【毕业设计论文】温度监控系统的设计【有对应的CAD图】

订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 引言 随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段传感器技术得到了显著的进 步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为 衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本 结构、工作原理及特性是非常重要的。 由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以 利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制，但是它们都不同程度地存在温漂和非 线性等影响因素。 传感器主要用于测量和控制系统， 它的性能好坏直接影响系统的性能。 因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适 当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器应 用实例的原理和智能传感器实例的分析了解，才能将传感器和信息通信和信息处理结合 起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。另一方面，传感器的被测信号来自于各 个应用领域，每个领域都为了改革生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应 用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。温度传感器是其中重 要的一类传感器。其发展速度之快，以及其应用之广，并且还有很大潜力。 为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用 途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合传感器技术而 开发设计了这一温度监控系统。文中传感器理论单片机实际应用有机结合，详细地讲述 了利用热敏电阻作为热敏传感器探测环境温度的过程，以及实现热电转换的原理过程。 本设计应用性比较强，设计系统可以作为生物培养液温度监控系统，如果稍微改装 可以做热水器温度调节系统、实验室温度监控系统等等。课题主要任务是完成环境温度 检测，利用单片机实现温度调节并通过计算机实施温度监控。设计后的系统具有操作方 便，控制灵活等优点。 本设计系统包括温度传感器，A/D 转换模块，输出控制模块，数据传输模块，温度 显示模块和温度调节驱动电路六个部分。 文中对每个部分功能、 实现过程作了详细介绍。 整个系统的核心是进行温度监控，完成了课题所有要求。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 1 设计要求 1 . 1 控制要求 （1 ）生物繁殖培养液的温度要保证在适于细胞繁殖的温度内，这主要在控制程序 设计中考虑。温度控制范围为 1 5 2 5 ，升温、降温阶段的温度控制精度要求为 0 . 5 度， 保温阶段温度控制精度为 0 . 5 度 。 图 1 . 1 . 1 温度控制曲线 （2 ）微机自动调节 正常情况下，系统投入自动。 （3 ）模拟手动操作 当系统发生异常，投入手动操作。 （4 ）微机监控功能 显示当前被控量的设定值、实际值，控制量的输出。 1 . 2 受控对象的数学模型 生物繁殖的培养液主要用于生物的繁殖研究，而温度是影响生物繁殖的重要因素。 本系统要求长时间监视培养液的温度，并对当前的温度进行控制。本控制对象为生物繁 殖用培养液，采用继电器进行控制。 2 系统的硬件配置 2 . 1 单片机和系统总线 单片机：P I C 1 6 F 8 7 7 A （P I C 1 6 F 8 7 7 A为美国 M I C O R C H I P公司生产的带 A / D转换的 8位单 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 片机） 。 显示系统：商用计算机。 用户内存：2 5 6 M R A M 。 系统总线：R S - 2 3 2 - C接口（又称 E I A R S - 2 3 2 - C ）R S 2 3 2 C有 2 5条线， ，分为 5个功能 组， 包括 4 条数据线， 1 1 条控制线， 3 条定时线， 7 条备用线和未定义线。 操作系统：W i n d o w s 2 0 0 0 。 2 . 2 硬件介绍 计算机工作的外围电路设备 （1 ）温度传感器 温度传感器采用补偿型 N T C 热敏电阻其主要性能如下： 补偿型 N T C 热敏电阻 B 值误差范围小，对于阻值误差范围在 5 的产品，其一致 性、互换性良好。适合于一般精度的温度测量和计量设备。 外型结构和尺寸： 图 2 . 