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標題: 分享一個溫控系統設計指導書 [打印本頁]
作者: cyberking    時間: 2019-4-16 10:00
標題: 分享一個溫控系統設計指導書
一、設計目的
（1）了解和掌握電子設計的方法和步驟，能夠綜合所學的理論知識提出設計方案并加以論證，通過 對設計方案的分析比較，單元電路的設計、元件選擇，掌握系統方案的設計方法。 （2）能夠根據需要選擇參考書，查閱手冊、圖表和文獻資料，通過獨立思考、深入鉆研有關問題， 培養獨立分析問題、解決問題的能力。 （3）掌握傳感器檢測、模擬信號調理、數據采集等技術的設計和實驗方法。 （4）掌握單片機系統的軟硬件工作原理及設計、調試方法，通過應用實例掌握單片機系統設計的整 體流程。 （5）學習使用電子設計、仿真軟件進行電路輔助設計，能正確繪制電路圖。 （6）學習電路的實驗調試和測試方法，提高實踐能力。  
二、設計任務要求
2.1  設計任務
1、 基本要求 （1）功能要求 ① 采用模擬溫度傳感器設計溫度檢測電路，并完成模擬信號調理； ② 采用 Protues 軟件進行模擬電路仿真； ③ 采用 51 單片機（內置 ADC）采集溫度信號，再通過數碼管顯示溫度數值。 （2）技術指標 ① 溫度測試范圍：0℃~110℃ ② 溫度測試精度：±2℃ ③ 溫度測試分辨率：0.2℃ ④ 溫度顯示方式：4 位數碼管顯示，第 1 位數碼管顯示符號（零下溫度顯示“—”號，零上及低于 100℃不顯示）第 2 位數碼管顯示溫度的十位數值，第 3 位數碼管顯示溫度的個位數值及小數點，第 4 位 數碼管顯示溫度測量值的小數點后第一位數值。 2、  提高要求 （1）功能要求 ① 實現溫度自動控制功能，具有溫度檢測和溫度控制兩種工作狀態，并可手動切換工作狀態； ②對象溫度控制：可通過單片機控制加熱器進行溫度自動調節，并可設置和顯示溫度恒定數值，控制 對象為大功率電阻； （2）技術指標 ① 溫度控制數值可在 40℃~70℃之間設置 ② 溫度控制精度：±1℃ ③ 研究合適的溫度控制算法。
2.2  設計要求
1．根據設計任務設計幾種實現方案，經比較從中優選確定一種實現方案。 2．說明所選電路的組成及工作原理，并繪出原理框圖。 3．設計各單元電路，計算元器件參數并選擇元器件類別型號。

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4．畫出實際電路圖，并用 Protues 軟件進行電路仿真。 5．列出元器件清單。 6．組裝并調試方案電路，記錄調試步驟及結果。 7．設計單片機程序，完成數據采集、處理和顯示。 8．對電路功能及技術指標進行測試，記錄測試數據。
2.3  限定條件
1．模擬電路電源：+5V 2．單片機開發軟件：Keil UV3 v8.02 3．電路仿真軟件：Proteus 5．主要器件： （1）溫度傳感器：LM35CZ （2）運放：LM324 或 LM358 任選其一 （3）單片機模塊：  6．除單片機模塊外，其它電路在一塊萬用板上焊接好并調試正常，通過杜邦頭跳線與單片機模塊連 接。傳感器通過杜邦頭跳線與電路板連接，集成電路使用插座實現引腳連接。
三、實驗設備與儀器
1．單片機開發板，集成溫度傳感器，運放等元器件。 2．PC 機，信號源，萬用表，示波器，穩壓電源，模擬電路實驗箱。
四、設計思路
4.1  系統框圖
根據設計任務要求可確定系統的初步方案，如圖 5.1 所示。

圖 4.1  系統方案設計圖
4.2  溫度測量與溫度傳感器
溫度測量方法可分為接觸式和非接觸式兩類，接觸式的測溫方法是基于物體的熱交換現象。選定某一 測溫器，與被測物體相接觸，進行充分的熱交換，待兩者溫度一致時，測溫器輸出的大小即反映被測溫度 的高低。接觸式測溫的優點是簡單、可靠、測量精度高；缺點是測溫時有較大的滯后，對運動物體測溫較 困難，測溫器易影響被測對象的溫度場分布，測溫上限受到測溫器件材料性質的限制，故所測溫度不能太 高。 溫度傳感器是把溫度轉換為電量的測溫器。常用的溫度傳感器有：金屬熱電阻和半導體熱敏電阻、熱
單片機 開發板
AD 轉換
參考電壓源
溫度 傳感器
模擬信號 調理
驅動 電路
加熱 元件

