分享一個(gè)溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)

ID:513347 · 發(fā)表于 2019-4-16 10:00

一、設(shè)計(jì)目的
（1）了解和掌握電子設(shè)計(jì)的方法和步驟，能夠綜合所學(xué)的理論知識(shí)提出設(shè)計(jì)方案并加以論證，通過(guò) 對(duì)設(shè)計(jì)方案的分析比較，單元電路的設(shè)計(jì)、元件選擇，掌握系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)方法。（2）能夠根據(jù)需要選擇參考書(shū)，查閱手冊(cè)、圖表和文獻(xiàn)資料，通過(guò)獨(dú)立思考、深入鉆研有關(guān)問(wèn)題，培養(yǎng)獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。（3）掌握傳感器檢測(cè)、模擬信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集等技術(shù)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法。（4）掌握單片機(jī)系統(tǒng)的軟硬件工作原理及設(shè)計(jì)、調(diào)試方法，通過(guò)應(yīng)用實(shí)例掌握單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體流程。（5）學(xué)習(xí)使用電子設(shè)計(jì)、仿真軟件進(jìn)行電路輔助設(shè)計(jì)，能正確繪制電路圖。（6）學(xué)習(xí)電路的實(shí)驗(yàn)調(diào)試和測(cè)試方法，提高實(shí)踐能力。
二、設(shè)計(jì)任務(wù)要求
2.1  設(shè)計(jì)任務(wù)
1、基本要求（1）功能要求 ① 采用模擬溫度傳感器設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)電路，并完成模擬信號(hào)調(diào)理； ② 采用 Protues 軟件進(jìn)行模擬電路仿真； ③ 采用 51 單片機(jī)（內(nèi)置 ADC）采集溫度信號(hào)，再通過(guò)數(shù)碼管顯示溫度數(shù)值。（2）技術(shù)指標(biāo) ① 溫度測(cè)試范圍：0℃~110℃ ② 溫度測(cè)試精度：±2℃ ③ 溫度測(cè)試分辨率：0.2℃ ④ 溫度顯示方式：4 位數(shù)碼管顯示，第 1 位數(shù)碼管顯示符號(hào)（零下溫度顯示“—”號(hào)，零上及低于 100℃不顯示）第 2 位數(shù)碼管顯示溫度的十位數(shù)值，第 3 位數(shù)碼管顯示溫度的個(gè)位數(shù)值及小數(shù)點(diǎn)，第 4 位數(shù)碼管顯示溫度測(cè)量值的小數(shù)點(diǎn)后第一位數(shù)值。 2、  提高要求（1）功能要求 ① 實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制功能，具有溫度檢測(cè)和溫度控制兩種工作狀態(tài)，并可手動(dòng)切換工作狀態(tài)； ②對(duì)象溫度控制：可通過(guò)單片機(jī)控制加熱器進(jìn)行溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)，并可設(shè)置和顯示溫度恒定數(shù)值，控制對(duì)象為大功率電阻；（2）技術(shù)指標(biāo) ① 溫度控制數(shù)值可在 40℃~70℃之間設(shè)置 ② 溫度控制精度：±1℃ ③ 研究合適的溫度控制算法。
2.2  設(shè)計(jì)要求
1．根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)幾種實(shí)現(xiàn)方案，經(jīng)比較從中優(yōu)選確定一種實(shí)現(xiàn)方案。 2．說(shuō)明所選電路的組成及工作原理，并繪出原理框圖。 3．設(shè)計(jì)各單元電路，計(jì)算元器件參數(shù)并選擇元器件類(lèi)別型號(hào)。

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4．畫(huà)出實(shí)際電路圖，并用 Protues 軟件進(jìn)行電路仿真。 5．列出元器件清單。 6．組裝并調(diào)試方案電路，記錄調(diào)試步驟及結(jié)果。 7．設(shè)計(jì)單片機(jī)程序，完成數(shù)據(jù)采集、處理和顯示。 8．對(duì)電路功能及技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。
2.3  限定條件
1．模擬電路電源：+5V 2．單片機(jī)開(kāi)發(fā)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(yùn)放：LM324 或 LM358 任選其一（3）單片機(jī)模塊：  6．除單片機(jī)模塊外，其它電路在一塊萬(wàn)用板上焊接好并調(diào)試正常，通過(guò)杜邦頭跳線與單片機(jī)模塊連接。傳感器通過(guò)杜邦頭跳線與電路板連接，集成電路使用插座實(shí)現(xiàn)引腳連接。
三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器
1．單片機(jī)開(kāi)發(fā)板，集成溫度傳感器，運(yùn)放等元器件。 2．PC 機(jī)，信號(hào)源，萬(wàn)用表，示波器，穩(wěn)壓電源，模擬電路實(shí)驗(yàn)箱。
四、設(shè)計(jì)思路
4.1  系統(tǒng)框圖
根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求可確定系統(tǒng)的初步方案，如圖 5.1 所示。

