温控设计报告.docx
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温控设计报告
摘要：
本系统采用EasyARM1138型单片机作为控制核心，通过控制灯泡和风扇的工作状态来实现恒温控制，保证恒温箱内的温度在误差允许范围内保持恒定。
在实现的过程中，选用Pt100热敏电阻作为温度传感器，利用单片机自带的A/D模块实现对传感器信号的定时采样，同时利用Pt100在0~150℃时良好的线性特性实现“电压-温度〞的高精度转换，并通过LCD显示屏显示。
编写控制算法处理计算得到的当前温度值并输出控制信号，实现控制功能。
同时，通过设计温度检测电路、温度控制电路、电源转换电路等硬件电路，实现“电阻-电压〞信号的转换、控制信号的放大、稳压电源电压的转换等功能，保证控制系统的正常工作。
并最终通过实验，证明系统的工作状态良好。
关键字：
EasyARM1138单片机Pt100温度控制
一、设计任务
本任务是设计并制作一个温度控制系统，通过控制恒温箱中灯泡和风扇的工作以到达控制恒温箱温度在一定误差允许范围内保持恒定的目的。
同时，选用EasyARM1138单片机作为控制器处理输入输出数据控制继电器进而控制灯泡和风扇，选用LCD液晶显示屏显示当前温度值，实现完整的系统。
二、总体方案设计
2.1系统控制思想
系统可采用分程控制思想实现，即输入设定值，同时对恒温箱内的温度值进展实时采样，当采样温度高于设定温度时，关闭灯泡，开启风扇；当采样温度低于设定温度时，翻开灯泡，关闭风扇。
为了防止风扇和灯泡的频繁开关，延长装置的使用寿命和稳定性，在误差允许范围内设计一个回差阈值，使得当“采样温度>=设定温度+阈值〞时，关闭灯泡，开启风扇；当“采样温度<=设定温度-阈值〞时，翻开灯泡，关闭风扇。
根据上述控制思想，可通过构造反应控制回路来实现控制功能。
通过温度传感器向单片机反应输入信号，经过单片机的运算输出对灯泡和风扇控制信号，进而改变恒温箱内的温度，那么系统的控制流程图如下：
图1.系统控制流程图
2.2方案论证
根据上述控制思想，可以提出以下三种控制方案：
（1）方案一：
使用Pt100作为温度测量元件，向单片机输入信号，那么在Pt100后需增加温度测量电路，将Pt100的电阻信号转换为电压信号输入单片机，经单片机计算后将输出信号通过温度控制电路的放大，控制继电器，进而控制灯泡和风扇的工作和停顿。
（2）方案二：
使用DS18B20数字温度计作为测温元件，采用3线制与单片机相连，减少了外部硬件电路，单片机及后续电路和控制方法与方案一一样。
（3）方案三：
使用EasyARM1138单片机自带的内置温度传感器作为测温元件测量温度，后续电路和控制方法也与方案一一样。
通过对上述三种方案进展分析可知，方案三的温度传感器精度较差，而且在具体实现过程中需要把单片机放入恒温箱以到达测温的目的，很不方便，而且如果箱内温度过高可能会对单片机工作造成一定影响，显然不可取；方案二的最大优点在于连接简单，无需设计温度检测电路，但DS18B20数字温度计精度较低，一般只能到达0.5，最低只能到达0.0625，且编程复杂；方案一使用Pt100热敏电阻，虽然需要设计温度检测电路，但电路很简单，且Pt100在0～150℃范围内具有良好的线性特性，可在单片机内编写非常简单的“电压-温度〞函数来实现信号的转换，便于进展程序的编写，使系统的实现更加简单而高效。
同时其精度可达0.005，便于实现温度检测的高精度。
综合以上各点，选择方案一作为系统的实现方案。
2.3整体构架框图
图2.系统整体框架图
2.4方案设计简述
本系统采用EasyARM1138单片机作为核心来实现任务目标，即实现对恒温箱的恒温控制。
根据上述的控制思想和方案选择，系统的控制流程可简述如下：
首先向单片机内输入预期的温度设定值，系统上电工作。
以Pt100作为传感器，通过前置的温度检测电路向系统输入模拟的电信号。
再利用EasyARM1138单片机自带的周期采样及AD转换功能对输入模拟信号进展周期采样，并通过编写“电压-温度〞函数对采样值进展处理，使其转换成箱内当前的温度值，并通过串口通信，使其在LCD显示屏上进展实时显示。
将得到的温度值与设定值进展比照，利用上述的控制算法，决定系统向控制风扇和灯泡的管脚分别输出高电平或低电平。
