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1、_燕 山 大 学本科毕业设计（论文）开题报告课题名称：温度传感与温度过程控制研究 学院（系）：里仁学院电气工程系 年级专业：07仪表2班 学生姓名：饶佳新 指导教师：程淑红 完成日期：2011.3.15 一、 综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 1.国内外研究动态温度控制器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度控制器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量日渐上升。温度控制器是一种温度控制装置，它根据用户所需温度与设定温度之差值来控制加热器运作，从而达到改变用户所需温度的目的。近百年来，温度控制器的发展大致经历了以下阶段： (1)模拟、集成机械式温度控制器； (2) 电子式
2、智能温度控制器。目前，国际上新型温度控制器正从模拟式向数字式、电子式由集成化向智能化、网络化的方向发展。现今基于单片机的温度控制系统在生产、安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用。近年来，国内基于单片机的温度控制系统在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增长，进入21世纪后，智能的温控系统正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟温控器和网络温控器、研制单片测温控温系统等高科技的方向迅速发展。 但是比起国外，我们仍处于起步晚，高度低，技术创新能力薄弱的状况，技术密集型产品明显落后于发达工业国家，自主研发产品少，缺乏核心技术是硬
3、伤。就单片而言，以欧美和日韩的技术最为成熟，他们几乎霸占了智能市场，并制定了相关的行业标准，在技术方面不断的革新使产品不断的更新换代，使之功能、精度、安全性等都不断得到新的提升。在这方面我们做的还远远不够，与发达国家的差距还很大。我们在研究新技术的同时还要加强产业结构的调整，在产品的科技含量上下功夫，不断地提高产品的科技附加值，使产品向着更加智能化、的方向发展，努力缩小同发达国家之间的差距。2.选题的依据和意义在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展与是否能掌握温度有着密切的联系，在冶金、化工、建
4、材、食品、石油等工业中，工艺过程所要求的温度的控制效果直接影响着产品的质量。在传统的温度控制系统中，对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同，产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同，因而对温度的控制方法多种多样。因此我们需要一个更加简单、高效、稳定、适用性好的控制系统。基于当前经济结构的转型和过程控制的智能化的要求，智能化的控制系统越来越受到人们的亲睐，它在节省人力和物力的同时又安全可靠。单片机作为可编程的控制器在小型的自动控制系统和检测中发挥出越来越来大的作用。温度作为系统经常
5、需要测量、保持、和控制的一个量，在化工、冶炼、电力，以至于日常生活中的空调机和电压力锅等，都需要对温度进行检测和控制。但生产过程中经常遇到的温度控制系统具有大的滞后性，单纯采用PID算法校正的温度控制系统具有高频扰动大、调整时间长、PID参数整定困难、有较大超调量等弊端。但以单片机为核心的温度控制系统，设计成一个简单实用的温度控制系统。该系统具有控制参数整定方便、控制精度高、稳定性好、结构简单、价格低廉等优点。克服了传统控制的系统复杂、精度小、成本大的缺点。适于普遍性生产和应用，对人们的生活和生产效力的提高有很大作用。本设计基于单片机系统的温度传感及温度过程控制研究，是对温度控制一个很好的学习
6、和提升自身的知识水平的机会，反过来运用自己的知识为温度控制的发展做点贡献，为人类工业生产提供更加智能、更加便捷的环境。二、 研究的基本内容，拟解决的主要问题 1 研究的基本内容主要有本文采用单片机来实现对温度的控制。它的主要组成部分有：AT89S51单片机、温度传感器、键盘与显示电路、温度控制电路。它可以实时的显示和设定温度，实现对温度的自动控制。首先温度传感器将温度信息变换为模拟电压信号后，将电压信号放大到单片机可以处理的范围内；然后经过低通滤波，滤掉干扰信号送入单片机；最后单片机将检测到的温度信息用十进制数码显示温度值并与设定值进行比较。如果不相符，数字调节程序根据给定值与测得值的差值按P
7、ID控制算法设计控制量，触发程序根据控制量控制执行单元将温度维持在所需温度。2 拟解决的主要问题（1）如何测量温度及温度传感器的选择。（2）如何将所得信号送入单片机。（3）如何实现将所得的温度送显。（4）如何实现将所测温度与设置温度对比并且智能调节温度。（5）智能温度控制的硬件电路设计。 三、 研究步骤、方法及措施 本设计的温度控制器可分为三大部分：温度检测部分、温度控制部分和显示部分。1.温度检测部分：温度检测是温控系统的最关键部分，它只接影响整个系统的测量、控制精度。例如热电偶温度传感器目前在工业生产和科学研究中已得到了广泛的应用，它是将温度信号转化成电动势。目前热电偶温度传感器已形成系列
