1.1 恒温技术的国内外现状恒温技术已成为当今全球性的战略技术。

以光电子和集成技术为基础所支持的恒温控制已成为高技术的核心，正在深刻影响着国民经济、国防建设的各个领域。

随着电子信息科学技术的进步，大规模集成电路技术的飞速发展，单片机技术也得到了迅速发展。

目前，单片机已发展到了第三代的高性能为控制器产品，由于单片机具有体积小、成本低、性能稳定等优点，其开发应用已在工业测控、机电一体化、智能仪表、家用电器、航空航天及办公自动化等各个领域中占有重要地位。

恒温的主要核心部分是PID控制，既要保持一定的控制精度，又要做到无超调、无欠调。

目前，恒温技术比较先进的国家有德国、日本和我国的台湾、其控制精度均可达到0.2o C。

目前，大陆的最高精度为0.3o C,一般为0.5o C。

1.2 温度数据采集与检测技术的发展历程最早的也是最简单的实现对温度的监测是采用人工的方式，这种方式不仅效率低，劳动时间长，而且会由于抽样的不具代表性使得监测结果失去其原有的意义。

该方式还有一个弊端就是其应用场所有很大的局限性，工作人员不可能直接测量地下电缆的表面温度；去提取存有炸药、鞭炮等危险品仓库温度数据的工作人员还要承担一定的风险。

后来随着电子技术的出现与进步，科研人员开始采用温度传感器代替原始的温度计，开发了以单片机为核心的监测系统，并作成接口芯片将结果显示在LED数码显示管上，单片机可直接控制打印监控数据。

这种方式在很大程度上提高了工作效率，并扩展了应用范围。

但其中所采用的温度传感器直接输出为模拟电压信号，该信号在传输过程中易损耗，影响系统精度，且传输距离较近，需要经过A/D转换芯片才能被单片机接收。

每个测试点都需要各自独立的信号线，为了实现多点监测不仅需要成百上千条信号线，还需要多路模拟转换开关电路轮流对多个测试点进行连续监测，从而增加了整个系统的环节，使其难于维护，价格昂贵。

近年来，伴随着微处理器芯片和网络通信技术的发展，为了简化系统设计并降低成本，各公司及科研机构致力于相关领域的探索，使得温度数据监测数字化、网络化的实现成为可能。

其中美国达拉斯半导体公司推出了1-wire(单总线)接口协议，单总线技术与其他总线技术不同，他采用单根信号线，既可以传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因此单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。

该公司所提供的适用于单总线微网技术的单总线器件具有无需另附电源，在测试点直接将模拟信号数字化等特点，一方面减少了系统环节，另一方面保证了系统的精度。

同时各软件公司开发的可视化软件开发工具，更是向着效率高、功能强大的方向努力，从而为获得良好的用户界面奠定了基础。

1.3 选题的目的和意义在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要参数。

例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、机械制造和食品加工等许多领域中，人们对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。

采用单片机对其进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。

现代工业现场，随着科技的进步和自动化水平的提高，电缆的用量越来越大，电缆的安全保护已成为不可忽视的问题。

从国内外有关电缆火灾的统计资料看，许多电缆火灾是由电缆头击穿绝缘引起的。

因此为电缆配置在线温度监测系统，对于电缆接头多，电缆密集的场所，就显得尤为重要。

粮食是人类生存的必需品，温度是保存好粮食的先决条件，我国的公粮现均集中存放在国家或地方的仓库中，最大粮库方圆几公里，仓库库房数为数十个，监测点可达到数千个。

按照国家粮食保护法则，必须定期抽样检测各点的粮食温度，以确保粮食的存储质量。

档案馆中的档案资料同样会受到外界空气温湿度变化的影响，纸张纤维热胀冷缩，使强度降低，湿度过大会使霉菌和害虫滋长，以致造成资料变质。

由此可见，温度检测在人们现实生活中应用已逐渐广泛，在发电厂、纺织、食品、医药、仓库、农业大棚等众多的应用场所，对温度参量的要求都非常严格，因此能否有效对这些领域的温度数据进行实时监测和控制是一个必须解决的重要前提。

第2章恒温控制2.1 方案比较2.1.1 基于PLC的恒温控制PLC是可编程逻辑控制器的英文缩写，它是综合了计算机技术、自动化技术与继电器逻辑控制概念而开发的一代新型工业控制器，是专门为工业环境应用而设计的。

它可以取代传统的继电器完成开关量的控制。

比如，将行程开关、按钮开关、无触点开关或敏感元器件作为输入信号、输出信号可控制电动阀门、开关、电磁阀门和步进电机等执行机构。

它采用可编程的存储器，在其内部存储，执行逻辑运算，顺序控制、定时计数和算术运算等操作的指令，通过数字式、模拟式的输入和输出控制各种类型的机械，实现生产过程的自动化。

2.1.2 基于单片机的恒温控制单片机也叫做嵌入式微控制器，是指在一块芯片上集成了微处理器(CPU)、存储器、并行输入/输出接口、定时器/计数器和中断控制器等部件。