由于单片机输出电平与继电器的工作电平存在一定差异，所以输出信号还要经过温度控制电路进展放大再输入继电器，继而实现对灯泡、风扇的控制，即箱内温度的控制。
这样，即可实现控制恒温箱内温度的反应控制系统。
同时，由于驱动单片机、显示屏和温度控制电路需要+5V电源，而驱动温度检测电路需要+12V电源，因此，需要设计电源转换电路实现电压的转换，为系统各局部提供稳定的电压源。
三、系统硬件设计
系统的硬件实现主要包括单片机局部，LCD显示屏局部，温度检测电路局部，温度控制电路局部和电源转换电路局部，不同的局部间通过杜邦线实现I/O端口的连接和数据的传输通信。
3.1单片机局部
本系统选用EasyARM1138单片机，它是一款基于ARMCortex™-M3内核的高性能开发板，具有32位内核〔ARMv7M架构〕，50MHz运行频率，64KB单周期Flash，16KB单周期SRAM，内置系统节拍定时器〔SysTick〕，7组GPIO可配置为输入、输出、开漏、弱上拉等模式，同时具有4个32位Timer，具有定时、捕获、PWM等功能，3路全双工UART，8通道10位ADC，采样速率可达1M/s。
编译程序通过IAR5.11用C语言编写实现。
在本系统中，应用EasyARM1138单片机主要实现了以下功能：
〔1〕利用内置的定时采样和AD转换功能实现对来自温度检测电路的输入信号的采样和AD转换；
〔2〕通过编写控制算法计算和输出对灯泡和风扇的驱动信号。
连接中，需要单片机电源、地线分别与电源转换电路的+5V和GND连接，输入端口与温度检测电路的输出端连接，输出端口与温度控制电路的输入端连接。
3.2LCD显示屏局部
本系统选用HP-12864F型LCD液晶显示屏对单片机内计算求得的当前温度值进展实时显示。
该显示屏具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集，可进展中/英文显示。
显示屏由ST7920c14芯片驱动，硬件和程序都简介方便。
连接时，显示屏和单片机间选用串行通讯。
显示屏和背光灯均需连接+5V电源及GND以实现正常供电，同时模组片选端、串行数据输入端、穿行同步时钟端均需与单片机相应的I/O端口相连。
3.3温度检测电路
温度检测电路用于实现Pt100输出的电阻信号向单片机能够输入的电压信号的转换，它由恒流源电路、桥式检测电路和放大输出电路三局部组成，整体电路图下列图所示。
图3.温度检测电路
3.3.1恒流源电路
为提高电路的抗干扰能力，采用恒流源为温度检测电路供电，其电路图可设计如下列图所示：
图4.恒流源电路
该电路利用了稳压管的特性，可通过调节电阻R1可获得0.58mA~11.96mA的恒定电流。
而由于Pt100在2mA情况下线性度较好，此处调节R1使得恒流源输出2mA。
3.3.2桥式检测电路
检测局部采用桥式检测电路，其设计电路如下：
图5.桥式检测电路
由于Pt100在温度在0~150℃范围内每升高1℃阻值增加0.3908Ω，线性特性很好，即可通过上述的恒流源供电，输出其电压信号，实现“电压-温度〞的高线性。
在参比支路中，通过使用稳压二极管实现恒压源供电，并且带有一个可调电阻，通过调节其阻值可以实现Pt100的调零输出。
3.3.3放大输出电路
由于桥式检测电路输出信号较小，需通过放大电路进展信号放大。
放大输出局部采用差分放大电路和一级可调增益的放大级电路组成，可设计电路如下：
图6.放大输出电路
利用差分放大电路可以有效地防止干扰，利用后续的一级放大电路可以实现量程的放大和减小。
此外，为了使传感桥路的微弱的检测信号得到较好的处理，在桥路和差分放大电路之间接有电压跟随器。
根据上面的电路图可知，温度每变化1℃，该局部检测电路的输出变化为：
由于单片机能够读取的模拟量信号范围为0~3V，而测量温度变化范围设定为0~150℃，所以，温度每变化1℃，允许温度检测电路的输出变化为20mV，因此可以求出，上图电路中R12的值可取279Ω。
3.4温度控制电路
通过单片机计算得出的输出信号用于驱动继电器，进而控制灯泡和风扇工作或停顿以到达控制温度的目的。
但单片机最大只能输出3.3V的电压，而继电器的工作电压需要到达5~24V。
因此，需要对单片机的输出电压进展放大，使其从3.3V增大到5V，再输入继电器。
