温度控制系统前期报告.docx

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温度控制系统前期报告

文献综述

一、课题概述

温度是工业生产和生活中最常见物理量之一，在钢铁、化工、造纸以及农作物的生长等等都必须在合适的温度范围内进行，还有对于各种构件、材料的体积、电阻、强度以及抗腐蚀等的物理化学性质，通常也都会随温度而变化。

因此，温度的变化对人们生产生活都有着重要影响，人们常常利用各种能源为人类服务，但也往往是使某些介质通过一定的温度变化来实现的。

在如今的社会，随着当代科学技术的迅速发展，温度的测量及其控制也变得越来越重要。

本课题要求设计一个基于单片机的温度控制系统，要求学生以单片机为核心，采集来自外界温度，并通过单片机对温度实现模糊控制，并最终将控制后的温度通过输出单元输出。

二、国内外研究现状

温度控制方法有很多，其中广泛应用于工程实际中的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制或称PID调节，为工业控制的主要技术之一，其工作可靠、稳定性好、调整方便、结构简单。

当被控对象的结构及其参数不能完全掌握时，系统控制器结构及其参数必须依靠现场调试和经验来确定，在这种情况下应用PID控制技术最为方便，PID控制器根据系统误差，利用积分、微分、比例计算出控制量进行控制的。

整个控制系统设计的核心内容是PID控制器的参数整定。

它根据被控过程的特性确定PID控制器的积分时间、微分时间、比例系数的大小。

PID控制器参数整定的方法主要有两大类，即工程整定方法和理论计算整定法。

而模糊PID以模糊逻辑推理、模糊集理论、模糊语言变量为基础，它从行为上模仿人的模糊推理和决策过程。

它首先将人类经验编成模糊规则，而后将来自传感器的实时信号模糊化，模糊化后的信号作为模糊规则的输入，完成模糊推理，将推理后得到的输出量加到执行器上。

当今温度控制系统在国内各个行业业的应用显然己经十分广泛，但是从国内生产的温度控制器来看，总体发展水平仍然并不高，尤其同美国、日本、德国等先进国家相比，依旧有着较大的距离。

目前发展比较成熟的温控产品主要以“点位”控制和常规的PID控制器为主流，不过它们只能适应一般温度控制系统，用于自适应控制仪表以及较高控制场合的智能化，国内技术却还不十分成熟，形成商业化并广泛应用的控制仪表仍然较少.随着我国经济的不断发展发展，我国政府及企业对温控产品的设计、制造都非常重视，对与其相关企业资源进行了新一代重组，并相继建立了一些国家和企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展，向更高的发展水平方向迈进。

目前，温度控制器系列产品已经从模拟、集成温度控制器发展至智能数码温度控制器。

智能温控器又称数字温控器，是微计算机技术、电子技术和自动测试技术的结合，其最大特点是能够输出温度数据及其相关的温度控制量，适配于各种类型的控制器，并且智能温控器是在硬件的基础上通过软件来实现其控制功能的，当然，其智能化程度也取决于软件的开发水平，现阶段，其研究正朝着高质量、高精度的方向发展,相信以我国当前的发展实力，我们的温控技术在不久的将来一定会跻身于世界前列。

