单片机硬件实习报告温度控制系统

学号：

常州大学

单片机硬件实习报告

题目：

学生：

学院（系）：专业班级：

指导教师：

单片机硬件实习任务书

通信工程教研室指导教师：屈霞 _

温度测控与显示设计

摘要：该温度测控与显示系统采用单片机进行温度实时采集与控制。温度信号由“一线总线”数字化温度传感器DS18B20提供，DS18B20在-10～+85°C范围内, 固有测温分辨率为0.5 ℃。温度实时控制采用继电器控制电热丝和风扇进行升温、降温控制。系统具备较高的测量精度和控制精度，能完成升温和降温控制。

目录

1. 系统方案选择和论证 (2)

1.1 题目要求 (2)

1.1.1 基本要求 (2)

1.1.2 发挥部分 (2)

1.1.3 说明 (2)

1.2 系统基本方案 (2)

1.2.1 各模块电路的方案选择及论证 (2)

1.2.2 系统各模块的最终方案 (5)

2. 硬件设计与实现 (6)

2.1系统硬件模块关系 (6)

2.2 主要单元电路的设计 (6)

2.2.1 温度采集部分设计 (6)

2.2.2 加热控制部分 (8)

2.2.3 键盘、显示、控制器部分 (8)

3. 系统软件设计 (10)

3.1 读取DS18B20温度模块子程序 (10)

3.2 数据处理子程序 (10)

3.3 键盘扫描子程序 (12)

3.4 主程序流程图 (13)

4. 系统测试 (14)

4.1 静态温度测试 (14)

4.2动态温控测量 (14)

4.3结果分析 (14)

附录1：产品使用说明 (15)

附录2：元件清单 (15)

附录3：系统硬件原理图 (16)

附录4：软件程序清单 (17)

参考文献 (26)

1.系统方案选择和论证

1.2 系统基本方案

根据题目要求系统模块分可以划分为：温度测量模块，显示电路模块，加热模块，控制模块，系统的框图如图1.2.1所示。为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。

1.2.1 各模块电路的方案选择及论证

（1）控制器模块

根据题目要求，控制器主要用于对温度测量信号的接受和处理、控制电热丝和风扇使控制对象满足设计要求、控制显示电路对温度值实时显示以及控制键盘实现对温度值的设定等。对控制器的选择有以下三种方案：

图1.2.1 系统基本模块方框图

方案一：采用FPGA作为系统控制器。FPGA功能强大，可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。FPGA采用并行的I/O口方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统控制核心。由温度传感器送来的温度信号，经FPGA程序对其进行处理，控制加热装置动作。但由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且其成本偏高，引脚较多，硬件电路布线复杂。

方案二：采用模拟运算放大器组成PID控制系统。对于水温控制是足够的。但要附加显示、温度设定等功能，要附加许多电路，稍显麻烦。

方案三：采用ATMEL公司的AT89C52作为系统控制器。单片机算术运算功能强，软件

编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。基于以上分析拟订方案二，由AT89C52作为控制核心，对温度采集和实时显示以及加热装置进行控制。

（2）加热装置有效功率控制模块

根据题目，可以使用电热炉进行加热，控制电热炉的功率即可以控制加热的速度。当水温过高时，关掉电热炉进行降温处理，让其自然冷却。在制作中，我们装设一个小电风扇，当水温超高时关闭电炉开启风扇散热，当需要加热时开启电炉关闭风扇。由于加热的功率较大，考虑到简化电路的设计，我们直接采用220V电源。对加热装置控制模块有以下两种方案：

方案一：采用可控硅来控制加热器有效功率。可控硅是一种半控器件，应用于交流电的功率控制有两种形式：控制导通的交流周期数达到控制功率的目的；控制导通角的方式控制交流功率。由交流过零检测电路输出方波经适当延时控制双向可控硅的导通角，延时时间即移相偏移量由温度误差计算得到。可以实现对交流电单个周期有效值周期性控制，保证系统的动态性能指标。该方案电路稍复杂，需使用光耦合驱动芯片以及变压器等器件。但该方案可以实现功率的连续调节，因此响应速度快，控制精度也高。

方案二：采用继电器控制。使用继电器可以很容易实现地通过较高的电压和电流，在正常条件下，工作十分可靠。继电器无需外加光耦，自身即可实现电气隔离。这种电路无法精确实现电热丝功率控制，电热丝只能工作在最大功率或零功率，对控制精度将造成影响。但可以由多路加热丝组成功率控制，由单片机对温差的处理实现分级功率控制提高系统动态性能。基于以上分析以及现有器件限制选择方案二，采用继电器控制省去光耦和交流过零检测电路，在软件上选用适当的控制算法，同样可以达到较好的效果。

（3）温度采集模块

题目要求温度静态误差小于等于0.2℃，温度信号为模拟信号，本设计要对温度进行控制和显示，所以要把模拟量转换为数字量。该温度采集模块有以下三种方案：方案一：利用热电阻传感器作为感温元件，热电阻随温度变化而变化，用仪表测量出热电阻的阻值变化，从而得到与电阻值相应的温度值。最常用的的是铂电阻传感器，铂电阻在氧化介质中，甚至在高温的条件下其物理，化学性质不变。由铂电阻阻值的变化经小信号变送器XTR101将铂电阻随温度变化的转换为4～20mA线形变化电路，再将电流信号转化为电压信号，送到A/D转换器——ADC0809.即将模拟信号转换为数字信号。该方案线性度优于0.01％。

方案二：采用温度传感器AD590K。AD590K具有较高精度和重复性，良好的非线性保证±0.1℃的测量精度。加上软件非线性补偿可以实现高精度测量。AD590将温度转化为电流信号，因此要加相应的调理电路，将电流信号转化为电压信号。送入8为A/D转换器，可以获得255级的精度，基本满足题目要求。

方案三：采用数字温度传感器DS18B20。DS18B20为数字式温度传感器，无需其他外加电路，直接输出数字量。可直接与单片机通信，读取测温数据，电路简单。如图 1.2.2 所示。