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電偶、PN 結型傳感器和集成溫度傳感器、石英晶體溫度傳感器、渦流式溫度傳感器、電容式溫度傳感器 等。 采用集成溫度傳感器測量溫度，具有省電、體積小、線性好、成本低等優點，而且能滿足一般測溫工 作（－50℃~＋150℃）的需要，因此本設計使用集成溫度傳感器，型號為 LM35（電壓輸出型）。 傳感器使用說明見附件 1：《LM35 數據手冊》。
4.3 模擬信號調理
1．調零與調滿度 半導體溫度傳感器有一個共同的特點，即其輸出電壓或電流與絕對溫度成正比或線性關系。因為常用 的溫標為攝氏溫度，而且為便于測量，希望在 0℃（傳感器插入冰水中）時，測溫電路輸出顯示為 0，在 100℃（傳感器插入沸水中）時，測溫電路輸出顯示為 100。因此，半導體測溫電路中需要設計調零電路和 調滿度（也稱調靈敏度）電路。 2．放大與電平平移 模擬傳感器輸出的信號通常為非標準雙極性或單極性小信號，為實現數據采集，需適應 A/D 轉換器輸 入電平要求，因此要對模擬信號進行放大和電平平移。
4.4  模擬信號 A/D 轉換
模擬信號需經 A/D 轉換后，才能被采集到單片機中，完成后續的處理。 4.5 數碼管顯示 4 位數碼管顯示，電路設計參考硬件資料。
4.6 軟件頂層流程圖
1．軟件頂層流程圖 軟件的部分頂層流程圖如圖 42 所示。

開始
系統初始化
溫度數據采集
按鍵檢測處理
系統狀態設置
溫度數據顯示

5
圖 4.2  軟件頂層流程圖
2．軟件組成框圖 主要包括主控程序、硬件接口程序、人機接口程序、處理算法程序、通用模塊程序等，每個程序又由若 干子程序或模塊組成。軟件的部分組成框圖如圖 5.3 所示。

圖 4.3  軟件組成框圖
4.7  加熱器應用技術
為實現溫度的自動調節，實驗裝置需要設計一個加熱器，并對其溫度進行實時檢測和閉環控制。實驗項 目采用單片機外接驅動電路控制大功率電阻，作為簡易的加熱裝置。

4.8 設計資料
附件 1：LM35 數據手冊 附件 6：Proteus 入門教程 附件 7：Multisim10 仿真軟件簡介與使用
主控程序
硬件接口程序 ADC初始化子程序
按鍵檢測子程序
數碼管顯示子程序
LED 顯示子程序
中斷處理模塊
PWM 控制子程序


…
人機接口程序 按鍵處理子程序
系統顯示子程序
溫度刷新子程序


… 處理算法程序 溫度處理子程序
溫度控制子程序
PID 計算子程序


…


…
系統軟件

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附件 8：Keil uVision3 集成開發環境安裝及使用介紹 附件 9：課程設計報告案例 附件 10：軟件例程
4.9  Proteus 軟件
Proteus 軟件由英國 Labcenter Electronics 公司于 1989 年推出，是用于單片機系統設計的虛擬仿真工具， 不僅能實現數字電路、模擬電路及數/�；旌想娐返脑O計和仿真，而且能為單片機應用系統提供方便的軟、 硬件設計和系統運行的虛擬仿真，這是 Proteus 最具特色的功能。 Proteus 軟件將單片機（或微處理器）仿真與電路仿真相結合，可直接在基于電路原理圖的虛擬原型上 進行單片機程序的編寫與調試，并進行功能驗證。在仿真過程中，用戶可以用鼠標單擊開關、按鍵、電位 器、可調電阻等動態外設模型，使單片機系統根據輸入信號做出相應的響應，并將處理結果實時地顯示在 顯示器件（如數碼管、LED、LCD 等）上，并可驅動各種常用電機等虛擬輸出外設，實時看到運行后的輸 入、輸出效果。 Proteus 軟件將單片機的程序嵌入到虛擬硬件中，整個過程與真實的軟件、硬件調試過程相似，從而實 現了單片機應用系統的軟硬件聯合仿真。 Proteus 軟件的使用方法見附件 6：《Proteus 入門教程》。
4.10 Multisim 軟件
Multisim 是一個原理電路設計、電路功能測試的虛擬仿真軟件。Multisim 用軟件的方法虛擬電子與電 工元器件，虛擬電子與電工儀器和儀表，實現了“軟件即元器件” 、“軟件即儀器” 。Multisim 的元器件庫 提供數千種電路元器件供實驗選用，同時也可以新建或擴充已有的元器件庫。Multisim 的虛擬測試儀器儀 表種類齊全，并且具有較為詳細的電路分析功能，可以設計、測試和演示各種電子電路，包括電工學、模 擬電路、數字、電路、射頻電路及微控制器和接口電路等。 利用 Multisim 可以實現計算機仿真設計與虛擬實驗，與傳統的電子電路設計與實驗方法相比，具有如 下特點：設計與實驗可以同步進行，可以邊設計邊實驗，修改調試方便；設計和實驗用的元器件及測試儀 器儀表齊全，可以完成各種類型的電路設計與實驗；可方便地對電路參數進行測試和分析；可直接打印輸 出實驗數據、測試參數、曲線和電路原理圖；實驗中不消耗實際的元器件，實驗所需元器件的種類和數量 不受限制，實驗成本低，實驗速度快，效率高；設計和實驗成功的電路可以直接在產品中使用。 Multisim 軟件的使用方法見附件 7： 《Multisim10 仿真軟件簡介與使用》。
4.11  Keil 編程軟件
Keil C51 是美國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機 C 語言軟件開發系統，提供了包括 C 編 譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發 環境（uVision）將這些部分組合在一起。 采用 C 語言進行開發的優點： 1．Keil C51 生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發大型 軟件時更能體現高級語言的優勢。 2．與匯編相比，C 語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用。用 過匯編語言后再使用 C 來開發，體會更加深刻。Keil C51 軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調 試工具，全 Windows 界面。 Keil 軟件的安裝和使用方法見附件 8：《Keil uVision3 集成開發環境安裝及使用介紹》。




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