圖 4.1  系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)圖
4.2  溫度測(cè)量與溫度傳感器
溫度測(cè)量方法可分為接觸式和非接觸式兩類(lèi)，接觸式的測(cè)溫方法是基于物體的熱交換現(xiàn)象。選定某一測(cè)溫器，與被測(cè)物體相接觸，進(jìn)行充分的熱交換，待兩者溫度一致時(shí)，測(cè)溫器輸出的大小即反映被測(cè)溫度的高低。接觸式測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠、測(cè)量精度高；缺點(diǎn)是測(cè)溫時(shí)有較大的滯后，對(duì)運(yùn)動(dòng)物體測(cè)溫較困難，測(cè)溫器易影響被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)分布，測(cè)溫上限受到測(cè)溫器件材料性質(zhì)的限制，故所測(cè)溫度不能太高。溫度傳感器是把溫度轉(zhuǎn)換為電量的測(cè)溫器。常用的溫度傳感器有：金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻、熱
單片機(jī) 開(kāi)發(fā)板
AD 轉(zhuǎn)換
參考電壓源
溫度傳感器
模擬信號(hào) 調(diào)理
驅(qū)動(dòng) 電路
加熱元件

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電偶、PN 結(jié)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(cè)量溫度，具有省電、體積小、線性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且能滿足一般測(cè)溫工作（－50℃~＋150℃）的需要，因此本設(shè)計(jì)使用集成溫度傳感器，型號(hào)為 LM35（電壓輸出型）。傳感器使用說(shuō)明見(jiàn)附件 1：《LM35 數(shù)據(jù)手冊(cè)》。
4.3 模擬信號(hào)調(diào)理
1．調(diào)零與調(diào)滿度半導(dǎo)體溫度傳感器有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即其輸出電壓或電流與絕對(duì)溫度成正比或線性關(guān)系。因?yàn)槌Ｓ?的溫標(biāo)為攝氏溫度，而且為便于測(cè)量，希望在 0℃（傳感器插入冰水中）時(shí)，測(cè)溫電路輸出顯示為 0，在 100℃（傳感器插入沸水中）時(shí)，測(cè)溫電路輸出顯示為 100。因此，半導(dǎo)體測(cè)溫電路中需要設(shè)計(jì)調(diào)零電路和調(diào)滿度（也稱調(diào)靈敏度）電路。 2．放大與電平平移模擬傳感器輸出的信號(hào)通常為非標(biāo)準(zhǔn)雙極性或單極性小信號(hào)，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，需適應(yīng) A/D 轉(zhuǎn)換器輸入電平要求，因此要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大和電平平移。
4.4  模擬信號(hào) A/D 轉(zhuǎn)換
模擬信號(hào)需經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后，才能被采集到單片機(jī)中，完成后續(xù)的處理。 4.5 數(shù)碼管顯示 4 位數(shù)碼管顯示，電路設(shè)計(jì)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(kāi)始
系統(tǒng)初始化
溫度數(shù)據(jù)采集
按鍵檢測(cè)處理
系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)置
溫度數(shù)據(jù)顯示

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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(jī)接口程序、處理算法程序、通用模塊程序等，每個(gè)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(yīng)用技術(shù)
為實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)裝置需要設(shè)計(jì)一個(gè)加熱器，并對(duì)其溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和閉環(huán)控制。實(shí)驗(yàn)項(xiàng) 目采用單片機(jī)外接驅(qū)動(dòng)電路控制大功率電阻，作為簡(jiǎn)易的加熱裝置。

