分享一个温控系统设计指导书

ID:513347 · 发表于 2019-4-16 10:00

一、设计目的
（1）了解和掌握电子设计的方法和步骤，能够综合所学的理论知识提出设计方案并加以论证，通过对设计方案的分析比较，单元电路的设计、元件选择，掌握系统方案的设计方法。（2）能够根据需要选择参考书，查阅手册、图表和文献资料，通过独立思考、深入钻研有关问题，培养独立分析问题、解决问题的能力。（3）掌握传感器检测、模拟信号调理、数据采集等技术的设计和实验方法。（4）掌握单片机系统的软硬件工作原理及设计、调试方法，通过应用实例掌握单片机系统设计的整体流程。（5）学习使用电子设计、仿真软件进行电路辅助设计，能正确绘制电路图。（6）学习电路的实验调试和测试方法，提高实践能力。
二、设计任务要求
2.1  设计任务
1、基本要求（1）功能要求 ① 采用模拟温度传感器设计温度检测电路，并完成模拟信号调理； ② 采用 Protues 软件进行模拟电路仿真； ③ 采用 51 单片机（内置 ADC）采集温度信号，再通过数码管显示温度数值。（2）技术指标 ① 温度测试范围：0℃~110℃ ② 温度测试精度：±2℃ ③ 温度测试分辨率：0.2℃ ④ 温度显示方式：4 位数码管显示，第 1 位数码管显示符号（零下温度显示“—”号，零上及低于 100℃不显示）第 2 位数码管显示温度的十位数值，第 3 位数码管显示温度的个位数值及小数点，第 4 位数码管显示温度测量值的小数点后第一位数值。 2、  提高要求（1）功能要求 ① 实现温度自动控制功能，具有温度检测和温度控制两种工作状态，并可手动切换工作状态； ②对象温度控制：可通过单片机控制加热器进行温度自动调节，并可设置和显示温度恒定数值，控制对象为大功率电阻；（2）技术指标 ① 温度控制数值可在 40℃~70℃之间设置 ② 温度控制精度：±1℃ ③ 研究合适的温度控制算法。
2.2  设计要求
1．根据设计任务设计几种实现方案，经比较从中优选确定一种实现方案。 2．说明所选电路的组成及工作原理，并绘出原理框图。 3．设计各单元电路，计算元器件参数并选择元器件类别型号。

3
4．画出实际电路图，并用 Protues 软件进行电路仿真。 5．列出元器件清单。 6．组装并调试方案电路，记录调试步骤及结果。 7．设计单片机程序，完成数据采集、处理和显示。 8．对电路功能及技术指标进行测试，记录测试数据。
2.3  限定条件
1．模拟电路电源：+5V 2．单片机开发软件：Keil UV3 v8.02 3．电路仿真软件：Proteus 5．主要器件：（1）温度传感器：LM35CZ （2）运放：LM324 或 LM358 任选其一（3）单片机模块：  6．除单片机模块外，其它电路在一块万用板上焊接好并调试正常，通过杜邦头跳线与单片机模块连接。传感器通过杜邦头跳线与电路板连接，集成电路使用插座实现引脚连接。
三、实验设备与仪器
1．单片机开发板，集成温度传感器，运放等元器件。 2．PC 机，信号源，万用表，示波器，稳压电源，模拟电路实验箱。
四、设计思路
4.1  系统框图
根据设计任务要求可确定系统的初步方案，如图 5.1 所示。

图 4.1  系统方案设计图
4.2  温度测量与温度传感器
温度测量方法可分为接触式和非接触式两类，接触式的测温方法是基于物体的热交换现象。选定某一测温器，与被测物体相接触，进行充分的热交换，待两者温度一致时，测温器输出的大小即反映被测温度的高低。接触式测温的优点是简单、可靠、测量精度高；缺点是测温时有较大的滞后，对运动物体测温较困难，测温器易影响被测对象的温度场分布，测温上限受到测温器件材料性质的限制，故所测温度不能太高。温度传感器是把温度转换为电量的测温器。常用的温度传感器有：金属热电阻和半导体热敏电阻、热
单片机开发板
AD 转换
参考电压源
温度传感器
模拟信号调理
驱动电路
加热元件

