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1、具有红外保护的温度自动控制系统的设计本科论文丽水职业技术学院毕业设计(论文) 课 题 名 称 具有红外保护的温度自动控制系统的设计 学 生 姓 名 学 号 院(系)、专业 指 导 教 师 职 称 2007 年 12月 日 摘要前言第1章 红外保护温度自动控制系统的总体设计与主要特点 1第1.1节 计算机电子技术发展的概述与系统问题的提出 第1.2节 方案的选择及设计思路与原理方框图 第2章 系统的硬件设计 第2.1节 系统电源的设计与分析 第2.2节 中央控制器 AT89C51 第2.3节 A/D转换器的工作原理及集成温度传感器电路的分析 第2.4节 温度读取电路的分析与设计 第2.5节 红外

2、线人体检测电路的设计与分析 第2.6节 其他外围电路的设计与分析 第2.7节 红外保护温度自动控制系统的总电路图与总体实现 第3章 系统的软件设计 第3.1节 系统的程序设计流程图 第3.2节 系统总的程序设计 第4章 产品的制作,安装与调试 第4.1节 元器件的选择 第4.2节 PCB板图的及产品的制作 第4.3节 元件安装焊接 第4.4节 系统安装与调试 总结 参考文献 致谢 附录 红外保护温度自动控制系统的设计*摘要：文章首先介绍了系统的设计方案思路与原理图，进而阐明了设计具有红外保护功能的温度自动控制系统的意义。文章采用分块模式，对整个系统的硬件与软件设计进行分析，其中硬件部分着重介绍

3、了传感器电路、电源电路、单片机AT89C51控制芯片、红外线人体信号检测电路、外围控制电路等，还介绍了集成温度传感器的相关知识与使用技巧,软件部分就针对一些具体模块进行编程并且对一些单片机的整体软件部分进行分析。文中还介绍了系统的PCB板制作，安装与调试的有关内容。 关键词：温度；自动控制；单片机；控制；软件；调试；编程The Develop and design systemic of Digital temperature patrol *Electric electronic information engineering specialty of 2003 grades of info

4、rmation engineering institute, ShaoYang College, Hunan 422004Abstract: This text introduced the systematic thinking of design plan and principle picture at first, and then has expounded that The Develop and design systemic of Digital more way temperature patrol with the warning system automatically.

5、 This literary grace uses and divides a mode, analyzed to the hardware of the whole system and software design; among them the part of the hardware has introduced sense organ circuit, electrical source circuit, direct, MCU AT89C51 controls chip, peripheral control circuit, and the A/D switch CMOS ch

6、ip etc. The part of the software carries on programming to some concrete module and analyzes the whole software part of any SCM. This text also introduces PCB board of this system between the interface and controller of the MCU to make too in the article, install the content related to ones that are

7、 debugged.Keyword: digital; more way; SCM (MCU); control; software; Debug; program前 言现代电子技术日新月异，各种新型的自动控制系统也越来越多地运用到人们的日常生活、工业生产等领域，它不但可以提高劳动生产率，而且可以使控制的设备或执行的操作更加精确。传感器是信息采集的重要工具，传感器技术与通信技术（信息传输）和计算机技术（信息处理），构成了现代信息技术的三大支柱，它们在信息系统中分别起着“感觉”，“神经”，和“大脑”的作用。现代电子产品正在以前所未有的革新速度,向着功能多样化，体积最小化，功耗最低化的方向发展。它

8、与传统电子产品在设计上的显著区别一是大量使用大规模可编写芯片，以提高产品性能，缩小产品体各，降低产品功耗，二是广泛运用现代计算机技术，以提高电子设计自动化程序，缩短开发周期，提高产品的竞争力。单片机的单芯片的微小体积和极低的成本，可广泛地嵌入到电子系统，办公自动化、舰船、个人信息终端及通信产品等方方面面，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，能够独立工作的温度检测和显示系统已经应用于诸多领域。在一些运用场合必须保证温度在一定的范围内，如何来保证这一要求是人们研究的一个课题。最初是人为地通过观察温度计来确定环境温度是否在要求范围内，当低于要求值