三、课题的未来研究方向

温度控制器作为化学控制器的一大门类。

在分类标准的问题上，从工作原理、特性分析到测量技术，从所用材料到制造工艺，从检测对象到应用领域，都可以构成独立的分类标准，衍生出一个个纷繁庞杂的分类体系。

我们的社会正在飞速发展，随着当代科学技术的进一步提升、改进和创新，温度的测量及其控制也将会变得越来越重要，渗透我们生活的方方面面，为人类科研事业做出贡献。

温度尤其对化工、钢铁、造纸以及农作物的生长等等都有重要作用，直接关系到成果。

各种事物的物理和化学性质都会随温度的变化而变化。

温度的控制对于我们的生活与生产息息相关，温度控制将会掀起一场新的科技革命。

四．温度传感器的选择及其测量方法

1．温度传感器的选择

温度传感器作为检测温度的器件，它的种类繁多、应用广泛并且发展迅速。

在我们日常生活中，我们所使用的材料以及电子元件大都随温度的变化而变化，而作为实用传感器，其必须满足以下一些条件，例如：

为了将温度传感器应用于电子线路检测装置，其需要具备检测方便、易于处理等特性；为了能在更宽的温度范围内进行检测，选用温度传感器材料温度系数不能太大，太大的话会难以使用，不过对于定点监测或者狭窄温度范围，选用材料温度系数越大，检测电路就会越简单；传感器温度与被测物体温度越相近，越能正确测量温度，这就要求传感器体积小；作为温度传感器材料，特性的偏移和蠕变越小其互换性越好；温度传感器材料的选择还要求其有较好的化学、机械及热性能，对于温度以外的其他物理量不能很敏感等条件。

2．温度传感器的测量方法

温度测量方法有许多，依照温度传感器的使用方式一般有两类：

接触式测温法和非接触式测温法两类。

接触式测温法：

由热平衡原理我们了解到，两个物体相互接触，经过足够长时间的热交换之后会达到热平衡，此时它们的温度一定相等。

其中之一可以视为温度计，通过温度计就可以对另一个物体进行温度测量。

接触式测温简单可靠并且测量精度高，但是其要求被测物体与温度计有良好的热接触并且充分换热，因此可能会产生测温滞后现象，即测量温的组件可能会与被测物体发生化学反应，且由于受到一些耐高温材料的限制，接触式测温仪表就不可能应用于那些很高温度的测量。

非接触式测温法：

测量组件与被测物体不需要相互接触，而是依据物体的热辐射能量随着温度变化而变化的原理测定物体温度。

其测量范围基本不受限制，并且测温速度较快，这种测量方法还可以应用于运动中的测量。

这种测量方式不需要测量物件与被测物体接触，同时也不会改变被测物体的温度分布。

这种方法通常用于测定1000℃以上的移动旋转或者反应迅速的高温物体的温度。

五．单片机选择参考标准

单片机是整个温度控制系统的核心，它对整个系统起到了监督、管理和控制等作用，并进行复杂的信号处理，产生测试信号及控制整个检测过程。

在选择单片机时应要注意：

存储空间、单片机内部资源、运行速度、可用性及其特殊功能。

单片机的内部存储资源越多的话，系统的外接部件就能够越少，由此能够提高系统的诸多技术指标。

一般情况下对于单片机运行速度，只要和系统相匹配即可。

单片机内部存储器容量多大，外部可以扩展的存储器（包括1/0口）空间有多少单片机能否很容易地开发和利用，是否有合适的开发工具、适合于大批量生产及其性能价格比、是否有充足的资源、现成的技术资源等是需要参考的。

一般单片机的可靠性、功耗、掉电保护、故障监视等也需予以考虑。

六．基于单片机温度控制系统的关键技术及其工作原理

1.关键技术

基于单片机温度控制系统的关键技术有三个：

单片机的选择、温度传感器的选择以及仿真器的选择等。

单片机的选择：

作为整个设计的核心部件，本设计选择采用了AT89C51作为控制器件，它由美国ATMEL公司生产，其主要特点有：

可编程闪速程序存储器为4K字节;内部数据存储器为128X8位，有32条可编程I/O口；可循环擦写1000次；全静态工作情况下OHz-24MHz；有两个十六位定时器/计数器和六个中断源；能够编程串行通道，有低功耗闲置和掉电模式。