新型的单片机功能越来越多、速度越来越快。

如内部集成了A/D转换器、脉宽调制器、CAN总线、倍频及低功耗设计等电路。

目前，单片机的品种繁多，由于MCS-51单片机具有结构体系完整、指令系统功能完善和内部寄存器的规范化等特色。

另外与其配套的各类开发系统和各类软件系统也比较完善，因此在中国的单片机市场上一直是主流芯片。

单片机具有体积小、重量轻、价格低和可靠性好等许多优点。

经常用在家用电器、智能仪器仪表中。

在工业控制领域可以很方便的实现多级和分布式控制。

目前，计算机系统的发展已经明显的朝巨型化、单片化、网络化等方向发展。

巨型机可用以解决复杂系统计算和高速数据处理。

单片机的最明显优势，就是可以嵌入到各种仪器、设备中。

这一点是巨型机和网络不可能做到的。

随着单片机需求的发展，各个生产厂家都在不断的改善单片机的功能，主要表现在内部机构上，增加了各种新的功能，提高了运算速度，降低了功耗，提高了存储能力，增加了Internet 连接的能力，并在电源电压方面、工艺方面及抗干扰能力方面有了较大的进步和发展。

2.1.3 PID控制在控制系统中，为了对受控对象完成良好的输出调节，会采用一些比例调节器或者微、积分调节器，但是调节品质和效果并不能令人完全满意，为了进一步改善调节品质，在比例调节器、比例积分调节器(PI)的基础上，逐渐形成比例、积分、微分3种调节作用组合起来，形成PID调节器。

其特点是集比例、积分、微分调节器优点于一身，具有良好的动态、静态特性。

PID控制方法是经典控制算法中的典型代表。

在实际的过程控制和运动控制中，PID 家族占有相当的地位。

据统计，工业控制策略是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单，鲁棒性好和可靠性高，所以适用面很广，使用也很方便简单。

为计算机技术和智能控制提供了新的途径。

2.1.4 模糊控制模糊控制是指模糊理论在控制技术上的应用。

模糊控制器由模糊化、模糊推理和去模糊化三部分组成，他们都是建立在知识库基础之上。

因此模糊控制器是采用数字计算机来实现的，所以它应该具备下列三个重要功能：1.系统的偏差以及偏差变化从数字量转换为在该语言变量相应领域内不同语言值的模糊子集(该功能由模糊化过程和数据库两个模块完成)。

2.对取得的模糊子集按照给定的推理规则进行模糊推理(该功能由模糊推理规则库和推理决策两个模块完成)。

3.把推理得的模糊输出量转化为实际系统能够接受并利用的精确数字量或模拟量(该功能由精确化计算模块完成)。

因此，模糊逻辑控制器的设计问题就是模糊化过程、知识库(含数据库和规则库)、推理决策和精确化计算器各部分的设计问题。

2.2 论证结论以上叙述的两种控制方法各具优点，但从此次设计的角度出发，PID控制更容易、更贴近、符合实际情况。

最优控制理论可以证明，PID控制能满足相当多工业对象的控制要求，系统利用PID控制技术进行多路温控点的温度控制，系统的温控有全功率加热升温、自然冷却降温PID算法控制温度。

以上所述两种控制器件，都具有较强的抗扰能力、较好的发展前景、较广阔的使用空间、都是现代自动控制系统经常用到的元器件，但仅从此次设计出发，PLC主要运用于重型、大型工业的自动控制中，其市场价格与单片机相比要贵很多，本次设计要求既经济又可以完满的完成设计任务、达到设计要求。

故此本次设计选择单片机。

第3章程控恒温加热器设计3.1 元器件选择本次设计系统共有传感器模块、单片机模块、驱动部分、键盘模块、显示模块、温度调节电路、被控对象七部分组成，现对以上各部分作以下说明。

3.1.1 传感器模块现代传感器在原理和结构上千差万别，如何根据具体的测控目的、控制对象以及测控环境合理地选择传感器，是单片机测控系统首先要解决的问题。

测控结果的成败、测控系统的控制精度在很大程度上取决于传感器的选择是否合理。

作为单片机测控系统前向通道的关键部件在选择传感器时应考虑以下几个方面：1.根据测控对象与测控环境确定传感器的类型2.灵敏度3.频率响应特性4.线性范围5.精度的选择6.稳定度综上所述，不同的传感器具有不同的运用场合。

由于在温度测控系统中，传感器是前向通道的关键部件，因此选择适合的传感器是非常重要的。

选择关键要考虑温度范围、温度精度、测温场合、价格等方面因素。

根据本次设计任务要求，选择K型接触式镍铬/镍铝热电偶传感器，温度范围0～+1600o C测量精度为±1o C，在当今市场上即可买到。

3.1.2 变送器变送器的类型选择和被控温度及精度等级有关。

变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：毫伏变送器用于把热电偶输出的0～41.32mV变成0～10mA范围内的电流，电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的0～10mA电流变成0～5V 范围内的电压。

根据本次设计要求变送器选用AD693。

3.1.3 单片机现在市场上所出售的单片机种类多、价格各不相同，所以针对本次设计要求单片机作为主控部件选择为89C51或89C52，单片机现在更新很快，若以上两款出现问题可用89S51或89S52代替。

3.1.4 显示部分1.数码管数码管最大的优点是价格比较便宜。

但是焊制较繁琐，而且存在一定的不稳定性，例如在现场工作时易损坏，受外界干扰影响较大。

工作环境不理想其稳定性亦不理想。

2.液晶液晶分为带汉字库和不带汉字库。

不带汉字库可以用于显示阿拉伯数字、图型、字母等。

液晶的优点是外界连接简单、适用任何场合、且在实际工作场合很少受实际环境影响、工作稳定、耐用、较稳定、不易损坏等优点，但是市场价格较高。

MS12864A-1带汉字库图形点阵液晶显示模块具有与外界连接简单、适用任何场合、且在实际工作场合很少受实际环境影响、工作稳定、耐用、不易损坏等优点。