模电课设温度控制系统

课程设计任务书

学生姓名：专业班级：

指导教师：赵宁工作单位：信息工程学院

题目: 温度控制系统

初始条件：

模拟电子技术基础知识。

要求完成的主要任务:

1．控制密闭容器内空气温度

2. 容器容积>5cm*5cm*5cm

3. 测温和控温范围：0℃~室温

4. 控温精度±1℃

参考书：

1.《电子线路设计·实验·测试》第三版，谢自美主编，华中科技大学出版社

2.《51单片机C语言教程》郭天祥主编，电子工业出版社

时间安排：

第17周（7、8节）：理论讲解

第18周：理论设计及实验室安装调试；

地点：鉴主15通信工程实验室（1），鉴主13通信工程专业实验室；第19周：撰写设计报告及答辩；地点：鉴主17楼研究室。

指导教师签名：年月日

系主任（或责任教师）签名：年月日

目录

摘要 (2)

Abstract ................................................... 错误！未定义书签。

1 温度控制系统原理 (3)

1.1 温度控制系统原理 (5)

1.2 温度控制系统总方案概述 (5)

1.2.1温度传感器方案论证 (6)

1.2.2 显示方案论证 (8)

2 51单片机系统的硬件原理 (11)

2.1 51单片机原理图 (12)

2.2 温度测量部分原理图 (13)

2.3 显示部分原理图 (15)

3 Proteus软件介绍 (18)

3.1原理图的绘制 (18)

3.1.1画导线 (18)

3.1.2 画总线 (18)

3.1.3 画总线分支线 (18)

3.1.4 放置线路节点 (19)

3.2模拟调试 (19)

4 温度控制系统仿真 (20)

5 温度控制系统实物 (24)

6 设计心得 (25)

7参考文献 (26)

8 附录 (27)

摘要

AD590是AD公司利用PN结构正向电流与温度的关系制成的电流输出型的两端温度传感器，

1 温度控制系统原理

1.1温度控制系统原理

图一、温度控制系统原理图

1.2 温度控制系统总方案概述

温度控制系统的设计以温度传感器AD590、运算放大器LM324为基础，以及三极管、二极管、电阻、电位器等原件设计一个温度控制系统，即设定一个温度控制范围，例如温度范围在25度-30度，当所控温度高于30度时，系统的（继电器）开关断开，加热设备停止加热：当所控温度低于25度时，继电器开关闭合，设备开始加热。

1.2.1温度传感器方案论证

方案一：使用热电偶作为温度传感器

图二、热电偶实物图

热电偶是一种感温元件，是一种仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，

被控 对象

执行机构

比较器

控制温度设置

放大

K-C 变换器

温度传感器

此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表; 分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。

使用缺点：热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时，冷端的（环境）温度变化，将严重影响测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。

方案二：使用热敏电阻作为温度传感器

图三、热敏电阻实物图

热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。

热敏电阻的主要特点是：①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化；②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃；

③体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；④使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择；⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产；⑥稳定性好、过载能力强。

主要缺点：①阻值与温度的关系非线性严重；②元件的一致性差，互换性差；

③元件易老化，稳定性较差；④除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0～150℃范围，使用时必须注意。

方案三：使用AD590作为温度传感器

图四、AD590实物图

AD590温度传感器利用PN结构正向电流与温度关系制成的电流输出型两端温度传感器（热敏器件）

AD590的主要特点是：流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数；AD590的测温范围为-55到+150摄氏度，AD590电源电压范围为4V到30V；电源电压可在4V到6V范围变化，电流变化1mA,相当于温度变化1K，AD590可以承受44V 的正向电压和20V的反向电压，因而器件反接也不会被破坏；输出电阻为710mV；AD590精度非常高，有五个档位，非线性误差为0.3摄氏度。

综上所述：方案一需要控制一个温度恒定的冷断，对仪器的要求过高；方案二由于热敏电阻的伏安特性曲线不是线性变化，需要复杂的硬件电路才能实现，且热敏电阻的特性容易收到元件老化的影响或者同种产品的一致性差异容易互换性差以及导致精度不高。方案三，电路设计简单，并能通过简易的数据传输来实现测温，并且精度很高，故本设计采用AD590作为温度传感器。