AT89C51单个芯片将多功能8位CPU与闪速式存储器相组合，是一种高效的微控制器，具有高灵活性且价格低廉。

是应用于温度控制系统中的最佳选择。

温度传感器的选择：

设计中采用了数字温度传感器DS18B20，其测量范围为-55℃至+125℃，测量温度的分辨率可以达到0.0625℃

仿真器的选择：

本设计采用的是Proteus仿真软件，它是是一款电路分析与实物仿真软件，能够仿真、分析各种模拟器件和集成电路，其运行于Windows操作系统上。

2．工作原理

在人们日常生活和现代工业生产中，当前对温度控制系统的要求，主要目的是保证温度能够在一定温度范围内变化，稳定性好且不振荡，但对系统的快速性要求并不高。

基于单片机温度控制系统设计过程及实现方法如下：

首先现场温度经过温度传感器采样后送入单片机，最后单片机会通过继电器依据输入的温度控制范围控制加热设备完成温度的控制。

参考文献：

[1]赵娜,赵刚,于珍珠.基于51单片机的温度测量系统

[2]王中飞,胥芳.MCS-单片机原理及嵌入式系统应用[M].西安:

西安电子科技大学出版社,2007.

[3]何立民.单片机高级教程.北京：

北京航空航天大学出版社.2007.

[4]邵汝峰.现代通信网[M].北京:

师范大学出版社,2009.

[5]赵家贵.电子电路设计[M].北京:

中国计量出版社,2005.

[6]王俊峰等.理工科学生怎样搞毕业设计[M].北京:

电子工业出版社.2004

[7]余锡存,曹国华.单片机原理及接口技术[M].西安:

西安电子科技大学出版社,2000.

[8]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京:

清华大学出版社,1996（3）,97-110.

[9]马忠梅.单片机的C语言应用程序设计.北京：

北京航空航天大学出版社.1998

[10]Travis,KarlP.Configurationaltemperaturecontrolforatomicandmolecularsystems.JournalofChemicalPhysics;1/7/2008,Vol.128Issue1,p014111,10p,1Chart,4Graphs.

[11]Ibrahim,D.Configurationaltemperaturecontrolforatomicandmolecularsystems.InternationalJournalofElectricalEngineeringEducation;Jul2003,Vol.40Issue3,p175-187.

[12]NoorizadehEmad.Atemperaturecontroltechniquefornonequilibriummolecularsimulation.JournalofChemicalPhysics;2/21/2008,Vol.128Issue7,p074105,6p,1Chart,8Graphs.

前期报告

1.系统总体设计方案

方案是针对恒温箱设计的。

恒温箱是生活与生产经常用到的电器之一，就像是在一定的温度范围内，用以饲养或培养生物或生物的一部分（细胞等）的箱型器具。

以前用于孵卵的恒温器，有的是通过热水加热（水温式），但实验用的大部分为电热式，装有电热器和温度调节系统，温度传感器实时监测箱内的温度,通过程序可以设置恒温箱的恒温范围,即设置允许的温度上限和下限,温度传感器检测到温度低于下限时,开启热风机加热.温度开始回升.温度传感器检测到温度高于上限时,开启制冷压缩机制冷,温度下降.如此来回控制.有的恒温比较高级,可以设置偏离度,比如说正常情况下,温度应是达到下限时开始加热,此时加热稍晚,因为在加热开始后,温度可能还要下降一段时间,这时可以设置偏离度,使之提前加热或制冷。

但我们的主要目的是明白整个系统的工作原理，因此，我们采用一般的电热式恒温箱就行。

本设计的工作原理简单的来说就是：

首先，用温度传感器来测量温度，其次，把温度传给单片机，单片机通过判断控制制动系统，最后，使温度变化到合适的范围，温度传感器继续检测温度，周而复始，以至于温度一直在一个合适的范围内，就完成了恒温箱的工作。

