散热器单片机的温度控制系统的设计毕业设计.docx
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散热器单片机的温度控制系统的设计毕业设计
摘要
温度是日常生活中无时不在的物理量，温度的控制在各个领域都有积极的意义。
很多行业都有用电加热设备，采用单片机对他们进行温度控制不仅具有控制方便，简单，灵活性大等特点，而且还可以大幅提高被控温度的技术指标，从而大大提高产品的质量。
单片机的应用正在不断走向深入，同时带动传统检测日新月异更新。
在实时监测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用。
近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统检测日新月益更新。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面的知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。
本系统是以单片机的基本语言汇编语言来进行软件设计编程的，其指令的执行速度快，节省存储空间。
为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了。
使硬件在软件的控制下协调运作。
根据本温度系统的设计要求，该系统是由单片机和温度传感器于一体的综合设计。
它是以AD590集成温度传感器作为采集器、8051为主控制器、ADC0809为A/D转换器对温度进行控制。
另外，由于系统要实现人工智能化，就必须又对温度进行设定，所以还需要设计键盘与单片机系统进行沟通。
关键词单片机；散热器；AD590
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第1章概述
生物制药,不同于化学、中成制药,其深度难度、质量、技术以及在生产过程中,季节、温度、都要求比较高。
生物制药,是从动物体中的组织、器官、腺体、分泌物、体液,以及毛、皮、蹄甲等,经过原料采摘、提取、分离法、除脂、沉淀、干燥、纯化等操作提纯出来的。
它们有蛋白质、核酸、酶、辅酶、激素、维生素、粘多糖等。
生化药物一般都带有活性,活性物,敏感性。
温度的来源主要是通过空调机组内表冷及加热段提供的冷热源与经过的空气进行冷热交换得来的。
以往温度控制是靠手动来控制冷热源的流量，带来的精度不够且温度波动较大。
现可采用室内远传传感器通过变送器、各种调节器来控制各种管道上面的执行机构来实现温度自动控制的目的。
1.1温度测控技术的发展与现状
近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。
温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。
在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是：
简单、可靠、低廉、测量精度较高，一般能够测得真实温度；但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于超高温测量，难于测量运动物体的温度。
另外的非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是：
不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体，适于测量运动物体的温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。
但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表物体表观温度，测温装置结构复杂，价格昂贵等缺点。
因此，在实际的温度测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入。
温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：
动态温度跟踪与恒值温度控制。
动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。
在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等；恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值上，且要求其波动幅度（即稳态误差）不能超过某允许值。
在通信系统中，常利用非电信号来传递控制信号和数据，以实现遥控或遥测的功能红外通信，具有控制简单、实施方便，传输可靠性高的特点，是一种较为常用的通信方式。
红外通信利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，发送端采用脉时调制方式，将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列，并驱动红外发射管以光脉冲的形式发送，接收端将收到的光脉冲转换成电信号。
再经过放大、滤波处理后送给解调电路，还原为二进制数字信号后输出。
。
1.2散热器单片机控制系统的简介
温度是工业生产中主要的被控参数之一，与之相关的各种温度控制系统广泛应用于冶金、化工、机械、食品等领域。
温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量,因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。
温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域，在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同,在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。
这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。
采用数字温度传感器AD590，它的测温范围在-55℃～＋150℃之间，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确,其M档在测温范围内非线性误差为±0.3℃。
数字温度传感器AD590可以承受44V正向电压和20V的反向电压，因而器件反接也不会损坏，使用可靠。
它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，接口也很简单。
作为电流输出型传感器的一个特点是，和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰的能力，AD590的测量信号可远传百余米。
1.3散热器单片机控制系统的优点
一般而言，温度升高电阻阻值降低；高温会降低电容器的使用寿命；高温会使变压器、扼流圈绝缘材料的性能下降，一般变压器、扼流圈的允许温度要低于95C；温度过高还会造成焊点合金结构的变化—IMC增厚，焊点变脆，机械强度降低；结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加，导致集电极电流增加，又使结温进一步升高，最终导致元件失效。
所以控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过标准及规范所规定的最高温度。
故要用到散热器，在实际应用中，散热的措施有散热器和风扇两种方式或者二者的同时使用。
散热器通过和散热物体表面的紧密接触使散热物体的热量传导到散热器，散热器通常是一块带有很多叶片的热的良导体，它的充分扩展的表面使热的辐射大大增加，同时流通的空气也能带走更大的热能。
风扇的使用也分为两种形式，一种是直接安装在散热器表面，另一种是安装在傍边，提高整个空间的空气流速。
故选择8051单片机为桥路和驱动步进电机电路设计散热器控制电路,实现对散热器温度的自动控制。
还有传感器选AD590是由美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。
它兼有集成恒流源和集成温度传感器的特点，具有测温误差小、动态阻抗高、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等优点。
第2章散热器的基本组成及工作原理
散热器做为一种新型的家用实用型取暖工具,在设计方面国内外的各项技术已经相当成熟.
