发布时间 : 星期三 文章基于单片机和组态王的温度控制系统设计 毕业设计更新完毕开始阅读bba684dc900ef12d2af90242a8956bec0975a516
河南理工大学毕业设计（论文）说明书
2 方案论证与主要器件选型
2.1方案比较与选择
2.1.1温度测量方案选择
温度测量的方案有很多种，可以采用传统的分立式传感器、模拟集成传感器以及新兴的智能型温度传感器。对于控制系统可以采用计算机、单片机等。
方案一:
采用模拟分立元件，如电容、电感或晶体管等非线性元件，实现多点温度测量及显示，该方案设计电路简单易懂，操作简单，且价格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成数字化，而且测量误差大。
方案二：
本方案采用单片机为核心，通过温度传感器AD590采集温度信号，经信号放大器放大后，送到A/D转换芯片，最终经单片机检测处理温度信号。该方案技术已经成熟，A/D转换电路较繁琐，而且使用AD590进行温度检测必须对冷端进行补偿，以减小误差。该方案系统框图如下：
多路开关变送器A/D转换单片机LED显示温度传感器
图2-1 方案二系统框图
方案三：
本方案采用单片机为核心，温度传感器采用DS18B20。DS18B20利用单总线特点可以方便的实现多点温度测量，轻松的组建传感器网络。系统中还可有键盘电路、数码管显示电路和超温报警电路等，也可以利用RS232协议实现单片机与PC机的串口通信，实现计算机对温度的实时监控。其系统框图如下：
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PC机MAX232电平转换芯片键盘电路DS18B20温度传感器电源电路AT89S51单片机LED显示报警电路控制电路
图2-2 方案三系统框图
基于数字式温度计DS18B20的温度测量仪的软硬件开发过程是将DS18B20的温度信号直接转换为数字信号，实现了与单片机的直接接口，从而省去了信号调理电路。该仪器电路简单、功能可靠、测量效率高，很好的弥补了传统温度测量的不足。相对于方案一，在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升。相对于方案二，硬件电路简单，易于操作，具有更高的性价比，更大的市场。所以我们采用方案三完成设计。
2.1.2温度控制方案的选择
家用220V交流电有如下三种常见控制电路： （1）电磁继电器
电磁继电器是自动控制电路中常用的一种元件，它是用较小电流控制较大电流的一种自动开关，广泛应用于电子设备中，价格便宜，但开关速度较慢。
（2）固态继电器
固态继电器与电磁继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。SSR是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”。 由于固体继电器具有高稳定、高可靠、无触点及寿命长等优点，广泛应用在电动机调速、正反转控制、调光、家用电器、烘箱烘道加温控温、送变电电网的建设与改造、电力拖动、印染、塑科加工、煤矿、钢铁、化工和军用等方面。
固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型，按开关形式分为常开型和常闭型，按隔离形式分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔离型为最多。SSR
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以触发方式，可分为零压型（Z）和调相型（P）两种。在输入端施加合适的控制信号VIN时，P型SSR立即导通；当VIN撤销后，负载电流低于双向可控硅维持电流时（交流换向），SSR关断。Z型SSR内部包括过零检测电路，在施加输入信号时，只有当负载电源电压达到过零区时，SSR才能导通，并有可能造成电源半个周期的最大延迟。Z型SSR关断条件同P型，但由于负载工作电流近似正弦波，高次谐波干扰小，所以应用广泛。
（3）双向可控硅
双向可控硅串在交流电源加热电路中，在给定周期里改变可控硅开关的接通时间，就能改变加热功率而实现温度控制。故单片机只要用一个I/O口，通过程序输出控制脉冲控制可控硅通电时间，就能实现PID调节。
本设计采用固态继电器，具体采用PID控制算法，并由该算法计算出相应的控制输出量，控制固态继电器在控制周期内的通断占空比的目的，进而控制加热器工作，最终达到对温度进行控制的目的。为了简化输出通道的硬件结构，考虑到加热系统具有较大的热惯性，本设计采用脉冲宽度调制的控制方法，即PWM波控制。
2.2主要器件的选择
2.2.1传感器
根据上节结论，本设计采用温度传感器DS18B20，DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点，温度测量范围－55～＋125℃，可直接将温度值转换成数字量。DS18B20遵循严格的单线串行通信协议，每一个DS18B20在出产时都用激光进行了调校，并具有唯一的64位序列号，多个DS18B20可以共存于同一条线上。DS18B20的内部使用了主板（ON-BOARD）专利技术，封装为TO-92的DS18B20将全部的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，如图2-3。其外围电路简单，可广泛应用于温度控制、温度测量，工作系统以及任何热敏感系统中。
图2-3 DS18B20引脚
引脚说明：1号引脚接地，2号引脚接数据端，3号引脚接电源。
DS18B20的内部主要包括寄生电源、温度传感器、64位串行ROM单线接口、存储中
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间数据的高速暂存器(内含便笺式RAM)、用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余检验码(CRC)发生器等七部分,如图2-4。
存储器与控制器64位ROM和单线接口温度灵敏元件低温触发器TL高速缓存存储器高温触发器TH电源检测配置寄存器8位CRC生成器
图2-4 DS18B20内部结构
DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术。DS18B20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号fO,高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。当计数门打开时，DS18B20对fO计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以补偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下，温度应为有9位（符号占1位），但因符号位扩展成高八位，故以16位补码形式读出，输出的数据与温度的关系如下表所示：
表2-1 DS18B20输出数据与温度的关系
温度/℃ +125 +85 +25.0625 +10.125 -0.5 0 -10.125 -25.0625 -55
数字输出（二进制） 0000 0111 1101 0000 0000 0101 0101 0000 0000 0001 1001 0001 0000 0001 1010 0010 0000 0001 1010 1000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 0101 1110 1111 1110 0101 1111 1111 1100 1001 0000
数字输出(十六进制)
07D0H 0550H 0191H 00A2H 0008H 0000H FF5EH FE6FH FC90H
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