9、时，接通加热设备的电源，进行加热；当超过要求时，切断电源，停止加热。这种操作，这不仅浪费人力资源，还存在很大的误差。因此，如何解决这一问题就成为了一个迫切的问题。开发出能够随时进行温度检测的恒温自动控制系统成了人们追求的目标，也符合智能时代发展的要求。现代的电子产品朝密集型发展，而电子产品的温度特性普遍比较差，这就对温度的自动控制提出了新的要求。若采用国外进口的温度检测与自控系统,虽然其性能较好,但是结合国情,其价格相当昂贵,又是全英文,推广起来较困难所以，我们设计出一个利用集温度检测、信号放大、模数转换于一体的集成温度传感器DS18B20作为系统的测温器件，用51系列单片机作为中央控制单元的

10、烤房温度自动控制系统。由于温度数据采集及模数转换采用了集成器件，因此设计上相对来说简单明了，同时考虑到加热设备对人体有一定的伤害，在设计中我们加入了红外线人体检测功能，当有人进入加热场所后，自动切断回路，停止加热，启到一定的保护功能。第1章 红外保护温度自动控制系统的总体设计与主要特点在本章中，我们将红外保护功能的温度自动控制系统的总体设计及其主要的功能特点进行简单的分析，并给出它的特点，实现的功能以及系统的简单操作，以对单片机及其控制系统的了解。第1.1节 计算机电子技术发展的概述与系统问题的提出近年来，计算机技术析迅猛发展，使得计算机在工业，农业，国防科研及日常生活的各个领域显示了日益旺盛

11、的生命力，它已成为各国工业发展水平的主要标志之一，是发展新技术，改造老技术的强有力的武器，计算机使人类面临着一个新的赞赏技术和工业革命，它的作用远远超过了因蒸汽机和电的出现而产生的工业革命。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，单片机的发展正朝着CMOS化，低功耗，小体积，大容量，高性能，低价格和外围电路的内装化等几个方面发展。近几年，由于某种原因CHMOS技术的进步，大大地促进了单片机的CMOS化，此种芯片除了低功耗外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态，并且单片机一般采用精简指令集结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度，提升信息处理功能，中断和定时控制功能，在一般

12、上还具有串行扩展技术，随着低价位OTP及各种类型片内程序存储器的发展，加之外围接口不断进入片内，特别是IIC，API等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。这就引导我们利用单片机来实现对数显可调稳压电源的控制。 随着电子技术的迅速发展，计算机已深入地渗透到我们的生活中，就51系列而言，由于Intel公司将其内核使用权以专利互换或出售的形式转给世界许多著名IC制造商，随着计算机技术的不断发展，在工业测量控制领域内单片机的应用越来越广泛。同时，随着超大规模集成电路工艺和集成制造技术的不断完善，单片机的硬件集成度也不断提高，已经出现了能满足各种不同需求、具有各

13、种特殊功能的单片机，这类单片机具有集成度高、性能价格比优越、货源充足等优点，在工业测量领域内获得了极为广泛的应用价值。现代的电子产品朝密集型发展，而电子产品的温度特性普遍比较差，这就对温度的自动控制提出了新的要求。若采用国外进口的温度检测与自控系统,虽然其性能较好,但是结合国情,其价格相当昂贵,又是全英文,推广起来较困难。就是在以上问题出现的情况下，我们设计出一个利用集成温度传感器，配合单片计算机系统，从软件的编制上实现对各外围硬件的控制，最终实现对烤房内温度进行自动控制。在硬件的设计上，所有元器件都采用了通用型产品，使得设计出来的产品生产及维修都相当方便，可以有效地降低成本，同时另外一点就是

14、能用软件实现的功能尽量选用软件进行操作，更加突出了产品的简单性和高可靠性，因些，我们这一设计方法是一个值得推广的方法，接下来我们就对方案与设计原理方框图进行比较分析。第1.2节 方案的选择及设计思路与原理方框图为了使设计具有高可靠性，与实际运用的紧密结合性，从经济、实用的角度出发，我们对烤房温度控制系统进行精心的设计，在设计过程中，我们综合多方面的知识进行分析，对于本系统的设计，其控制部分的电路基本相同，主要不同的是对温度传感器的选用，下面就各种不同的传感器沟成的温度自动控制系统进行分析与对比。 一、热膨胀式温度计该温度计是利用膨胀法来测量温度的一种仪表。膨胀式温度计按选用的物质不同可分为液体