温度控制电路即用于实现这个电压放大功能。
采用光耦芯片搭建光耦放大电路，以实现电压放大功能，可设计温度控制电路如下：
图7.温度控制电路
3.5电源转换电路
从上面的分析可知，由于驱动单片机、显示屏和温度控制电路需要+5V电源，而驱动温度检测电路需要+12V电源，因此，我们同时需要12V和5V两种不同规格的电源电压。
12V恒压源可直接通过实验室中的稳压电源得到，而5V的电源那么需要设计电源转换电路实现12V电压向5V电压的转换，以满足系统需求。
可采用三端稳压集成电路lm7805来实现电压的转换，可设计电路如下：
图8.电源转换电路
为了抵消输入线较长带来的电感效应，防止自激，需要在输入端和输出端分别接入电容，以改善负载的瞬态响应和消除电压中的高频噪声。
同时由于lm7805输入和输出端电压相差较大，芯片发热较大，需注意加装散热片。
四、系统软件设计
4.1单片机控制
本系统采用一块EasyArm1138单片机开发板作为控制单元，编程工具采用IAREmbeddedWorkbench，实现温度信号采样、灯泡控制、风扇控制、键盘输入、LCD显示等功能。
4.1.1温度信号采样功能
利用单片机本身自带的A/D模块，实现信号的周期采样和A/D转换，其能够检测的电压范围为0~3V。
经过调零后，Pt100的电阻信号经转换电路转变为0~3V的电压信号后就可以直接接入单片机的A/D输入端，再根据“电压-温度〞的线性对应关系，即可计算出恒温箱内当前温度值。
在具体程序中，A/D模块工作在定时器触发模式，由定时器周期触发A/D采样。
4.1.2键盘输入功能
为了到达系统目标，实现对恒温箱中温度的人为控制，需要能够改变温度设定值。
在本系统中采用两个无自锁按键实现温度设定值的输入，单击按键1使温度设定值增加1，单击按键2使温度设定值减少1。
另外，当设定值需要较大改变时，为了提高设定值改变的速度，为每个按键都设计了连击功能，即一直按住某一个按键，可以使设定值连续快速地增加或减少。
在具体程序中，、利用系统节拍定时器SysTick周期性地触发中断，进展两个按键状态的查询。
在程序里，SysTick设置的定时中断周期是10ms，可自动地消除按键抖动，同时还能保证每秒100次的按键采样速率。
重复延时参数为KEY_DELAY，即按下KEY后假设不松手那么等待10×KEY_DELAY毫秒后开场连续快速输入，即重复输入。
重复速率参数为KEY_SPEED，即开场重复后每两次重复之间的时间间隔为10×KEY_SPEED毫秒。
4.1.3LCD显示功能
本系统采用的HP-12864F型LCD液晶显示屏，可直接通过单片机供电和通信，并通过在单片机程序中添加简单的操作代码来实现不同的显示功能。
在本系统中其主要用于显示箱内当前温度和温度设定值。
4.1.4灯泡和风扇的控制功能
在本系统中，由于选用继电器来控制灯泡和风扇工作状态，应防止输入继电器电信号的频繁变化，因此灯泡和风扇的控制信号应选用开关信号，具体的控制算法如上面所述。
在本系统中，其阈值设定为0.1℃。
4.2程序流程图
结合上述对各个功能模块的描述，整个系统的程序流程图可绘制如下：
图9.系统程序流程图
五、总结
以EasyARM1138型单片机作为控制核心，编写软件实现对输入信号的处理和输出信号的计算，同时设计硬件电路以保证系统中各局部的电平电流等模拟量符合系统的工作标准，并以单片机的输出信号经过处理驱动灯泡和风扇的工作，本系统成功地实现了恒温控制。
通过实验验证，在控制过程中，本系统运行比拟稳定，滞后较小，温度控制精度较高，且防止了灯泡或风扇的频繁开关，电路和程序简洁完善，完全符合设计要求，系统整体表现较好。
参考文献
[1]高桔祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程.电子工业.2007年8月第二次印刷.
附录：
元器件清单
元器件
数量
电阻
10k
4
20k
3
510
2
1k
4
2k
1
330
3
电位器
2k
1
10k
1
电容
0.1uF
3
10uF
1
稳压二极管（6.8V）
2
PNP三极管
1
LM324集成放大器
4
光耦合器件TLP521
3
三端稳压器LM7805
1
HP-12854F型LCD显示屏
1
升级会员 