2.1散热器的基本组成及工作原理
1.选题及研究的意义
散热器做为一种新型的散热设备，它主要优点在于操作方便，并且不象集中供暖那样规模化，也不需要大规模管理。
散热器除了上述的几个优点以外，它还具有外形美观，结构简单，安装方便等等一些优点。
所以它具有很多优点，而怎么去实现上述优点，怎么让它达到认为的标准，这就是研究它的目的所在。
散热器又名加热器，顾名思义就是一种取暖设备。
它的主要工作原理是通过电阻丝的发热，来加热周围空气，通过对流来使室内温度达到一个平衡值，使人能适应。
首先是通过电阻丝的发热把电能转换成热能，然后通过对流转换使室内温度均匀。
所以设计这个加热器的控制系统思路就是，设计一个控制系统来使电阻丝的工作状态能根据认为的设定来工作。
2散热器制热原理
散热器结构，主要包含导热管、散热器，其中该散热器上构设数个散热片，且该散热器上设有一个以上的接合部及一个以上的贯穿部，以将导热管固设于该散热器的贯穿部上，并同时将导热管上所设的弯折处靠设于散热器的接合部上，从而大幅提升导热管与散热器间的导热效果。
散热器的制热主要为电热制热。
电热制热方式的加热元件有电热管和PTC两种。
电热制热的原理是：
散热器接通电源，发热元件表面温度升高。
当达到设定温度值时，分机运转。
室内空气被分机吸入到发热元件表面，流经发热元件后温度升高。
升温后的空气又被吹入室内，如此不断的循环，使室内空气空气温度逐渐升高，从而达到取暖的目的。
在本设计中就选用这种制热方式。
散热器是依据电阻通电加热产生热量的原理，散热管通电后，依据焦耳定律，散热管产生热量，热量通过介质传递给水箱里的水从而使水变成水蒸或者使水中的温度到达了油的挥发点而挥发出油。
热敏电阻除用作加热元件外，同时还能起到“开关”的作用，兼有敏感元件、加热器和开关三种功能，称之为“热敏开关”，电流通过热敏电阻元件后电阻丝产生热量引起温度升高，即发热体的温度上升，当超过居里点温度后，电阻增加，从而限制电流增加，于是电流的下降导致元件温度降低，电阻值的减小又使电路电流增加，元件温度升高，周而复始，因此具有使温度保持在特定范围的功能，又起到开关作用．利用这种阻温特性做成加热源，作为散热器的加热元件应用。
有三种控制方式：
（1）开关式控制：
接受讯号即开（关），达到精确控制温度；
（2）时间比例控制（PID）：
根据实际工况变化，采用模糊逻辑的PID算法，自动修正参数，调节可变功率达到最佳温度节能状态；（3）比例控制：
利用智能调控模块（SCR）切割相角输出功率，经控制器的精确计算输出控制信号，使功能输出与控制信号成线性对应。
控制精度可达RH±1%之内。
当热敏电阻器两端加上电压时，由于功耗。
电阻体温度逐渐升高，同时向周围媒质散发热量直至电阻体的温度达到稳定，此时消耗的功率全部扩散到媒质中。
2.2散热器的工作特点
散热器特点：
性能稳定可靠，电加热管采用中等功率高密度设计，大大延长了电热管的寿命。
耐腐蚀、可清洗，使用寿命长；维护工作量最小水表面除污（泡沫）器去除漂浮在水面上的矿物杂质，最大限度的去除表面污垢，水箱内配有特制电磁阀，定时控制排水，可以彻底地去除沉淀的矿物质及杂质；反复的热胀，冷缩使水箱水垢不断脱落；更优化的结构设计，用常用工具就可以方便的进行检视和维修；安全的电路设计：
三级电路保护，短路、过电流、漏电保护使其免去用户的担心；防干烧设计，当电热元件加热温度超过电热元件能承受的极限的时候，自动切断加热元件的电源，保护电热元件不被烧坏；特殊的保温设计：
以适用各种工作环境及最大限度的减小能量的损失。
适应的工作范围更广。