系统主要包括AT89C51单片机、温度显示模块、驱动模块、温度调整模块、外部存储模块、温度采集模块几部分：

1.AT89C51单片机

AT89C51单片机是整个设计系统的核心，它的设计好坏直接关系到温度的采集、处理、显示及其电机的运转。

2.温度显示模块

LCM1602是由32个字符点阵块组成的字符型LCD显示器，每个字符点阵块由5×7或5×10个点阵组成，ASCII码表中的所有的字符都能由其显示。

4.温度调整模块

温度调整模块有四个按钮，其中一个是工作模式的切换按钮，就是加热和制冷两种工作模式的变换。

第二个按钮是温度值上下限增加键，就需要增加温度上下限的值时进行上下限的增加。

第三个按钮是温度上下限减少键，解释如第二个按钮。

最后一个按钮是温控开关键是温控与非温控之间的切换键，这个按钮的用途是选择是否使用这个系统的按钮。

即越界的温度值能否触发加热器或致冷器的启动。

5.外部存储模块

外部存储模块选用的是AT24C02B，它内含256×8位存储空间，具有很多优点如

（1）工作电压宽（2.5～5.5V）、抗干扰能力强、写入速度快、数据不易丢失、擦写次数多、体积小等特点。

它采用了I2C总线规程，使主／从机双向通信。

AT24C02B不仅占用很少的资源，而且还支持在线编程，对数据实时存取也非常方便。

6.温度采集模块

本设计采用DS18B20传感器，它是由DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，其CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，能够节省大量的引线和逻辑电路，小体积封装,可编程为9bit～12bitA/D转换精度，测温分辨率高，被测温度用采用串行输出。

二．工作过程计划

第1周：

选题，明确课题研究内容和要求。

检索文献、收集课题所需中外文资料。

第2－3周：

研读题目介绍和任务书。

并认真学习研究收集到的资料、进行方案研究、撰写前期报告。

3月16日：

由教学信息系统上传前期报告、送指导教师审阅，根据指导教师审阅意见修改前期报告。

第4－8周：

根据设计技术指标及系统要求进行方案设计、硬件电路设计、软件设计、仿真实验、撰写中期报告。

第9周：

（4月25日）由教学信息系统上传中期报告、送指导教师审阅，根据指导教师审阅意见修改中期报告。

第10－12周：

仿真实验、并分析结果、系统调试、功能验证、课题深入、根据学校《本科毕业生（论文）设计工作手册》的要求撰写毕业论文初稿。

第13周：

（5月23日）由教学信息系统上传提交毕业论文修改稿、送指导教师审阅，根据指导教师审阅意见修改论文初稿.

第14周：

（5月30日）由教学信息系统上传提交毕业论文最后定稿、送评阅教师评审，制作PPT毕业文件，准备毕业答辩。

第15周：

毕业答辩。

三．设计会遇到的问题级解决方案

（1）DS18B20是一款智能数字型温度传感器，与AT89C51单片机相连接要用通信协议来进行通信，这个设计就要求我们尤其具有一定的C语言编程能力，同时要熟悉DS18B20的各条指令及其与单片机间的通信协议。

想要解决上述问题，我们必须认真学习基于单片机的C语言编程，巩固单片机知识。

就要在前期当中认真的学习DS18B20的资料，弄懂关于DS18B20的每一个指令和每一个时序及与单片机的连接和通信。

（2）AT89C51单片机是整个设计系统的核心，它的设计好坏直接关系到温度的采集、处理、显示及其电机的运转。

同时要熟悉AT89C51单片机的各条指令，最终达到能够熟练运用C语言进行程序设计，使AT89C51单片机弄够与其相连接的各个部件之间能够准确无误的进行收发信息。

要想正确使用AT89C51单片机，就必须认真学习每个引脚的功能及其使用方法特点，弄懂与单片机相连接的各部件间通信流程。

外文翻译

文献1.

JournalofChemicalPhysics;2/21/2008,Vol.128Issue7,p074105,6p,1Chart,8Graphs

Title：

Atemperaturecontroltechniquefornonequilibriummolecularsimulation.

Author：

NoorizadehEmad

Authoraffiliation：

MaxwellInstituteandSchoolofMathematics,UniversityofEdinburgh,EdinburghEH93JZ,UnitedKingdom

Abstract：

Wedescribeadynamicalapproachtothermalregulationinmoleculardynamics.Temperatureismoderatedbyacontrollawandanadditionalvariable,asinNosédynamics,butwhoseinfluenceonthesystemdecreasesasthesystemapproachesequilibrium.Thisdeviceenablesapproximationofmicrocanonicalaveragesandautocorrelationfunctionsconsistentwithagiventargettemperature.Moreover,wedemonstratethatthesuggestedtechniqueiseffectiveforthecontrolofheatdissipationinanonequilibriumsetting,firstbyshowingthatthetemperaturecontrolcorrectlyregulatesheatintroducedbyarapidchangetothesystem,andthenbystudyingtheslowrelaxationofvibrationaldegreesoffreedominasolventbath.