1.2.2显示方案论证

方案一：使用八段数码管作为温度显示

图五、DS18B20实物图

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

优点：亮度高，显示大。驱动部份的软件简单。

缺点：与液晶相比，耗电及体积大，占用引脚较多，显示内容较少。

方案二：使用1602液晶作为温度显示

图六、1602液晶实物图

工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。（16列2行）

1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图

形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A” 。

液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用

综上所述：方案一，八段数码管显示的有用数据量较少，并且占用的单片机的引脚较多；方案二，LCD 1602对工作的环境温度、湿度有较高的要求，可以显示的数据量多，可以直观的表示数据。本次课程设计的工作温度为零到室温以上15度，可以估计为0度到50度范围内，符合LCD 1602的工作要求，经综合比较本次课设采用LCD1602作为屏幕显示。

2 51单片机系统的硬件连接及调试

温度控制系统总电路图如图。

图七、总电路图

2.1 51单片机

运用单片机的运算功能，实现信号处理。将获得的结果通过输出装置输出显示在

LM016L显示屏上。本次作品即使用单片机控制并采集DS18B20发出的温度信号。完成对温度的控制和测量。

MCS－51单片机组成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、并行I/O口、串行I/O 口、定时/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。

图八、89C51单片机

2.2 温度测量部分

运用DS18B20作为温度传感器。接法如图九运用的是电源寄生接法，在对DS18B20

芯片供电的同时提高信号输出线的电压。

图九、DS18B20电源接法

图十、DS18B20时序表

表一： DS18B20暂存寄存器分布寄存器内容字节地址

温度值低位（LS Byte）0

温度值高位（MS Byte） 1

高温限值（TH） 2

低温限值（TL） 3

配置寄存器 4

保留 5

保留 6

保留7

CRC校验值8

表二： DS18B20 ROM指令表

指令约定

代码

功能

读ROM 33H 读DS1820温度传感器ROM中的编码（即64位地址）

符合ROM 55H 发出此命令之后，接着发出 64 位 ROM 编码，访问单总线上与该编码相对应的 DS1820 使之作出响应，为下

一步对该 DS1820 的读写作准备。

搜索ROM 0FOH 用于确定挂接在同一总线上 DS1820 的个数和识别 64 位 ROM 地址。为操作各器件作好准备。

跳过ROM 0CCH 忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS1820 发温度变

换命令。适用于单片工作。

告警搜索命令0ECH 执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才

做出响应。

表三： RAM指令表

指令约定代功能

码

温度变换44H 启动DS1820进行温度转换，12位转换时最长为750ms

（9位为93.75ms）。结果存入内部9字节RAM中。

读暂存

器0BEH

读内部RAM中9字节的内容

写暂存

器4EH 发出向内部RAM的3、4字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。

复制暂

存器48H

将RAM中第3 、4字节的内容复制到EEPROM中。

重调

EEPROM 0B8H

将EEPROM中内容恢复到RAM中的第3 、4字节。

读供电方式0B4H 读DS1820的供电模式。寄生供电时DS1820发送

“ 0 ”，外接电源供电 DS1820发送“ 1 ”。

2.3 显示部分

上拉电阻RP1和显示屏LCD1(LM016L)组成显示部分，如图5 。

LM016L液晶模块采用HD44780控制器，hd44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，LM016L与单片机MCU通讯可采用8位或4位并行传输两种方式，hd44780控制器由两个8位寄存器，指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）忙标志（BF），显示数RAM（DDRAM），字符发生器ROMA（CGOROM）字符发生器RAM（CGRAM），地址计数器RAM(AC)。IR用于寄存指令码，只能写入不能读出，DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入DDRAM和CGRAM,或者暂存从DDRAM和CGRAM读出的数据，BF为1时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，DDTAM用来存储显示的字符，能存储80个字符码，CGROM由8位字符码生成5*7点阵字符160中和5*10点阵字符32种.8位字符编码和字符的对应关系。

图十一、温度信号显示部分电路

3 Proteus软件介绍

Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。②支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。③提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。④具有强大的原理图绘制功能。本章介绍Proteus ISIS软件的工作环境和一些基本操作。本次模拟使用PROTEUSISIS 7.7 SP2。