2 . 1 温度传感器结构尺寸图 主要技术参数： 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 时间常数3 0 S 测量功率0 . 1 m W 使用温度范围- 5 5 + 1 2 5 耗散系数6 m W / 额定功率 0 . 5 W 降功耗曲线： 图 2 . 2 . 2 温度传感器功耗曲线图 （2 ）核心处理单元 M i c r o C h i p P I C 1 6 F 8 7 7 A 单片机 M i c r o C h i p P C I 1 6 F 8 7 7 A 单片机主要性能： 具有高性能 R I S C C P U 仅有 3 5 条单字指令。 除程序指令为两个周期外，其余的均为单周期指令。 运行速度：D C - 2 0 M 时钟输入。 D C - 2 0 0 n s 指令周期。 8 K * 1 4 个 F L A S H 程序存储器。 3 6 8 * 8 个数据存储器（R A M ）字节。 引脚输出和 P I C 1 6 C 7 3 B / 7 4 B / 7 6 / 7 7 兼容。 中断能力（达到 1 4 个中断源） 。 8 级深度的硬件堆栈。 直接，间接和相对寻址方式。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 上电复位（P O R ） 。 上电定时器( P W R T ) 和震动启动定时器。 监视定时器（W D T ） ，它带有片内可靠运行的 R C 振荡器。 可编程的代码保护。 低功耗睡眠方式。 可选择的振荡器。 低功耗，高速 C M O S F L A S H / E E P R O M 工艺。 全静态设计。 在线串行编程( I C S P ) 。 单独 5 v 的内部电路串行编程( I C S P ) 能力。 处理机读/ 写访问程序存储器。 运行电压范围 2 . 0 v 到 5 v 。 高输入/ 输出电流 2 5 m A 。 商用，工业用温度范围。 低功耗： 在 5 v , 4 M H z 时典型值小于 2 m A 。 在 3 v , 3 2 K H z 时典型值小于 2 0 u A 。 典型的静态电流值小于 1 u A 。 外围特征： T i m e r 0 ：带有预分频的 8 位定时器/ 计数器。 T i m e r 1 ：带有预分频的 1 6 位定时器/ 计数器，在使用外部晶体时钟时在 S L E E P 期间仍能工作。 T i m e r 2 ：带有 8 位周期寄存器，预分频和后分频器的 8 位定时器/ 计数器 2 个捕捉器，比较器和 P W M 模块。 其中 ：捕捉器是 1 6 位的，最大分辨率为 1 2 . 5 n S 。 比较器是 1 6 位的，最大分辨率为 2 0 0 n S 。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 P W M 最大分辨率为是 1 0 位。 1 0 位多通道模/ 数转换器。 带有 S P I （主模式）和 I 2 C （主/ 从）模式的 S S P 。 带有 9 位地址探测的通用同步异步接收/ 发送（U S A R T / R C I ） 。 带有 R D , W R 和 C S 控制（只 4 0 / 4 4 引脚）8 位字宽的并行从端口。 带有降压的复位检测电路。 （3 ）R S - 2 3 2 - C 接口电路 计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二 种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多 条线路特性的不一致而被广泛采用。 在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接 口， 使不同 的设备可以方便地连接起来进行通讯。 R S - 2 3 2 - C 接口 （又称 E I A R S - 2 3 2 - C ） 是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在 1 9 7 0 年由美国电子工业协会（E I A ）联合贝 尔系统、 调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标 准。它 的全名是“数据终端设备（D T E ）和数据通讯设备（D C E ）之间 串行二进制数据交换接 口技术标准” 该标准规定采用一个 2 5 个脚的 D B 2 5 连接器， 对连接器的每个引脚的信号 内容加以规定，还对各种信 号的电平加以规定。 接口的信号内容 实际上 R S - 2 3 2 - C的 2 5条引线中有许多是很少使用的，在计算 机通讯中一般只使用 3 - 9 条引线。R S - 2 3 2 - C 最常用的 9 条引线的信号。 接口的电气特性 在 R S - 2 3 2 - C 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻 辑。 “1 ” ，- 5 - 1 5 V ；逻辑“0 ” + 5 + 1 5 V 。噪声容限为 2 V 。即 要求接收器能识别低 至+ 3 V 的信号作为逻辑“0 ” ，高到- 3 V 的信号 作为逻辑“1 ” 。 接口的物理结构 R S - 2 3 2 - C接口连接器一般使用型号为 D B - 2 5的 2 5芯插头座, 通常插头在 D C E 端, 插座在 D T E 端. 一些设备与 P C 机连接的 R S - 2 3 2 - C 接口, 因为不使用 对方的传送控制信号, 只需三条接口线, 即“发送数据” 、 “接收数据”和“信号地” 。所 以采用 D B - 9 的 9 芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。 传输电缆长度 由 R S - 2 3 2 C 标准规定在码元畸变小于 4 % 的情况下，传输电缆长度 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 应为 5 0英尺，其实这个 4 % 的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有 9 9 % 的用户是 按码元畸变 1 0 2 0 % 的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过 5 0 英尺。 图 2 . 3 . 1 M a x 2 3 2 结构图 （4 ）继电器 继电器是具有隔离功能的自动开关，广泛用于遥控，遥测，通信，自动控制，机电 一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。 继电器是在自动控制电路中起控制与隔离作用的执行部件，它实际上是一种可以用 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 低电压、小电流来控制大电流、高电压的自动开关。在本系统中，继电器控制的自动温 度调节电路和 P C I 1 6 F 8 7 7 A单片机中程序构成温度自动监测电路，实现对生物培养液温 度的监测和自动控制 （5 ）半导体降温片及电阻加热丝 半导体制冷器是根据热电效应技术的特点，采用特殊半导体材料热电堆来制冷， 能够将电能直接转换为热能，效率较高。其工作原理如图 2 . 5 . 1 ： 图 2 . 5 . 1 半导体降温片工作原理图 半导体制冷片由许多 N 型和 P 型半导体之颗粒互相排列而成，而 N P之间以一般的 导体相连接而成一完整线路，通常是铜、铝或其他金属导体，最後由两片陶瓷片像夹心 饼乾一样夹起来， 陶瓷片必须绝缘且导热良好， 通上电源之後， 冷端的热量被移到热端， 导致冷端温度降低，热端温度升高。它的外观如图 2 . 5 . 2 所示。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 2 ）本控制系统是对生物培养液进行温度监控，故太快的温度变化对生物繁殖显 图 2 . 5 . 2 半导体降温片外观图 本控制系统是对生物培养液进行温度监控，过快的温度变化对生物繁殖显然是不 利的，因此在本系统中采用的是高阻抗小功率加热电阻丝进行温度的小范围调节。 正视图 侧视图 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 3 温度控制系统的组成框图 采用典型的反馈式温度控制系统，组成部分见图 3 . 1 。其中数字控制器的功能由单 片机实现。 图 3 . 1 温度控制系统的组成框图 培养皿的传递函数为),1/()( 1 += sKesG s LT=，其中 1为电阻加热的时间常 数，为电阻加热的纯滞后时间，T为采样周期。 A / D 转换器可划归为零阶保持器内，所以广义对象的传递函数为 / )1() 1/()( 11 sTsesKesG s += （3- 1- 1） 广义对象的 Z 传递函数为 )/1/ ) 11 (/ )1()11/)( 1 1 1 1 =+=zeTeKzsessKeZzG TLTs （3 - 1 - 2 ） 所以系统的闭环 Z 传递函数为 )1/()1 () 1/(/ )1()( /1 TTLsTs eezseseZz =+= ( 3 - 1 - 3 ) 系统的数字控制器为 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 )(G/ )()(D)(E/ )(U 1 zzzzz= = LTTeTTT zezeeKeze 1/1/1/11/ )1 (1)1 (/ )1)(1 ( （3 - 1 - 4 ） 写成差分方程即为 )1()1 () 1()( / Lkuekueku TT += )1 (/ ) 1()1 ()1 (/ )()1 ( 1/1/1/TTTTT eKkeeeeKkee + （3 - 1 - 5 ） 令 )1 (/ )1 ( 1/ 0 TT eKea = )1 (/)1 ( 1/1/ 1 TTT eKeea = / 1 T eb =, / 2 1 T eb =, 得)1() 1() 1()()( 2110 Lkubkubkeakeaku+= （3 - 1 - 6 ） 式中)(ke 第k次采样时的偏差； ) 1(ke第1k次采样时的偏差； ) 1( ku第1k次采样时的偏差； 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 4 温度控制系统结构图及总述 图 4 . 