Keywords：

temperaturecontroltechnique

译文：

题目：

非平衡分子模拟温度控制技术

作者：

弗雷德里克伊马德

作者单位：

马克斯韦尔学院，爱丁堡大学，爱丁堡EH93JZ，英国

摘要：

本文描述了在分子动力学热调节动力的方法。

温度是主持一个控制律和一个额外的变量，如鼻动力学，但其影响在系统作为系统的方法平衡下降。

该装置可对微平均和自相关函数与给定的目标温度一致逼近。

此外，本文证明，所建议的方法是为在非平衡散热设置有效的控制，以显示正确的温度控制调节由一个迅速变化的系统介绍了热，然后再通过研究振动度缓慢放松在溶剂中。

关键词：

温度控制技术

文献2.

InternationalJournalofElectricalEngineeringEducation;Jul2003,Vol.40Issue3,p175-187,13p,1BlackandWhitePhotograph,4Diagrams,2Graphs

Title：

Teachingdigitalcontrolusingalow-costmicrocontroller-basedtemperaturecontrolkit.

Author：

Ibrahim,D.

Authoraffiliation：

DepartmentofComputerEngineering,NearEastUniversity,Lefkosa,Turkey

Abstract：

ThedesignofaIow-costdigitaltemperaturecontrolkitisdescribed.Thesystemenablesthestudentstoimplementvariouscontrolstrategiesusingamicrocontroller.Thekitisintendedtobehelpfulinacontrollaboratoryasacomplementtothedigitalcontrolsystemtheorytaughttoundergraduatestudents.

Keywords：

microcontroller-basedcontrolteachingdigitalcontroltemperaturecontrol

译文：

题目：

教学中采用数控的低成本微控制器为基础的温控套件

作者：

易卜拉欣

作者单位：

计算机工程系，近东大学，土耳其

摘要：

本文描述了一个弱光成本数字温度控制套件设计。

该系统使学生实施各种控制策略，利用微控制器。

该套件的目的是要在控制实验室作为一个有益的补充，数字化控制系统理论传授给本科生。

关键词：

基于微控制器的控制教学数字控制温度控制

文献3.

JournalofChemicalPhysics;1/7/2008,Vol.128Issue1,p014111,10p,1Chart,4Graphs

Title：

Configurationaltemperaturecontrolforatomicandmolecularsystems.

Author：

Travis,KarlP.

Authoraffiliation：

ImmobilisationScienceLaboratory,DepartmentofEngineeringMaterials,UniversityofSheffield,MappinStreet,SheffieldS13JD,UnitedKingdom

Abstract：

Anewconfigurationaltemperaturethermostatsuitableformoleculeswithholonomicconstraintsisderived.Thisthermostathasasimplesetofmotionequations,cangeneratethecanonicalensembleinbothpositionandmomentumspace,actshomogeneouslythroughthespatialcoordinates,anddoesnotintrinsicallyviolatetheconstraints.OurnewconfigurationalthermostatiscloselyrelatedtothekinetictemperatureNosé-Hooverthermostatwithfeedbackcoupledtothepositionvariablesviaatermproportionaltothenetmolecularforce.Wevalidatethethermostatbycomparingequilibriumstaticanddynamicquantitiesforafluidofn-decanemoleculesunderconfigurationalandkinetictemperaturecontrol.PracticalaspectsconcerningtheimplementationofthenewthermostatinaMOLECULARDYNAMICScodeandthepotentialapplicationsarediscussed.

Keywords：

thermostattemperaturecontrol

译文：

题目：

原子和分子的构形系统的温度控制

作者：

特拉维斯

作者单位：

非流动化科学实验室，工程材料系，谢菲尔德，马