图十二、PROTEUS启动界面

3.1原理图的绘制

3.1.1画导线

Proteus的智能化可以在你想要画线的时候进行自动检测。当鼠标的指针靠近一个对象的连接点时，跟着鼠标的指针就会出现一个“×”号，鼠标左键点击元器件的连接点，移动鼠标(不用一直按着左键)就。出现了粉红色的连接线变成了深绿色。如果你想让软件自动定出线路径,只需左击另一个连接点即可。这就是Proteus的线路自动路径功能(简称WAR)，如果你只是在两个连接点用鼠标左击，WAR将选择一个合适的线径。WAR可通过使用工具栏里的“WAR”命令按钮来关闭或打开，也可以在菜单栏的“Tools”下找到这个图标。如果你想自己决定走线路径，只需在想要拐点处点击鼠标左键即可。在此过程的任何时刻，你都可以按ESC或者点击鼠标的右键来放弃画线。

3.1.2 画总线

为了简化原理图，我们可以用一条导线代表数条并行的导线，这就是所谓的总线。点击工具箱的总线按钮，即可在编辑窗口画总线。

3.1.3 画总线分支线

点击工具的按钮，画总线分支线，它是用来连接总线和元器件管脚的。画总线的时候为了和一般的导线区分，我们一般喜欢画斜线来表示分支线，但是这时如果WAR功能打开是不行的，需要把WAR功能关闭。画好分支线我们还需要给分支线起个名字。右键点击分支线选中它，接着左键点击选中的分支线就会出现分支线编辑对话框同端是连接在一起的，放置方法是用鼠标单击连线工具条中图标或者执行Place／Net Label菜单命令，这时光标变成十字形并且将有一虚线框在工作区内移动，再按一下键盘上的[Tab]键，系统弹出网络标号属性对话框，在Net项定义网络标号比如PB0，单击[OK】，将设置好的网络标号放在第(1)步放置的短导线上(注意一定是上面)，单击鼠标左键即可将之定位。

放置总线将各总线分支连接起来，方法是单击放置工具条中图标或执行Place／Bus 菜单命令，这时工作平面上将出现十字形光标，将十字光标移至要连接的总线分支处单击鼠标左键，系统弹出十字形光标并拖着一条较粗的线，然后将十字光标移至另一个总线分

支处，单击鼠标的左键，一条总线就画好了。

使用技巧。当电路中多根数据线、地址线、控制线并行时使用总线设计。

3.1.4 放置线路节点

如果在交叉点有电路节点，则认为两条导线在电气上是相连的，否则就认为它们在电气上是不相连的。笔者发现ISIS在画导线时能够智能地判断是否要放置节点。但在两条导线交叉时是不放置节点的，这时要想两个导线电气相连，只有手工放置节点了。点击工具箱的节点放置按钮+，当把鼠标指针移到编辑窗口，指向一条导线的时候，会出现一个“×”号，点击左键就能放置一个节点。

3.2 模拟调试

选中单片机A T899C52，左键点击A T89C52，在出现的对话框里点击Program File按钮，找到刚才编译得到的HEX文件，然后点击“OK”按钮就可以模拟了。点击模拟调试按钮的运行按钮[] ，进人调试状态。调节温度传感器的温度，进行温度的测试以及温度显示的调试。

4 温度控制系统仿真

PROTEUS ISIS模拟DS18B20对温度的测量是通过调节DS18B20上下两个箭头来输出不同的温度。

图十三、DS18B20调节温度

模拟中用三个LED发光二级管的亮灭来显示温度控制的工作状态，液晶LCD1602作为温度显示口。设置19.5~20.5摄氏度为保温温度，keep灯亮；19.5摄氏度一下为加热温度，heat灯亮；20.5摄氏度以上为制冷温度，refrigerate灯亮。调节DS18B20可以模拟温度控制系统的实时工作状态。

图十四、调节温度LED与LCD1602工作状态（一）调节温度到21.1，温度显示和LED状态显示如图十四。

图十五、调节温度LED与LCD1602工作状态（二）调节温度到20.1，温度显示和LED状态显示如图十五。

图十六、调节温度LED与LCD1602工作状态（三）调节温度到17.1，温度显示和LED状态显示,如图十六。