15、膨胀式温度计,气体膨胀式温度计(压力式温度计) 和固体膨胀式温度计三大类。对于液体膨胀式温度计,根据填充的工作液不同又可分为水银温度计和有机液体温度计;固体膨胀式温度计,按结构又可分为双金属温度计和杆式温度计两种。膨胀式温度计可以用作标准仪器,广泛用于测量设备,管道和容器的温度; 在医疗卫生和食品工业中也得到了广泛的应用。膨胀式温度计具有结构简单,制造和使用方便,价格便宜以及精度高等优点。缺点:不便于远距离测温(压力式温度计除外) ,结构脆弱,易坏。二、电阻温度计热电阻是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的特性来测量温度的一种感温元件。使用热电阻作感温元件的温度计常称为电阻温度计。常用的

16、热电阻有: 铜电阻、铂热电阻和镍热电阻。热电阻必须与二次仪表配合使用才能指示出被测介质的温度。热电阻的测温原理是基于金属导体的电阻值随温度的变化而变化的特性,再用显示仪表测出热电阻的电阻值从而得出与电阻值相应的温度值。这种测温的方法已广泛运用于工业生产与民用生活中，在此基础上，人们还将热敏电阻与信号放大、模数转换集成在一块芯片中，开发了集成温度传感器，使得设计出来的温度自动控制系统既简单可靠性又高，因此在业内运用极广。优点：电阻温度计具有测量精度高,性能稳定,灵敏度高,应用范围广,可远距离测温,便于微机实时处理,并能实现温度自动控制和记录。 三、热电偶热电偶是用两种不同成份的导体焊接在一起,两

17、端温度不同时,在回路中就会有热电势产生,因此热电偶是通过测量热电势从而测量温度的一种感温元件,它是一种变换器,它能将温度信号转变为电信号再由显示仪表显示出来。热电偶测量温度的基本原理是热电效应。它是热电效应理论的具体应用之一。在温度测量中得到了广泛的应用。优点: 测量精度高，结构简单，动态响应快，可作远距离测量， 测温范围广。四、辐射式测温仪表辐射式测温仪表是指依据物体辐射的能量来测量其温度的仪表。它属于非接触式测量仪表,具有测量温度高,反应迅速,热惰性小等优点。该仪表适用于有腐蚀性的高纯度的物体以及运动状态物体的温度测量。在热处理行业中常用来测量高温盐炉,油炉和煤气炉的温度,由于它的感温部分

18、不与测温介质直接接触。因此,其测温精度不如热电偶温度计高,测量误差较大,其测量范围一般在400 3200 。这类仪表有全辐射高温计,单辐射高温计和比色温度计三种。五、石英温度传感器测温仪石英温度传感器的测温原理是以石英晶体片作为测温元件,将温度变化的模拟量转化为石英晶体震荡频率的数字量,再将此频率信号进行转换,并显示其温度值。石英晶体温度传感器稳定性很好,灵敏度可达0.001 以上。缺点：响应速度较慢,测温速度约为一秒钟一次,显然不适合快速测温场合。而本设计主要参考电阻温度计的原理，但针对其在温度信号采集时容易产生误差大这个缺点对温度采集电路进行改进。经过以上分析，结合本系统的运用需要，决定选

19、用电阻式集成温度传感器作为系统的测温传感器。图 1.1 基于热敏电阻的烤房温湿度控制系统方框图系统0017理方框图_该系统主要由以下功能块系统构成：中央控制处理器AT89C51组成的主机系统；环境数据采集系统等。主要的系统电路有：电源电路、温度传感器与模数转换电路、显示电路，报警电路、输出控制电路、加热电路等。电路分析我们在下一章节中进行分析。该系统的主要特点有： 该产品的互换性好，响应速度快，抗干扰能力强，外围电路简单易懂，因此体积小。 该系统能用软件的方式控制硬件，所有用软件方式设计的系统向硬件系统的转换是由有关开发软件自动完成的，易操作。 可以从以前的组合设计转向真正的自由设计，所以设计

