面也遇到了不少问题，经过对各模块功能及单片机I/O的特点详细了解后都基本上解决了。
加热电路本论文选择了热电制冷电路，这个电路的开关频率很高，很多空调等都选用了类似的热电制冷电路，只是根据控制要求做了适当调整。
本论文利用芯片DS1624作为室内温度的检测元件。
DS1624芯片可以直接把测量的温度值变换成单片机可以读取的标准电压信号。
单片机通过外部矩阵键盘进行温度设定，读入的温度值与设定值进行比较，根据偏差的大小，单片机执行程序对热电系统进行控制，即经过特定I/O口的电平变化，让热电系统加热或者说是制冷，从而改变了室内温度。
当热电系统加热时，使室内温度升高，DS1624不断对室内温度进行温度检测，当偏差存在时单片机就继续驱动热电系统电路进行加热，直到偏差为零。
此时将MAX1968的SHDN引脚置低，设置成关断置闲模式。
处于制冷时也是一样的道理。
1绪论
1.1选题的目的和意义
随着科学技术的不断发展，温度的测量和控制在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活领域占有重要的地位。
温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。
期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。
目前高效率温度控制系统广泛应用于社会生活、工业生产的各个领域，适用于家电、汽车、材料、电力电子等行业，成为发展国民经济的重要热工设备之一。
在现代化建设中，能源的需求非常大，然而我国的能源利用率极低，所以实现高效率的温度控制，有着极为重要的实际意义。
1.2温度控制的国内外发展概况
随着计算机技术及现代传感技术的发展，温度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。
在许多场合，及时准确获得目标的温度信息是十分重要的，近年来，温度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。
近些年来，呈现出智能化、计算机化、全自动等特点。
它们普遍利用温度传感器、单片机（还有PLC，DSP）和微机技术实现对温度的检测，并通过LED或LCD、加热装置、排风装置等的控制来实现对温度的数值显示和自动调节。
1.2.1温度控制的国内发展概况
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度调节来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。
能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统。
而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。
但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。
控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。
近几年来，在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展，温度已成为工业对象控制中一种重要的参数，特别是在冶金、化工、机械等各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。
对温度控制系统的要求随工艺的要求越来越高，促使温度控制系统不断向控制迅速，精度高，抗干扰能力强，高性价比方向发展。
1.2.2温度控制的国外发展概况
国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。
日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出来一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行各业广泛应用。
它们主要具有如下特点：
1.适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制；
2.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；
3.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；
4.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，运用先进算法，适应范围广；
5.是温控器普遍具有自整定功能。
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整定的功能。
有的还有自学习功能，能够更具历史经验及控制对象的变化情况，知自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化；
6.是具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。
目前国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。
1.3几种常见温度控制系统
下面介绍几种非常常见的温度控制系统：
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，该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。
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并进行控制。
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，越限报警来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。
2.模糊PID热水锅炉温度控制系统，模糊PID控制器是以常规PID为基础，采用模糊推理思想，根据不同的e和ec对PID参数进行在线自整定，控制器有两部分组成，即常规PID控制部分和模糊推理的参数校正部分。
应用模糊集合理论建立参数kp、ki和kd与系统误差e和系统误差变化率ec之间的二元连续函数关系，并用不同e和ec在线自整定PID参数。