4
电偶、PN 结型传感器和集成温度传感器、石英晶体温度传感器、涡流式温度传感器、电容式温度传感器等。采用集成温度传感器测量温度，具有省电、体积小、线性好、成本低等优点，而且能满足一般测温工作（－50℃~＋150℃）的需要，因此本设计使用集成温度传感器，型号为 LM35（电压输出型）。传感器使用说明见附件 1：《LM35 数据手册》。
4.3 模拟信号调理
1．调零与调满度半导体温度传感器有一个共同的特点，即其输出电压或电流与绝对温度成正比或线性关系。因为常用的温标为摄氏温度，而且为便于测量，希望在 0℃（传感器插入冰水中）时，测温电路输出显示为 0，在 100℃（传感器插入沸水中）时，测温电路输出显示为 100。因此，半导体测温电路中需要设计调零电路和调满度（也称调灵敏度）电路。 2．放大与电平平移模拟传感器输出的信号通常为非标准双极性或单极性小信号，为实现数据采集，需适应 A/D 转换器输入电平要求，因此要对模拟信号进行放大和电平平移。
4.4  模拟信号 A/D 转换
模拟信号需经 A/D 转换后，才能被采集到单片机中，完成后续的处理。 4.5 数码管显示 4 位数码管显示，电路设计参考硬件资料。
4.6 软件顶层流程图
1．软件顶层流程图软件的部分顶层流程图如图 42 所示。

开始
系统初始化
温度数据采集
按键检测处理
系统状态设置
温度数据显示

5
图 4.2  软件顶层流程图
2．软件组成框图主要包括主控程序、硬件接口程序、人机接口程序、处理算法程序、通用模块程序等，每个程序又由若干子程序或模块组成。软件的部分组成框图如图 5.3 所示。

图 4.3  软件组成框图
4.7  加热器应用技术
为实现温度的自动调节，实验装置需要设计一个加热器，并对其温度进行实时检测和闭环控制。实验项目采用单片机外接驱动电路控制大功率电阻，作为简易的加热装置。

4.8 设计资料
附件 1：LM35 数据手册附件 6：Proteus 入门教程附件 7：Multisim10 仿真软件简介与使用
主控程序
硬件接口程序 ADC初始化子程序
按键检测子程序
数码管显示子程序
LED 显示子程序
中断处理模块
PWM 控制子程序

…
人机接口程序按键处理子程序
系统显示子程序
温度刷新子程序

… 处理算法程序温度处理子程序
温度控制子程序
PID 计算子程序

…

…
系统软件

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附件 8：Keil uVision3 集成开发环境安装及使用介绍附件 9：课程设计报告案例附件 10：软件例程
4.9  Proteus 软件
Proteus 软件由英国 Labcenter Electronics 公司于 1989 年推出，是用于单片机系统设计的虚拟仿真工具，不仅能实现数字电路、模拟电路及数/模混合电路的设计和仿真，而且能为单片机应用系统提供方便的软、硬件设计和系统运行的虚拟仿真，这是 Proteus 最具特色的功能。 Proteus 软件将单片机（或微处理器）仿真与电路仿真相结合，可直接在基于电路原理图的虚拟原型上进行单片机程序的编写与调试，并进行功能验证。在仿真过程中，用户可以用鼠标单击开关、按键、电位器、可调电阻等动态外设模型，使单片机系统根据输入信号做出相应的响应，并将处理结果实时地显示在显示器件（如数码管、LED、LCD 等）上，并可驱动各种常用电机等虚拟输出外设，实时看到运行后的输入、输出效果。 Proteus 软件将单片机的程序嵌入到虚拟硬件中，整个过程与真实的软件、硬件调试过程相似，从而实现了单片机应用系统的软硬件联合仿真。 Proteus 软件的使用方法见附件 6：《Proteus 入门教程》。
4.10 Multisim 软件
Multisim 是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。Multisim 用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件” 、“软件即仪器” 。Multisim 的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库。Multisim 的虚拟测试仪器仪表种类齐全，并且具有较为详细的电路分析功能，可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工学、模拟电路、数字、电路、射频电路及微控制器和接口电路等。利用 Multisim 可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可方便地对电路参数进行测试和分析；可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高；设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。 Multisim 软件的使用方法见附件 7：《Multisim10 仿真软件简介与使用》。
4.11  Keil 编程软件
Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统，提供了包括 C 编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。采用 C 语言进行开发的优点： 1．Keil C51 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 2．与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用 C 来开发，体会更加深刻。Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全 Windows 界面。 Keil 软件的安装和使用方法见附件 8：《Keil uVision3 集成开发环境安装及使用介绍》。

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