2.3散热器分类、散热器选择、散热器计算方法
2.3.1关于散热器分类
为了方便用户查找选购，按照散热器的制造工艺分为型材散热器、插片散热器、组合散热器及热管散热器；其中对用量极大的型材散热器按其形状分为单肋、双肋、异型并在网页左侧列出；以便用户快速查找。
2.3.2关于散热器的选择
首先确定要散热的电子元器件，明确其工作参数，工作条件，尺寸大小，安装方式，选择散热器的底板大小比元器件安装面略大一些即可，因为安装空间的限制，散热器主要依靠与空气对流来散热，超出与元器件接触面的散热器，其散热效果随与元器件距离的增加而递减。
对于单肋散热器，如果所需散热器的宽度在表中空缺，可选择两倍或三倍宽度的散热器截断即可。
2.3.3关于散热器选择的计算方法
参数定义：
Rt───总内阻，℃/W；
Rtj───半导体器件内热阻，℃/W；
Rtc───半导体器件与散热器界面间的界面热阻，℃/W；
Rtf───散热器热阻，℃/W；
Tj───半导体器件结温，℃；
Tc───半导体器件壳温，℃；
Tf───散热器温度，℃；
Ta───环境温度，℃；
Pc───半导体器件使用功率，W；
ΔTfa───散热器温升，℃；
2.3.4散热计算公式：
Rtf=（Tj-Ta）／Pc-Rtj-Rtc
散热器热阻Rff是选择散热器的主要依据。
Tj和Rtj是半导体器件提供的参数，Pc是设计要求的参数，Rtc可从热设计专业书籍中查表。
（1）计算总热阻Rt：
Rt=（Tjmax-Ta）／Pc
（2）计算散热器热阻Rtf或温升ΔTfa：
Rtf=Rt－Rtj－Rtc
ΔTfa＝Rtf×Pc
（3）确定散热器
按照散热器的工作条件（自然冷却或强迫风冷），根据Rtf或ΔTfa和Pc选择散热器，查所选散热器的散热曲线（Rtf曲线或ΔTfa线），曲线上查出的值小于计算值时，就找到了合适的散热器。
对于型材散热器，当无法找到热阻曲线或温升曲线时，可以按以下方法确定：
按上述公式求出散热器温升ΔTfa，然后计算散热器的综合换热系数α：
α＝7.2ψ1ψ2ψ3{√√[（Tf-Ta）／20]}
式中：
ψ1───描写散热器L/b对α的影响，（L为散热器的长度，b为两肋片的间距）；
ψ2───描写散热器h/b对α的影响，（h为散热器肋片的高度）；
ψ3───描写散热器宽度尺寸W增加时对α的影响；
√√[（Tf-Ta）／20]───描写散热器表面最高温度对周围环境的温升对α的影响；
以上参数可以查表得到。
计算两肋片间的表面所散的功率q0
q0=α×ΔTfa×（2h+b）×L
根据单面带肋或双面带肋散热器的肋片数n,计算散热功率Pc′
单面肋片：
Pc′＝nq0
双面肋片：
Pc′＝2nq0
若Pc′＞Pc时则能满足要求。
2.3.5风冷散热器选择的传热学基础
1．散热器材料的选择
材料（研究铜和铝）的选择主要是导热和散热，导热公式如下：
Q=A•λ•△t/δ
Q—热量
A—导热面积
λ—导热系数
△t—温度差
δ—导热厚度
加快导热途径主要是改变λ，△t，δ三个值：
①加大λ导热系数，表现为选择导热系数大的材料
②加大散热器底座CPU接触面和散热器鳍片温差（实际上应该是尽量降低鳍片温度，选择强劲风扇）
③降低导热厚度，表现为散热器底座厚度不应该太厚
常见材料导热系数（W/m*K）
银 429
纯铜 401
金 317
纯铝 237
铁 80
铅 34.8
1070铝合金 226
1050铝合金 209
6063铝合金 201
散热从热容方面考虑
纯铜比热容：
385J/kg*K 密度：
8.9g/cm3
纯铝比热容：
903J/kg*K密度：
