优秀毕业设计 毕业论文 基于单片机的室内温度监控系统的设计

原创性声明

本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的相应责任。

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指导教师签名：日期

确定了温度监控系统的总体设计方案，包括系统各组成硬件、系统电路设计及系统软件设计等方面。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。对传感器理论单片机实际应用有机结合进行了研究，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。电路及软件设计方面，利用Protel99软件对系统的电路原理图进行了设计，并生成了电路板。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。

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。

关键词：A/D转换模块；数据传输模块；温度；Protel99；传感器；

Determine the temperature monitoring system design program, including system component hardware, system circuit design and system software design and so on. In this paper, microcomputer with the sensor technology development and design of the temperature monitoring system. Paper sensor combination of the practical application of theory of SCM in detail about the use of thermistor temperature as a thermal sensor to detect the process, and the realization of the principle of thermoelectric conversion process. Circuit and software design, use of software systems Protel99 circuit schematic for the design and build the circuit boards. Function of each part of the article, realize the process in detail. The core of the system for temperature monitoring.

Sensors of various physical quantities can, chemical content and biomass signals into electrical signals so that people can use computers for automatic measurement, information processing and automatic control, but they have varying degrees of the influencing factors such as temperature drift and nonlinearity .Sensors are used to measure and control system, its performance directly affects the system performance. Therefore, not only to master the structure of various types of sensors, theory and performance, but also must understand the sensor interface circuit through the appropriate adjustments to meet the signal processing, display and control requirements, and only through the application examples of the principles of sensor and intelligence sensor instance of understanding, to the sensors and information communications and information processing combine to adapt to sensor production, research, development and application.

Key words: A / D converter module; data transfer module; temperature ; Protel99; sensor;

目录

前言 (1)

1 绪论 (2)

1.1温度监控技术的研究背景 (2)

1.2温度监控技术的研究现状 (3)

1.2.1国外研究现状 (3)

1.2.2国内研究现状 (3)

2 设计要求 (5)

2.1 设计要求 (5)

2.2 研究对象的数学模型 (5)

3 系统硬件的设计 (6)

3.1 单片机和电路设备选择 (6)

3.2温度监控系统的组成框图 (10)

3.3温度监控系统的结构图 (11)

3.4系统硬件的电路设计 (12)

4 系统软件的设计 (17)

4.1硬件系统分析 (17)

4.1.1 温度变换程序模块 (17)

4.1.2 温度非线性转换程序模块 (17)

4.1.3单片机控制流程图 (19)

4.2 软件设计 (20)

4.3 程序调试 (22)

4.3.1硬件调试 (22)

4.3.2软件调试 (22)

总结 (24)

参考文献 (25)

附录 (26)

致谢 (32)

基于单片机的室内温度监控系统的设计

前言

温度监控系统广泛应用于社会生活的各个领域,适用于家电、食品、汽车、材料和电力电子等行业.随着科技水平的提高,温度监控系统作为实现设备小型化,智能化和自主知识创新的重要元素,目前在国防、航空、交通、能源、工业、通信和人们日常生活等各个领域,越来越发挥着极其重要的作用. 对传感器技术要求越来越高，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。

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。本设计应用性比较强，设计系统可以作为实验室温度监控系统等。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。

1 绪论

随着近代工业的不断发展，很多的领域对温度监控的要求越来越高，而且监控范围越来越广，因此，对温度监控技术的要求也越来越高。现在的温度监控系统已经应用于很多的地方，如实验室温度监控、储藏室温度监控、大棚温室的温度监控等。在不同的场合对温度监控系统的要求也不尽相同，要求的精度也越来越高。

1.1温度监控技术的研究背景

温度是一个基本的物理量它是工业生产过程中最普遍、最重要的工艺参数之一。随着工业的不断发展，对温度测量的要求越来越高，而且测量范围也越来越广。因此，对温度检测技术的要求也越来越高。

常见的几种测温方法（接触式，非接触式，热象仪原理）

随着科技的发展，温度检测技术也不断地进步，目前的温度检测使用的温度计种类繁多、应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法：