20、的移植性好，效率高。可适合大规模的现场制作。 第2章 系统的硬件设计该系统的硬件设计采用了的整体系统设计方法。按实现的功能来分，可分为以下几个部分。电源电路、数据采集电路、模数转换电路、红外人体检测电路、中央控制单元、显示电路、报警电路以及加热电路，其中，AT89C51单片机是整个电路的核心，它控制其他模块来完成各种复杂的操作。在本章下面的几个小节中，我们根据附图1所示的硬件设计图，对各个主要的电路进行详细的设计和分析。第2.1节 系统电源的设计与分析任何一款电子产品，都必须在通电的情况下才能正常工作，在设计红外保护功能的温度自动控制系统之前，我们应该设计一个高精度的电源，而我们首先对整流，滤

21、波与稳压电路的工作原理及其一些基本的参数进行分析。再根据其性质对烤房温度控制系统的电源进行精心设计。2.1.1整流电路的工作原理及其参数分析整流是把交流电变换成直流电的过程，它的基本原理是利用了晶体二极管的单向导电特性。半波整流电路及信号的输入、输出波形如图2.1所示。 ui D iD Uim 0 t 220V ui RL uo uo Uo Uom 0 t 图 2.1半波整流电路及信号的输入、输出波形整流电路负载上的直流电压就是输出脉动电压的平均值。由傅里叶级数展开式可知，其输出电压可表示为： （1）式中Uom/为直流分量，Uom/2为基波交流分量，其它为谐波分量。忽略二极管内阻时，输出直流电

22、压为： （2）式中Uim为变压器次级交流变压器的峰值，Ui为其有效值。 ui 220V ui RL uo 图2.2桥式整流电路及信号的输入、输出波形 桥式整流电路及信号的输入、输出波形如图2所示。同理，其输出电压可表示为： （3） 输出直流电压为： （4） 比较公式（2）与（4）可知：桥式整流电路的输出直流电压比半波整流的高一倍。 为了衡量整流电源这一特性的好坏，常用纹波因数来表示。即： （5） 越小，输出脉动越小，表示整流电源的性能越好。2.1.2滤波电路的工作原理及其参数分析 虽然整流电路的输出电压包含一定的直流成分，但脉动较大，须经过滤波才能得到较平滑的直流电压。常用滤波器有C型、 型、

23、 型。本实验只研究C型与（RC） 型滤波器。图2.3为桥式整流C型滤波电路及其输出电压的波形。 uo Uom 220V ui C RL uo Uo 0 t图2.3桥式整流C型滤波电路及其输出电压的波形图4为桥式整流（RC）型滤波电路及其输出电压的波形。（图中：C = C1 =1000F，C2 = 100F，RL=1k，R = 100） uc R 0 t 220V ui uc C1 C2 RL uo uo Uom Uo 0 t 图2.4桥式整流（RC）型滤波电路及其输出电压的波形 由图中可知，经过电容的滤波作用后，其输出电压变得比较平滑，脉动大大减小，而且直流成分增加，对C型滤波，负载RL、C的

24、数值越大，纹波越小，输出直流电压越接近于变压器次级交流电压的峰值Uim，其输出直流电压的范围为： UO =（0.9 1.4）Ui （6）对于型滤波，输出脉动更小，但输出直流电压略有降低。2.1.3集成稳压电路的设计经整流、滤波后产生的直流电源，虽然脉动大大降低，但若负载电流发生变化时，将直接影响输出电压的平均值，而在本系统中，当温度小于设定值时，将开启加热设备进行加热，其对加热设备的控制是通过继电器来完成的，5V工作电压的继电器在工作时，需要50mA左右的负载，也就是说，当继电器工作与停止时，负载电波将有50mA以上的变化，因此只有整流加滤波的电源无法满足负载的需要，我们还必须在整流滤波电路后