1 温度控制系统结构图 图4 . 1中温度传感器和 M i c r o C h i p P I C 1 6 F 8 7 7 A 单片机中的 A / D 转换器构成输入通 道，用于采集培养皿内的温度信号。温度传感器输出电压经过 A / D 转换后的数字量与培 养皿内的温度给定值数字化后进行比较，即可得到实际温度和给定温度的偏差。培养皿 内的温度设定值由 M i c r o C h i p P I C 1 6 F 8 7 7 A单片机中程序设定。由 M i c r o C h i p P I C 1 6 F 8 7 7 A 单片机构成的数字控制器进行比较运算， 经过比较后输出控制量控制由加热 和降温电路构成的温度调节电路对培养皿中的培养液温度进行调节。同时通过电平转换 电路把当前温度传输到商用计算机的串口中，由计算机动态的显示培养皿中的温度，正 常情况下温度控制由 M i c r o C h i p P I C 1 6 F 8 7 7 A 单片机自动控制。必要时，计算机也可以 通过软件来强制改变培养皿中温度。 PIC16 f877A 单片 机 加 热 控 制电路 高 阻 抗 加 热丝 降 温 控 制电路 半 导 体 降 温片 温度传感器 培 养 皿 TTL 电平 到EIA 电平 转换 电路 商用 计算 机显 示终 端 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 5 温度控制系统软件设计 5 . 1 M i c r o c h i p P I C 1 6 F 8 7 7 A 单片机温度控制系统软件结构图如图 5 . 1 . 1 所示。 检测与变送 A/D 转换 工程量变换 温度非线性转 发送数据到串口 比较判断算法 温度预设值 温度 调节 电路 执行器 从串口接受数据 命令识别控制程序 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 图 5 . 1 . 1 单片机温度控制系统软件结构图 5 . 2 单片机控制流程图 开始 初始化 PIC16F877A 单片机端口地址 读入预设温度值 启动 A/D 转换 A/D 转换结果送入 NX 单元 NX- FF0 降温 命令识别 程序 从串口接受数据 Y Y N 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 图 5 . 2 . 1 单片机控制流程图 5 . 3 温度变换程序模块 温度传感器在 1 2 到 6 0 输出 2 . 5 2 V 1 . 0 2 V ，温度起点为 1 2 ，满量程为 4 8 。 M i c r o C h i p P I C 1 6 F 8 7 7 A单片机内嵌的 1 0位 A / D转换器对应 输出的数字量为 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 B 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 B （0 5 V ） ，应用以下变换公式进行变换： AX= A0+ ( AM- A0) ( NX- N0) / ( NM- N0) 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 式中，A0为一次测量仪表的下限。 AM为一次测量仪表的上限。 AX实际测量值。 N0仪表下限对应的数字量。 NM仪表上限对应的数字量。 NX测量值对应的数字量。 5 . 4 温度非线性转换程序模块 采用折线拟合法进行线性化处理 如图 5 . 4 . 1 所示，分为以下几段： 当 1 . 7 3 V A x 0;delay- - ) asm(“clrwdt“); temph=0x35; templ=0x30; do asm(“clrwdt“); PROCDIANPIN(); RC0=0; RC1=0; while(1); #include #include “tranpc.h“ /* union adres 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 int y1; unsigned char adre2; adresult; extern unsigned int delay; unsigned int temp; unsigned int y; unsigned char receive; unsigned char a; extern unsigned char rxbuf; unsigned char t