1. 利用物体热胀冷缩原理制成的温度计

利用此原理制成的温度计大致分成三大类:

a. 玻璃温度计，它是利用玻璃感温包内的测温物质 (水银、酒精、甲苯、煤油等)受热膨胀、遇冷收缩的原理进行温度测量的;

b. 双金属温度计，它是采用膨胀系数不同的两种金属牢固粘合在一起制成的双金属片作为感温元件，当温度变化时，一端固定的双金属片由于两种金属膨胀系数不同而产生弯曲，自由端的位移通过传动机构带动指针指示出相应温度;

c. 压力式温度计，它是由感温物质 (氮气、水银、二甲苯、甲苯、甘油和低沸点液体如氯甲烷、氯乙烷等)随温度变化，压力发生相应变化用弹簧管压力表测出它的压力值，经换算得出被测物质的温度值。

2. 利用热电效应技术制成的温度检侧元件

利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件。热电偶具有结构简单、制作方便和测量范围宽的优点。

3. 利用热阻效应技术制成的温度计

用此技术制成的温度计大致可分成以下几种：电阻测温元件、导体测温元件、陶瓷热敏元件。

4.利用热辐射原理制成的高温计

热辐射高温计常分为两种：一种是单色辐射高温计，一般称为光学高温计；一种是全辐射高温计。它的原理是物体吸收热辐射后，视物体本身的性质，能将它吸收、透过或反射。

1.2温度监控技术的研究现状

1.2.1国外研究现状

自70年代以来，由于工业控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法的推动下，国外温度监控系统发展迅速，并在智能化，自适应，参数自整定等方面取得成果，在这方面，日本、美国、德国、瑞典等国走到了世界的前列，掌握了领先的技术，并且都已经生产出一批商品化的、性能优异的温度控制器和仪器仪表,在各个行业广泛应用。

其特点是适应于大惯性、大滞后等复杂温度监控系统,具有参数自整定功能和自学功能,即温控器控制对象,控制参数及特性进行自动整定,并根据历史经验及控制对象的变化情况,自动调整相关控制参数,以保证控制效果的最优化。温度监控系统具有控制精度高、抗干扰能力强等特点。目前，国外温度控制仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方向发展。

微处理技术的发展和数字智能式控制器的实际应用，在控制领域出现的一系列新的技术课题之一的被控对象动静参数、控制系统结构、参数发生较大范围变化的情况下，控制系统仍能满足给定的品质指标，这是自适应控制的最基本特性，使控制对象达到一定的目标。同时，随着现代控制理论（诸如智能控制、自适应模糊控制和神经网络技术等）研究和应用的发展与深入，为控制复杂无规则系统开辟了新途径，逐步弱化或取消了对受控对象数学模型结构不变的限制。

1.2.2国内研究现状

我国对于室内温度监控技术的研究与应用起步比较晚，主要为实验室、储藏室

和大棚温室等。我国工程技术人员在吸收发达国家温度监控技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机监控技术，该技术仅限于温度、湿度和CO2浓度等单项环境因子的控制。我国室内设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。

2 设计要求

本章分析了温度监控系统的设计要求以及设计的基本思路。

2.1 设计要求

（1）室内的温度要保证在一定的范围内，这主要在控制程序设计中考虑。如温度控制范围为15 ～25，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2.1.1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。

测温的步骤：感温元件检测温度后，将温度信号转变成电压信号，由于温度测量元件的输出电压非常小，因此必须经过放大后才能被准确测量。电压信号经过A/D 转换后变成数字信号，再由单片机进行数据处理及进行相应的显示。本系统不仅可以测量温度，还可以设置温度的上线和下线，如果所测系统超过或低于温度的上下线，则自动启动温度调节电路，使温度控制在所需范围内。

2.2 研究对象的数学模型

本次设计的受控对象为室内主要是实验室或储藏室,有些地方对温度的要求比较高,本系统要求长时间监视室内的温度，并对当前的温度进行控制。本控制对象为室内采用继电器进行控制。

3 系统硬件的设计

3.1 单片机和电路设备选择

单片机：PIC16F877A（PIC16F877A为美国MICORCHIP公司生产的带A/D转换的8位单片机）。

显示系统：商用计算机。

用户内存：1G RAM。

系统总线：RS-232-C接口（又称EIA RS-232-C）RS232 C有25条线，，分为5个功能组，包括4条数据线，11条控制线，3条定时线，7条备用线和

未定义线。

操作系统：WindowsXP。

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NTC热敏电阻其主要性能如下：

①补偿型NTC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。

②主要技术参数：时间常数≤30S

测量功率≤0.1mW

使用温度范围-55～+125℃

耗散系数≥6mW/℃

额定功率0.5W

③降功耗曲线：

图3.1.1温度传感器功耗曲线图

（2）核心处理单元MicroChip PIC16F877A单片机

MicroChip PIC16F877A单片机主要性能：

具有高性能RISC CPU

仅有35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：DC-20M时钟输入。

上电复位（POR）。

上电定时器(PWRT)和震动启动定时器。

监视定时器（WDT），它带有片内可靠运行的RC振荡器。

低功耗，高速CMOS FLASH/EEPROM工艺。

运行电压范围2.0v到5v。

高输入/输出电流25mA。

低功耗：在5v,4MHz时典型值小于2mA。

在3v,32KHz时典型值小于20uA。

典型的静态电流值小于1uA。

（3）RS-232-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。RS-232-C接口（又称EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）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（DTE）和数据通讯设备（DCE）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25个脚的DB25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。