25、加上稳压电路方能完成对系统的供电要求。稳压电路有多种，在这里我们选择既简单性能又好的集成稳压器件。三端集成稳压器件LM7800系列，有多种输出稳压值的供选择，常用的有5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V。在本系统中，由于51单片机的工作电压为5V，因此我们选择LM7805作为三端稳压器件。 LM7805系列集成稳压块主要技术参数： 输入电压：DC7V20V最大输出电流：500mALM7805系列稳压块封装如图2.5所示： 图2.5 LM7805引脚功能 1脚为输入端 2脚为公共端 3脚为输出端 注意事项： 引脚不能接错，公共端不能悬空； 为防止过热应安装散热片； (在安装时,由于用

26、力过猛,把引脚给压断过，因此在后面的安装过程中，我们特别小心)。 印制板上的滤波电容应直接与引脚相连。2.1.4电源电路元件参数的选择滤波电容的选择滤波电容C的大小取决于放电回路的时间常数。RLC越大，输出电压的脉动就越小。作为滤波电路，电容的容量越大越好，但容量越大的电容其成本越高，使得设计出来的整流电路生产成本也增高，为了达到在满足要求的前提下，使得生产成本最低，通常取RLC为脉动电压中最低次谐波周期的（35）倍，即d=RLC（35）T最低次谐波当交流电源频率为50Hz时，对于半波整流电路，由上式可求得滤波电容的容量：C（35）T/RL=（35）0.02/RL对于全波整流电路，最低次谐波频

27、率等于电源频率的二倍，由上式可求得滤波电容的容量：C（35）T/RL=（35）0.01/RL其中RL是整个负载的等表示法，但我们设计的系统较为复杂，其中有许多非线性元器件的存在，因此无法准确地计算出具体的负载电阻值，因此我们初步确定系统的负载电流为200mA，由于LM7805的输入电压要求为720V，我们选输入电压为9V，因此 ：RL= U/I=9/0.2=45C（35）T/RL=（35）0.01/45=40.0145=889uF耐压值为不小于1.2倍输出电压，即91.2=10.8V因此选滤波电容的参数为：1000uF/16V的电解电容。整流二极管的选择当滤波电容进入稳定工作时，电路的充电电流

28、平均值等于放电电流平均值，因此，二极管的最大整流电流可按下式进行选择：IFID=IL （半波整流）IFID=1/2IL （全波整流）桥式整流电容滤波电路中，二极管的最高反向工作电压为：URM1.414U=1.4149=12.7V通过查找二极管的参数手册，我们选择1N4007，其反向耐压为1000V，工作电流为1A，可以满足本系统的要求。 电源变压器的选择对于变压器的选择，主要是对变压器功率和次级电压的确定。由式UO =（0.9 1.4）Ui这里Ui是变压器的次级输出电压，由上式可知：Ui= UO0.9=10V系统的功率为:P=UI=90.2=1.8W由于系统是经三端稳压器件供电的，其输入电压范

29、围较宽,我们最终选择3W/12V的电源变压器。经过计算确定，我最终设计的电源电路如图2.6。图2.6 电源电路原理图为了改善波纹特性,在稳压电源的输入端加接电容C4;在其输出端加接电容C5,C8,目的是为了改善负载的瞬态响应、防止自激振荡和减少高频噪声。第2.2节 中央控制器 AT89C51 2.2.1 芯片AT89C51的性能及其常用参数的分析AT89C51是由美国Atmel 公司生产的至今为止世界上最新型的高性能八位单片机。该芯片采用FLASH存储技术，内部具有2KB字节快闪存存储器，采用DIP封装，是目前在中小系统中应用最为普及的单片机。、AT89C51的特点AT89C51具有以下几个特

30、点：AT89C51与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；片内有4k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；全静态工作,工作范围:0Hz24MHz；三级程序存储器加密；1288位内部RAM；32位双向输入输出线；两个十六位定时器/计数器五个中断源,两级中断优先级；一个全双工的异步串行口；间歇和掉电两种工作方式。、AT89C51的功能描述AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有4k字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。它与MCA-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程,而且擦写时间仅需10毫秒，仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一,与8751/87C51的12V电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围宽（2.7V6V），全静态工作，工作频率宽在0Hz24MHz之间，比8751/87C51等5