8、化和标准化，主要优点是：它属于自发电型传感器，测量温度时可以不需要外加电源；结构简单，使用方便，热电偶的电极不受大小和形状的限制；测量温度范围广，高温热电偶测温高达1800以上，低温热电偶可测-260以下，目前主要用在高温测量工业生产现场中。热电阻温度传感器是利用电阻值随温度升高而增大这一特性来测量温度的，目前应用较为广泛的热材料是铜和铂。在铜电阻和铂电阻中，铂电阻性能最好，非常适合测量-200+960范围内的温度。国内统一设计的工业用铂电阻常用的分度号有Pt25、Pt100等，Pt100即表示该电阻的阻值在0时为100。随着半导体集成电路技术的迅速发展，各种类型的集成温度传感器应用越来越多。
9、集成温度传感器的工作原理是利用PN结的温度特性制成的，同热电偶、热电阻等传统的温度传感器相比，集成温度传感器主要特点有：灵敏度高；线性度好，一般不需要线性补偿；测量重复性好；响应速度快。但不足之处是测量温度较窄，通常为-55+150。根据本课题设计的要求，可选用集成温度传感器。由于温度传感器的直接输出信号一般都非常微弱，为了更好的测量和显示，需要放大器、滤波器等电路对信号进一步处理。对放大器的要求是精度要高，输入失调电压和输入失调电流要小，同时要求抑制共模干扰信号的能力要强。2. 温度控制部分：实现对温度控制的方法很多，有采用模拟电路实现的，也有采用计算机构成的智能控制。模拟控制温度的方法主要
10、有开关式控制法、比例式控制法和连续式控制法。开关式控制是将检测的温度信号和设定的温度值通过比较器比较后，驱动一开关器件（一般是继电器）控制加热器的通断。如当测量的温度低于设定的温度值时，驱动电路使继电器接通加热器的电源，使温度上升；当温度高于设定的温度时，驱动电路使继电器断开加热器的电源，停止对加热器的加热，温度将下降。这样继电器反复动作，温度将被控制在设定值附近。开关式温度控制方法的优点是电路简单，缺点是控制精度较低，并且在设定温度附近，频繁启动继电器，影响继电器的使用寿命。比例式控制是选择一个固定的时间T作为控制周期，选择控制周期的长短一般根据加热的热容量选取，热容量大的可选择控制周期长一
11、些，一般选择T=1015秒。当温度低于设定的温度较多时，在一个控制周期T内接通加热器电源的时间就比较长（假设为t），随着温度的升高，加热时间t逐渐减少；当温度高于设定的温度时，加热时间t等于零，温度逐渐下降，最后使温度接近稳定。该方法控制温度精度将大大提高。连续控制是根据测量温度的大小自动连续调节加热器电流的大小，当温度大于设定的温度时，可自动的控制减小加热器的电流，反之则增大电流，可使温度自动的保持在设定的温度上，该方法控制稳定的精度最高，电路也比较复杂，同时要求一个可控的功率器件实现对加热器电流大小的控制。3.显示部分：该部分主要是使用A/D转换器将模拟电压或电流转换成数字量。最后再通过数
12、码管等显示出来。实现A/D转换的方法很多，常用的有双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器和并行比较式A/D转换器等。四、研究工作进度 1.理解课题，消化课题，查阅有关资料；2.学习单片机温度控制系统相关知识，确定系统设计方案，并设计其硬件电路图；3.画出电路原理图，分析主要模块的功能及他们之间的数据传输和控制关系；4. 仿真调试，撰写论文。五、主要参考文献 1. 张淑清.单片机接口技术及其运用.国防工业出版社,2001年第1版 2. 唐文彦.传感器.机械工业出版社,2007年第4版3. 曹润生,周泽魁.过程控制仪表.浙江大学出版社,2008年第2版4. 郑毛祥.单片机应用基础.人民邮电出
13、版社,2006年第1版5. 阮友德.电气控制与PLC.人民邮电出版社,2009年第1版6. 朱定华.单片机原理及接口技术.电子工业出版社出版,2001第1版7. 康华光.模拟电子技术基础.高等教育出版社,2006年第5版8. 阎 石.数字电子技术基础.清华大学出版社,2006年第5版六、指导教师意见 指导教师签字： 年 月 日七、系级教学单位审核意见：审查结果： 通过 完善后通过 未通过 负责人签字： 年 月 日燕 山 大 学本科毕业设计（论文）文献综述 课题名称：温度传感与温度过程控制研究 学院（系）：里仁学院电气工程系 年级专业：07仪表2班 学生姓名：饶佳新 指导教师：程淑红 完成日期：
14、2011.3.15 一、国内外现状现今基于单片机的温度控制系统在生产、安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用。近年来，国内基于单片机的温度控制系统在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增长，进入21世纪后，智能的温控系统正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟温控器和网络温控器、研制单片测温控温系统等高科技的方向迅速发展。 但是比起国外，我们仍处于起步晚，高度低，技术创新能力薄弱的状况，技术密集型产品明显落后于发达工业国家，自主研发产品少，缺乏核心技术是硬伤。就单片而言，以欧美和日韩的技术最为成熟，他们几乎霸占了智能市场，并