①接口的信号内容实际上RS-232-C的25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。

②接口的电气特性在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑。“1”，-5~-15V；逻辑“0”+5~+15V 。噪声容限为2V。即要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号作为逻辑“1”。

③接口的物理结构RS-232-C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座,通常插头在DCE端,插座在DTE端.一些设备与PC机连接的RS-232-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DB-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。

④传输电缆长度由RS-232C标准规定在码元畸变小于4%的情况下，传输电缆长度应为50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99%的用户是按码元畸变10~20%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过50英尺。

图3.1.2 Max232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PIC16F877A单片机中程序构成温度自动监测电路，实现对室内温度的监测和自动控制。[]13

（5）半导体降温片及电阻加热丝

①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3.1.3：

图3.1.3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干一样夹起来，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3.1.4所示。

图3.1.4半导体降温片外观图

②本控制系统是对室内进行温度监控，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。 3.2温度监控系统的组成框图

采用典型的反馈式温度控制系统，组成部分见图3.2.1。其中数字控制器的功能由单片机实现。

图3.2.1温度监控系统的组成框图

传递函数为),1/()(1+=-s Ke s G s τττLT =θ，其中τ1为电阻加热的时间常数，θ为电阻加热的纯滞后时间，T θ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/([)(11s Ts e s Ke s G s --?+-=τθ （3-1）

广义对象的Z 传递函数为

)/1/)11(]}/)1[()]11/{[)(1111-------=-?+-=z eT e Kz s e s s Ke Z z G T L Ts ττθτ （3-2） 所以系统的闭环Z 传递函数为

)1/()1()1/(/)1[()(//1ττθτT T L s Ts e e z s e s e Z z --------=+?-=Φ (3-3)

系统的数字控制器为

)(G /)()(D )(E /)(U 1z z z z z Φ==

=L T T e T T T z e z e e K e z e ---------------1/1/1//11/)1(]1)[1(/)1)(1(ττττ

（3-4）

写成差分方程即为

)1()1()1()(//L k u e k u e k u T T ---+-=--ττ

)1(/)1()1()1(/)()1(1/1//1//τττττT T T T T e K k e e e e K k e e -----------+ （3-5） 令 )1(/)1(1//0ττT T e K e a ----=

)1(/)1(1/1//1τττT T T e K e e a -----= τ/1T e b -=, τ/21T e b --=,

得)1()1()1()()(2110L k u b k u b k e a k e a k u --+-+--= （3-6） 式中)(k e ——第k 次采样时的偏差；

)1(-k e ——第1-k 次采样时的偏差； )1(-k u ——第1-k 次采样时的偏差；[]7

3.3温度监控系统的结构图

图3.3.1温度监控系统结构图

图3.3.1中温度传感器和Micro Chip PIC16F877A 单片机中的A/D 转换器构成输入通道，用于采集室内的温度信号。温度传感器输出电压经过A/D 转换后的数字量与室内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。室内温度设定值由单片机中程序设定。由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室内温度进行调节。同时通过电平转换电路把当前温度传输到计算机的串口中，由计算机动态的显