3.电阻炉温度控制系统，该系统的硬件主要由单片机主控、前向通道、后向通道、人机接口和接口扩展等模块组成，以内含C52兼容单片机的ADuC845为控制核心、配有640KB的非易失RAM数据存储器、外扩键盘输入、320x240点阵的图形液晶显示器进行汉字、图形、曲线和数据显示，超温报警装置等外围电路；预留微型打印机接口，打印现场结果。
预留RS232接口，能和PC机联机传输现场检测数据。
电阻炉的温度先由热电偶温度传感器检测并转换成微弱的电压信号，温度变换器此信号进行非线性校正及电压放大，由单片机内部A/D转换器将其转换成数字量。
再经数字滤波、误差校正、标度变换、线性拟合、查表等处理后。
一方面将炉温经人机面板上的LCD显示；另一方面将该温度值与被控制值（键盘设定值）比较，根据偏差值的大小，由控制算法进行运算，最后输出移相控制脉冲，放大后触发可控硅导通。
达到控制电阻炉温度的目的。
如果实测温度值超过了该系统所要求的范围，单片机就向报警装置发出命令，系统进行报警。
2系统方案论证
室内温度的大小对生产、食品储存、农作物生长等的影响很大。
而单片机的测温和控制装置，能对室内环境温度进行测量，并根据温度给定值给出调节量，控制执行机构，实现调节室内温度的目的。
本系统要求随时监视室内的温度，在一定范围内根据用户温度设定值，迅速做出调整，以达到对室内温度的控制。
2.1主控制器选择
控制器是整个控制系统的核心部件，它的性能关系到系统的运算处理能力、控制精度、功能的实现等等，因而主控制器的选择非常重要。
方案一：
采用含有ARM内核的单片机，这类处理器的优点是：
低功耗，功能强大，运算处理能力强，控制精度高，I/O口可以配置，应用灵活，广泛使用在嵌入式系统方面，已经渗透到生活的许多方面，包括现在使用的手机，就有嵌入式ARM的参与，而且功能也越来越趋于完善。
由此可以看出ARM通常用于功能完善，处理功能强，控制精度高的场合。
方案二:
采用Atmel公司的AT89S系列单片机，这类处理器的优点是：
低功耗，高性能，有4～8K系统可编程flash存储器，与工业80C51产品指令与引脚完全兼容，在生活中的应用相当广泛，涉及到日常生活，工业控制方面等等，能满足通常的控制要求，而且取得了相当满意的效果，控制精度高。
基于以上两种方案比较，再结合本系统的控制要求，选用Atmel公司的AT89S52单片机，它有8K的系统可编程flash存储器，有32个通用I/O口，能够实现本控制系统的功能、满足要求，也不用再扩展存储器，减少了硬件延迟与误差，保证系统快速响应，而且组成系统的性价比高，资源得到了充分的利用。
2.2温度采集系统的选择
温度采集元件也是本控制系统的另一重要部件，它是这个控制系统的基础。
测量结果误差的大小关系到后级控制的难易程度，误差越大，处理就越难。
在控制系统中我们学过，组成闭环控制系统的元件中，测量元件引起的误差不能消除，系统本身的误差则可以通过算法控制到最小。
而组成的任何系统本身都存在一些误差，这样就使控制精度更低了，甚至不能完成控制要求而以失败告终。
方案一：
采用模拟量输出温度传感器AD590，它具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、无需补偿、热容量小、抗干扰能力强、可远距离测温且使用方便等优点。
可广泛应用于各种冰箱、空调器、粮仓、冰库、工业仪器配套和各种温度的测量和控制等领域。
方案二：
采用数字量输出DS1624，DS1624是美国DALLAS公司生产的集成了测量系统和存储器于一体的芯片。
数字接口电路简单，与I2C总线兼容，且可以使用一片控制器控制多达8片的DS1624。
测温范围宽，读数稳定，分辨率高，无须外接电路，与单片机接口简单，其数字温度输出达13位，精度为0.03125°C。
DS1624可工作在最低2.7V电压下，适用于高精度、低功耗的应用系统场合。
方案三：
采用热敏电阻式温度传感器，常用的热敏电阻温度传感器都是具有负温度系数的热敏电阻，它的电阻率受温度的影响很大，而且随温度的升高而减小。
优点是：
灵敏度较高，能检测出6°C到10°C的温度变化；工作温度范围宽；体积小，能够测量其它温度计无法测量的温度；使用方便；易加工成复杂的形状；寿命长，稳定性好、过载能力强。
缺点是互换性差，非线性严重。
基于以上方案比较，方案一和方案三都要先放大后经A/D处理后才能传递给单片机处理，电源对放大和A/D转换结果有不同程度的影响，为了使误差尽可能小，则对电源的要求比较高，因而增加了硬件延迟与成本（是方案二的两倍以上），比方案二的效果也差一些。
而方案二对电源没有特别要求，两线只需分别加一个上拉电阻就可以与单片机直接相连。
从系统控制要求角度出发，再考虑系统的性价比，选择了方案二。
2.3热电制冷系统的选择
热电制冷系统是整个温度控制系统的加热制冷的执行系统，包括加热制冷元件，元件的驱动电路。
在允许的温度范围内，该系统让室内温度可以根据实际需要加热或制冷，以改变室内温度，为用户提供一个满意的室内温度。
方案一：
采用发热电热丝制热，而制冷则用可以另选制冷的电路。
优点在于采用市电，比较方便，由单片机输出PWM波来控制双向可控硅的触发相位，控制执行元件电路加热或制冷。
但是用市电的制冷电路却是一个大难题，而且多为一个制冷系统，如空调的制冷系统。
方案二：
采用半导体热电制冷片，半导体制冷片的工作运转是用直流电流，它既可制冷又可加热，而且只要通过改变直流电流的极性就可以在同一制冷片上实现制冷或加热，这个效果的产生就是通过热电的原理，在现代的温度控制系统中应用相当的广泛，推动了温度控制系统的跨越式发展，被称为世界“制冷”三大奇迹之一。
而且有专门的驱动芯片（如MAX1968），可以改变电流的方向，效果好，低价格。
基于以上两个方案比较，方案二组成的执行系统，结构简单，功能强大，可靠性高，性价比也高，能够同时实现执行系统的加热与制冷。
而方案一组成的系统结构就不及方案二灵活而有序。
所以我选择方案二。
2.4按键系统的选择
按键系统是整个温度控制系统的温度设定输入系统，按照用户的要求输入所需的室温值。
当温度在允许范围内时，按键设定的温度得以执行，通过热电制冷片加热或制冷，通过风扇加速空气流动，来达到迅速调整室温的目的。
方案一：
直接利用单片机接口组成矩阵式键盘，要M×N个按键，则需要用M+N个I/O接口。
而按键的中断则采用与门集成芯片输出来触发单片机的外部中断，在主控制器收到中断后由中断程序迅速读取按键值，反应非常迅速，而且在I/O口充足时，就更为常用。