15、制定了相关的行业标准，在技术方面不断的革新使产品不断的更新换代，使之功能、精度、安全性等都不断得到新的提升。在这方面我们做的还远远不够，与发达国家的差距还很大。我们在研究新技术的同时还要加强产业结构的调整，在产品的科技含量上下功夫，不断地提高产品的科技附加值，使产品向着更加智能化、的方向发展，努力缩小同发达国家之间的差距。二、研究主要成果 1.国外温度控制系统研究成果国外对温度控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温度控制技术
16、发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。2.国内温度控制系统研究成果我国对于温度控制技术的研究较晚，始于20世纪80年代。我国工程技术人员在吸收发达国家温度控制技术的基础上，才掌握了温度室内微机控制技术，该技术仅限于对温度的单项环境因子的控制。我国温度控制设施计算机应用，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。我国温度测量控制现状还远远没有达到工厂化的程度，生产实际中仍然有许多问题困扰着我们，存在着装备配套能力差，产业化
17、程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。三、发展趋势进入21世纪后，智能温度控制器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟温控器和网络温控器、研制单片测温控温系统等高科技的智能化、网络化的方向发展。1.提高温度控制器测温精度和分辨力：目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是912位A/D转换器，分辨力一般可达0.50.0625C。为了提高多通道智能温控器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。2.增加温度控制器测试功能：智能温度控制器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度控制系统创造了良好条件。智
18、能温度控制器都具有多种工作模式可供选择，主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式，有的还增加了低温极限扩展模式，操作非常简便。3.温度控制器总线技术的标准化与规范化：智能温度控制器的温度传感器的总线技术也将实现标准化、规范化，所采用的总线主要有单线(1-Wire)总线、I2C总线、SMBus总线和spI总线。采用的温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。4.温度控制器可靠性及安全性设计：新型智能温度控制器普遍采用了高性能转换器，智能温度控制器兼有抑制串模干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。5.单片测温控制系统：单片系统(System On Chip)是21世纪一项高新
19、科技产品。它是在芯片上集成一个系统或子系统，其集成度将高达108109元件/片，这将给IC产业及IC应用带来划时代的进步。目前，国际上一些著名的IC厂家已开始研制单片测温系统，相信在不久的将来即可面市。四、存在问题尽管如此，温度传感及过程控制的现状仍然不能满足实际需要，仍然存在一些问题：1.测温精度和分辨力还比较低,现今智能温控器大都采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低。2.可靠性及安全性有待提高,传统的A/D转换器大多采用积分式或逐次比较式转换技术，其噪声容限低，抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差。3.使用的温度控制器体积都比较大且功能单一，使用性和实用性一般，可以向高集成、多功能，性价
20、比高的方向发展。4.温度控制器的智能化、人性化和对工业环境的适应性还比较差，随着科技的进步这一点会很快解决。五、主要参考文献 1. 张淑清.单片机接口技术及其运用.国防工业出版社,2001年第1版 2. 唐文彦.传感器.机械工业出版社,2007年第4版3. 曹润生,周泽魁.过程控制仪表.浙江大学出版社,2008年第2版4. 郑毛祥.单片机应用基础.人民邮电出版社,2006年第1版5. 阮友德.电气控制与PLC.人民邮电出版社,2009年第1版6. 朱定华.单片机原理及接口技术.电子工业出版社出版,2001第1版7. 康华光.模拟电子技术基础.高等教育出版社.2006年第5版8. 阎 石.数字电子技术基础.清华大学出版社,2006年第5版 指导教师审阅签字： 年 月 日_