2.7g/cm3
铜的导热系数是铝的1.69倍，虽然纯铜比热容小于纯铝比热容，但其密度大于纯铝，相同体积的纯铜所能容纳的热量大于纯铝，所以在其他条件相同的前提下，纯铜散热器理应获得比纯铝更好的散热效果。
不过铜的质地是有讲究的，很多标榜“纯铜散热器”其实并非是真正的100％的铜。
在铜的列表中，含铜量超过99％的被称为无酸素铜，下一个档次的铜为含铜量为85％以下的丹铜。
目前市场上大多数的纯铜散热器的含铜量都在介于两者之间。
而一些劣质纯铜散热器的含铜量甚至连85％都不到，虽然成本很低，但大大影响了散热性。
但用铜作为材质也有明显的缺点，成本高，加工难，散热器质量太大都阻碍了全铜散热片的应用。
红铜的硬度不如铝合金AL6063，某些机械加工（如剖沟等）性能不如铝；铜的熔点比铝高很多，不利于挤压成形等等问题。
结论：
结合铜铝特点采用纯铜底座和铝鳍片是散热器最好的选择，加工工艺影响传热效率，整体切割或挤压成型好于焊接和插片
2．散热器材料确定后的散热
这里主要研究风冷散热，风冷散热主要是强制对流换热，公式如下：
Q=F•α•△t
Q—热量
F—换热面积
α—换热系数
△t—温度差（散热器鳍片和流经散热器空气的温度差）
强制对流换热紊流情况下的换热系数为：
α=K•v0.8/d0.2
K—空气特性系数（一定温度下为常数）
v—空气流速
d—当量直径（假设散热器是无数风道组成）
则Q=F•△t•K•v0.8/d0.2
加强换热途径如下：
① F增大，在散热器体积不变的情况下，尽量加大散热面积，表现为在对流速不减低太多的情况下尽量增加鳍片数量，市场表现为鳍片太少的散热器散热性不佳。
还有过大体积的散热器并不能有效提高散热，因为这种散热器边缘的△t值趋近于零
② △t加大，散热器底座的辐射型纯铜片或“塞铜”工艺或热管可加快热量由底座向鳍片的传递，增加△t值（风扇能力相同的情况下），另外，尽量加强机箱通风，降低机箱内空气温度，这相当重要
③ v加大，加快散热器内空气流速，选择强劲的散热器风扇，合理的转数，转速越高，流速越快，但转数过高，流经散热器鳍片的阻力加大太多，风速并不能增加很多，反而噪音加大。
同样改变风扇叶片角度也可提高风压，但角度太大，噪音加大。
要加快流速，应该合理设计散热器鳍片，减少散热器内风道阻力，市场表现为流线型鳍片好于直线形。
④ 合理降低d，当量直径减低表现为增加散热器鳍片密度（这样每一风道当量直径降低），但要注意该值过小，将大幅增加风道阻力，降低流速。
⑤ 好的散热器使CPU起始温度降低大家都知道，但在CPU满载时温度升高不多才是好散热器的关键所在，同样道理可以考察机箱的通风状况（CPU和显卡满载时机箱内温度升高不多）
第三章总体方案设计
3.1总体设计方案
根据题目的要求，我们提出了以下的两种方案：
方案1：
此方案是采用传统的二位模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器设定给定值，采用上下限比较电路将反馈的温度值与给定的温度值比较后，决定加热或者不加热。
由于采用模拟控制方式，系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法使控制精度做得较高，而且不能用数码显示和键盘设定。
方案2：
采用单片机8051为核心。
采用AD590集成温度传感器采集温度变化信号，将其转换成数字信号并通过单片机处理后去控制温度，使其达到稳定。
使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。