同时编程也容易，可靠性高。
方案二：
用专门的芯片扩展键盘，也是矩阵式的，当有按键按下时就会触发按键中断，在主控制器收到中断信号后就开始读相应按键值。
不同的专用芯片与主控制器间的通信方式不一样，有的是并口，有的则是串口。
根据主控制器的I/O口来选择用并口还是串口通信方式。
基于以上两种方案比较，结合主控制器的I/O口，方案一和方案二都行，效果都好，但是主控制器的I/O口比较充足，可以直接用并口通信，而此时如果选择方案二，则中间再用一块专用芯片，这样就会增加硬件延时，降低了控制系统的实效性，因而在实现同样功能的时侯，按键系统的性价比却明显降低了，所以我选择方案一。
2.5显示器的选择
显示器是室温控制系统中显示系统的重要组成部件，它显示了用户设定的温度即室内最终要达到的温度（在允许的范围内0°C～40°C），让人们知道室内的温度情况，是一个可靠的人机交流平台之一。
方案一：
采用四位一体的共阴数码管，接法简单，效果好。
当驱动能力不够时（如单片机的P0口），可以直接加上拉电阻，或者加专门的驱动芯片。
通常情况下加上拉电阻能实现既定功能就不加专门的驱动芯片，以提高性价比，减少硬件延迟。
方案二：
采用液晶显示，液晶的优点在于可以显示数字，也可以显示中文诗歌等多种多样的字符。
显示内容比数码管强多了，但就是价格比较昂贵（几十～几百不等），一般在要求显示内容非常丰富的场合才使用。
基于以上方案比较，本室内温度控制系统只显示数字就可以，默认为华氏温度，因而就选择非常便宜的数码管显示，就满足了系统的要求。
2.6警告及提示系统选择
警告系统由声音与常亮红灯组成，提示系统由一个绿灯组成。
警告系统提示了用户的操作得以执行与否。
若合理（无声且红灯灭）自然得以执行。
若不合理（亮红灯发警告声）则用户必须迅速做出调整。
方案一：
声音让扬声器发出，扬声器的优点在于声音大，传播距离远，电路结构简单，需要时也可以加驱动来增大功率。
常亮灯用红色发光二极管，按判断结果通电与断电。
提示灯用绿色的发光二极管。
方案二：
声音让蜂鸣器发出，蜂鸣器的电路简单，用两个电阻、一个电容与三极管就可以驱动，而且声音也大，效果很好，在一定范围内，电流越大声音越大而且只改变电路中的电阻即可。
非常方便。
红灯与提示灯同方案一。
基于以上方案比较，选择既简单又方便的方案二。
2.7风扇电机选择
风扇保证了热气与冷气迅速流动到室内的每一个角落，满足室内温度控制的要求。
而风扇要用电机来带动，所以选择一个可靠，转速可调的电机很重要。
方案一：
采用直流电动机，直流电机在电压一定时（其它条件不变）转速恒定，当只改变电压时，转速也随之改变，调速性能相当好，堪称完美。
而且转矩也大，应用非常广泛。
方案二：
采用步进电机，步进电机是一种把电脉冲转换成角位移的电动机。
每输入一个电脉冲步进电机就前进一步，其角位移与脉冲数成正比，电机转速与脉冲频率成正比，且转速和转向于各项绕组的通电方式有关。
基于以上方案比较，如果要一个稳定的转速，控制又方便的电机，则方案一明显优于方案二，但本系统要根据温度差来调节风扇快慢，温度差越大，则转动越快。
才能使控制更精确，所以我选择方案二。
3系统硬件电路设计
3.1硬件总体结构框图
本室内温度控制系统由温度采集系统、按键控制系统、主控制器、执行系统、数码显示系统、警告及提示系统组成，具体如图3.1所示：
图3.1硬件总体结构框图
3.2单片机知识介绍
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
概括地讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。
可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。
不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。
它由主机、键盘、显示器等组成。
还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。
这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。
顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。
单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。
3.2.1单片机的应用领域
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可以分为以下几个范畴：
1.在智能仪器仪表上的应用，如精密测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。
2.在工业控制中的应用，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
3.在家用电器中的应用，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其它音响视频器材、再到电子秤量设备，各种各样，无所不在。
4.在计算机网络和通信领域中的应用，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。
5.单片机在医用设备领域中的应用，医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
6.在各种大型电器中的模块化应用，如音乐集成单片机，音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。
3.2.2单片机AT89S52介绍
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在线系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在线系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
它的主要性能有：
与MCS-51单片机产品兼容；8K字节在线系统可编程Flash存储器；1000次擦写周期；全静态操作：
0Hz～33Hz；三级加密程序存储器；32个可编程I/O口线；三个16位定时器/
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