示室内的温度，正常情况下温度控制由单片机自动控制。必要时，计算机也可以通过软件来强制改变室内温度。

3.4系统硬件的电路设计

（1）使用Protel进行电路板设计的第一步便是设计原理图，原理图决定了整个电路的基本功能，也是接下来生成网络表和设计印刷电路板的基础。

①在Protel 99的初始界面下新建一个设计库，该数据库用来管理项目。File-New-改文件名－改保存路径－OK

②进入设计库文件中的文件夹Document。

③在Document 文件夹中新建原理图文件和印制板文件。

File-New-Schematic Document-Ok-改文件名

File-New-PCB Document-Ok-改文件名

④打开原理图文件。

⑤添加原理图文件库。

Design-Add/Remove Library- 浏览所需零件库－Add-Ok

⑥放置电路所需的各种元件，图件，网络标号等元器件。

Design-Add/Remove Library- 浏览所需零件库－Add-Ok

从零件库中调出元件 Place-part

⑦对原图元件进行布局，布线，构成一个完整的原理图。

Place-part

⑧编辑和调整。然后进行输出存档。

右键－Properies….Designation-Part-Footrint Save

⑨打印或建立报表。

图3.4.1 protel设计的流程图

（2）用PCB系统设计PCB板分以下7个步骤：

①有关参数的设置。这一步主要设定自动布线参数、板面参数等。

② PCB板尺寸设计。在禁止布线层上，沿设计的PCB边画边框线，即指定自动布局的范围。这一步为自动布局打基础。同时，在上层板面（即元器件面）沿禁止布线层的边框图线放置铜线，这是PCB板最后成型所必须的。

③布局就是根据原理图上元器件之间的连接关系，并考虑电磁兼容性以及元器件的安装空间和散热等，总是将元器件放置在PCB电路板上适当的位置。布局的好坏直接影响PCB板的电气性能和布局的功能，是PCB板设计过程中最费时、最繁琐的。布局工作需要耐心、细致。尽管系统提供了自动布局的功能，但是一般而言都需要手工调整。

手工布局，首先载入SCH生成的网络表，通过手工移动元器件PCB板上的排列位置实现布局。移动元器件是最好打开网络连接显示，这样就能观察到相邻元器件连线的疏密。

自动布局，PCB系统环境提供自动布局功能完成元器件放置，但在细节处最好使用手工调整。布局时要求相互间连线多的元器件应该就近放置；相互间可能造成干扰的元器件应远离：功率器件应考虑散热空间。

④自动布线。布线就是在元器件引脚之间放置覆铜连线的过程，这一过程可以通过手工完成，也可以自动进行。但是Protel99的PCB系统提供了强大的自动布线功能，建议使用该功能自动布线。在进行自动布线之前，设计人员必须先设计好布线参数，定义布线规则。如果不适当，可能会导致自动布线失败，即布线的成功率不高，所以这一步要特别注意

⑤启动设计规则检查DRC，这一步利用PCB提供的DRC功能对完成布线的PCB 板进行检查，这一步由软件自动完成。检查的结果输出在报告文件*.rep中，PCB软件将出错处在PCB图上显示出来，为检查、修改提供方便。

⑥板面字符调整。为了使设计的PCB板美观，并且安装焊接元器件方便，应将元器件的名称。设计值的字符参数移至元器件框外。大小合适且字符不想重叠。

⑦将经过DRC检查无误，且版面字符调整好的PCB设计图存盘、输出、制版。

⑧印刷板电路设计完成以后，整个电路板的设计项目就基本完成。存档以便进行后期的修改及完善。

图3.4.2制作PCB板的流程

硬件电路板设计

本设计中需要有2个继电器控制外围温度调节系统，2个LED用来提示串口数据指示，还有一个PIC16F877A单片机，一个Max232电平转换器，一个有源晶体振荡器及其外围电阻电容等。在确定电路的正确性，可行性之后，开始使用Protel对它进行布图。

Protel是一个很好用的电子制作工具，它还可以进行仿真。在画原理图的过程中，原理图中的元件库中可能找不到自己要找的元件，如PIC16F877A等，所以要自己画元件。在画原理图后，选择将元件自动编号，然后根据需要更改部分元件的编号。在定好元件编号后，使用TOOLS中的ERC进行检查，它会提示是否有编号相同

的元件等错误。在ERC检查无误后，便可以开始封装了。同样，部分元件的封装在PCB库中找不到或者是有出入，如按键开关，2位拨码开关在PCB库中找不到，所以需要自己根据元件的实际大小和相应的原理图中引脚编号，做出正确的封装。

图3.4.3 完整的PCB图

另外，可变电阻在原理图中的引脚编号和PCB库中的引脚编号有点出入（可在原理图中双击元件，选上HIDDEN PINS，则可以观察到元件的引脚编号），可以在PCB 库中将该元件的引脚标号改成与原理图相对应的标号。在封装好全部元件后，可以生成一个元器件报表，在报表中可以清楚的看到各元件的标号和封装代号，在进一步检查完毕后就开始建立网络表。在禁止布线层中画一个边框和电路板大小一样的矩形，然后开始导入网络表，在导入网络表没有错误后，便开始正式布局了。根据