4.8 設(shè)計(jì)資料
附件 1：LM35 數(shù)據(jù)手冊(cè) 附件 6：Proteus 入門(mén)教程附件 7：Multisim10 仿真軟件簡(jiǎn)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(cè)子程序
數(shù)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(jī)接口程序按鍵處理子程序
系統(tǒng)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(jì)算子程序

…

…
系統(tǒng)軟件

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附件 8：Keil uVision3 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境安裝及使用介紹附件 9：課程設(shè)計(jì)報(bào)告案例附件 10：軟件例程
4.9  Proteus 軟件
Proteus 軟件由英國(guó) Labcenter Electronics 公司于 1989 年推出，是用于單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的虛擬仿真工具，不僅能實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路及數(shù)/模混合電路的設(shè)計(jì)和仿真，而且能為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)提供方便的軟、硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)運(yùn)行的虛擬仿真，這是 Proteus 最具特色的功能。 Proteus 軟件將單片機(jī)（或微處理器）仿真與電路仿真相結(jié)合，可直接在基于電路原理圖的虛擬原型上進(jìn)行單片機(jī)程序的編寫(xiě)與調(diào)試，并進(jìn)行功能驗(yàn)證。在仿真過(guò)程中，用戶可以用鼠標(biāo)單擊開(kāi)關(guān)、按鍵、電位器、可調(diào)電阻等動(dòng)態(tài)外設(shè)模型，使單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)輸入信號(hào)做出相應(yīng)的響應(yīng)，并將處理結(jié)果實(shí)時(shí)地顯示在顯示器件（如數(shù)碼管、LED、LCD 等）上，并可驅(qū)動(dòng)各種常用電機(jī)等虛擬輸出外設(shè)，實(shí)時(shí)看到運(yùn)行后的輸入、輸出效果。 Proteus 軟件將單片機(jī)的程序嵌入到虛擬硬件中，整個(gè)過(guò)程與真實(shí)的軟件、硬件調(diào)試過(guò)程相似，從而實(shí) 現(xiàn)了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)合仿真。 Proteus 軟件的使用方法見(jiàn)附件 6：《Proteus 入門(mén)教程》。
4.10 Multisim 軟件
Multisim 是一個(gè)原理電路設(shè)計(jì)、電路功能測(cè)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(shí)現(xiàn)了“軟件即元器件” 、“軟件即儀器” 。Multisim 的元器件庫(kù) 提供數(shù)千種電路元器件供實(shí)驗(yàn)選用，同時(shí)也可以新建或擴(kuò)充已有的元器件庫(kù)。Multisim 的虛擬測(cè)試儀器儀表種類(lèi)齊全，并且具有較為詳細(xì)的電路分析功能，可以設(shè)計(jì)、測(cè)試和演示各種電子電路，包括電工學(xué)、模擬電路、數(shù)字、電路、射頻電路及微控制器和接口電路等。利用 Multisim 可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與虛擬實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)的電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)方法相比，具有如下特點(diǎn)：設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)可以同步進(jìn)行，可以邊設(shè)計(jì)邊實(shí)驗(yàn)，修改調(diào)試方便；設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)用的元器件及測(cè)試儀器儀表齊全，可以完成各種類(lèi)型的電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)；可方便地對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和分析；可直接打印輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、測(cè)試參數(shù)、曲線和電路原理圖；實(shí)驗(yàn)中不消耗實(shí)際的元器件，實(shí)驗(yàn)所需元器件的種類(lèi)和數(shù)量不受限制，實(shí)驗(yàn)成本低，實(shí)驗(yàn)速度快，效率高；設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)成功的電路可以直接在產(chǎn)品中使用。 Multisim 軟件的使用方法見(jiàn)附件 7：《Multisim10 仿真軟件簡(jiǎn)介與使用》。
4.11  Keil 編程軟件
Keil C51 是美國(guó) Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C 語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā) 環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。采用 C 語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)的優(yōu)點(diǎn)： 1．Keil C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。 2．與匯編相比，C 語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。用過(guò)匯編語(yǔ)言后再使用 C 來(lái)開(kāi)發(fā)，體會(huì)更加深刻。Keil C51 軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào) 試工具，全 Windows 界面。 Keil 軟件的安裝和使用方法見(jiàn)附件 8：《Keil uVision3 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境安裝及使用介紹》。

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