比较上述两种方案，方案2明显的改善了方案1的不足及缺点，并具有控制简单、控制温度精度高的特点，因此本设计电路采用方案2。
3.2温度控制系统工作原理
3.2.1系统工作原理
本系统是利用单片机为控制核心，键盘输入给定的温度，通过集成传感器采集实时温度，经A/D转换后传入单片机，键盘输入给定的温度与采集温度在单片机中通过程序自动检测温度是否超过或低于给定温度，如果温度高于设定温度报警并降温，如果温度低于设定温度报警并升温，通过A/D转换输出给定温度。
3.2.2系统总体框图
本设计旨在通过实现对室内温度的多点监控，并随温度的变化作相应的措施使室温始终保持在要求范围。
系统硬件主要由控制单元、输入单元、显示单元、报警单元、执行单元及检测单元组成。
其中控制单元由单片机组成，单片机选用MCS-51系列中的8051。
输入单元由键盘来完成，键盘采用74LS164扩展的矩阵式键盘。
显示单元由数码显示管来完成。
报警单元，本次设计采用声报警电路，由蜂鸣器来完成报警。
执行单元用来执行控制单元所发出的指令，以满足设计任务的要求。
检测单元用来检测室温，通过A/D转换把信号传输给单片机来实现控制，本次设计温度传感器采用AD590，A/D转换装置采用ADC0809。
图3-1系统总体框图
第四章总体方案设计
4.1控制单元
控制单元由单片机来控制完成，它的作用是通过在单片机内编的程序来控制单片机的运行，从而完成设计要求。
单片机有多种类别，例如MCS-51系列，8051系列和AT89系列，本次设计单片机选择8051，其主要原因是它的价格低廉，性能好，并且是我们比较熟悉的器件。
4.1.1控制单元单片机的选择
1．方案一
由图4-1所示，采用8051单片机实现多点温度的检测与控制
图4-18051单片机多点温度检测与控制
2.方案二
图4-2采用8031单片机实现多点温度的检测与控制
图4-28031单片机多点温度检测与控制
8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路74LS373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。
用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。
写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。
8051片内有4KROM，无须外接外存储器和74LS373，更能体现“单片”的简练。
通过比较，本次的设计方案选方案一，因为：
1.8051芯片在本次设计中不用再扩展，而8031需要扩展。
2.方案一的键盘非编码/串行方式比方案二的编码/并行更省接口，这样就可以让更多的I/O接口得到更好的利用。
3在方案一中所用的器件比方案二少，方案一比方案二经济。
综上所述，方案一优于方案二。
4.2单片机8051的介绍
1、单片机的组成
单片微型计算机系统的组成与通用计算机的组成基本相同，都是由硬件系统和软件系统构成。
硬件是构成单片机的所有实体的基本元件。
它分为5大功能部分，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
2、单片机的主要特点
PIC单片机是美国Microchip公司生产的系列单片机。
Microchip公司是一家专门致力于单片机开发，研制和生产的制造商，其产
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