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基于NB-lot的远程智能温度控制系统研究

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一、立题依据（包括研究目的、意义、国内外研究现状和发展趋势，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录）（不少于800字）

1.1选题目的、意义

随着时代的发展，我们对生活品质的要求越来越高，温度对我们的生活和产业发展的影响也越显得重要了。在各个方面我们都对温度这个因素重视了起来，特别是工业控制和国家支柱产业对此更加应该重视起来。正是因为温度控制和检测的重要性，它经常被用在火灾、工业厂房、粮仓等重要领域，使得相应的温度监测、控制的仪器和设备应运而生，这样就促使了大批的温度检测和温度控制系统的产生。通过使用温度传感器，让我们能够及时的掌握温度的变化，能够对由温度的升高和降低产生的不良影响得到及时的控制，从而更好地服务于社会。

当我们温度控制有了广阔的市场，从而带动了温度控制方面的技术发展，带动了与温度控制相关的电子类产品的发展。由于现在NB-lot控制技术越来越成熟，在工业控制和电子类产品运用的越广泛，以NB-lot为核心的控制系统也越发成熟，它解决了传统控制系统的控制和处理速度的缓慢、精度不高等缺点。从而在很大程度上，提高了控制精度、运算处理速度，也得到了较好的市场反

应。

1.2国内外研究现状和发展以

1.2.1国外研究现状

相对于国内而言，国外的温度控制系统显现出来的是，控制精度高、控制设备健全、工业控制环境先进。他们把PC机用于温度控制系统中去，这样的研究早在上世纪70年代就开始了，东京大学的代表首先研制出了微型的结合PC机的环境温度控制系统。随着信息时代得到了快速的提升，使得这项技术得到了较大的发展。然而我国对于环境温度控制研究的比较晚，在20世纪70年代末才开始运用于农业的发展，运用在工业和公共管理行业到了80年代初才得以发展。

从上述可发现国外对于温度控制系统研究的较早，他们刚开始采用的运用模拟量的采集仪器，在工业控制中进行采集、记录、操控。到了80年代，他们研制出了分布进行的温度采集仪器。到了90年代的中期，智能的温度采集仪器诞生了，这个仪器是工业控制、机械加工、电力电子行业共同发展的结果。在这之后，智能的温度控制产品应运而生了。智能的温度控制产品包含了温度传感器、信号发生器、驱动电路、独立按键电路和各种接口电路。之后更加高端的产品陆续研发了出来，产品包含了中央处理单元，数据存储器和程序存储器。紧跟时代的步伐，各国的温度检测技术都在大力发展，在一定程度上，朝着智能化、集成化、规模化的方向进行突破。

1.2.2国内研究现状及发展趋势

相对于国外，我国对于环境温度控制研究的比较晚，在20世纪70年代末才开始运用于农业的发展，运用在工业和公共管理行业到了80年代初才得以发展。继国外在温度控制和测量的发展基础上，我国研究技术人员逐渐掌握了微型的环境温度控制系统，但只能对单个的环境因素进行控制。国内的温度控制和测量技术结合计算机的发展，正在从简单到复杂化、从单一因素到多因子控制、从简单控制到实用型技术的控制的方向发展。用于控制方面的技术，国内大多采用单片机来作为主要控制模块，相较于国外先进水平，我们还存在很多的不足，在生产技术上还有一定的差距。国内的温度控制和检测技术还远远没有达到工业控制的真正水平，在工业控制中，我们存在着，控制设备欠缺、工业控制环境落后、系统硬件和软件资源单一等不足的地方。

近年来我国温度智能控制系统的发展趋势主要是针对我国的国情和温度控制的改造提出一种适合我国本土的基于A的智能温度控制系统模型，逐步向着自动测试、智能化控制等方面发展。国内的温度控制系统，逐步走向智能化和网络化。

结合国内的温度控制系统的研究的方向，温度控制采用A控制模块和高性能的温度传感器，从而能更好地实现对温度的控制和测量。整体上看，我国的温度控制和检测相对于国外来说还有一定的差距，设备上还有一些不足，环境控制上落后，这些都是我们有待改善的地方。

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二、研究内容和目标（说明课题的具体研究内容，研究目标和效果，以及拟解决的关键科学问题。此部分为重点阐述内容）（不少于2500字）

一、课题具体研究内容

温度控制已经成为了21世纪热门研究。无论是从生产还是生活，温度都与我们人类都是息息相关的。而智能化的温度控制系统的发展方向已成为一种必然趋势。我们思维方式不可能一直原地不动，不能再坚守旧时代利用大量人力资源来控制温度和湿度的变化。这样不但浪费大量的人力财力资源，而且控制系统功能也比较单一化，适用场合也有很大的局限性。而使用自动的智能控制的方式，既节省了人力财力，更加体现出了与时俱进的辩证思想，世界在进步，而这种进步就该体现在生活中的各个细节方面。传统的温度测量方法周期长，效率低，管理很不方便，发生故障时，更要花费大量人力物力来查找。尤其是用于温室采样数据频繁情况条件下，采用无线传输系统更显现出他的优越性。该系统可对温度实现现场和远程智能化在线检测和预警。该系统在测温精度上达到了一定的水平。而在温度采集速度上，由于使用了独立的温度补偿电路，有效地提高了温度测量的灵敏度和系统稳定性。另外，由于使用存储芯片，可以保存实时数据，提高系统的可靠性，是一种价格低廉方便实用的系统，可在生产上推广应用。

为了实现这种对环境状况监测，于是设计一种基于Arduino的环境状况监测系统。该系统以Arduino UNO为研究重点、编写出Arduino UNO程序、实现将传感器数据上传到监测平台。以及用计算机作为客服端查看连接到Arduino UNO上的传感器数值。实验表明、这种设计能够以经济、高效的方式实现无线数据采集、可用于境状况的快速监测。

各章节的主要内容如下：

第一章:绪论。介绍本文的研究背景以及本文的工作。

第二章:控制系统的总体设计。讲解温度控制系统需要遵循的总体设计原则、控制系统用到的核心元件和对于系统的总体结构给出结构框图和详细说明。

第三章:控制系统的硬件设计。对于温度控制系统硬件的组成及原理进行讲解，系统的外围电路各个模块的说明，给出升温和降温电路的方案。

第四章:控制系统的软件设计。介绍软件设计应遵循的原则，详细阐述温度子程序、数据采集模块、步进电机的驱动控制程序，并给出部分的源代码。

第五章:控制系统的调试。将ARM主芯片与步进电机联系起来，通过ADS1.2编程、J-link仿真，得到最后的实验结果。

总结和展望:对本次的设计做总结，针对实验过程中遇到的问题和试验结果给出改进意见。

二、研究目标和效果

（一）课题研究目标

在充分调研国内外的基于NB-lot的智能温度控制系统设计，结合国内对于温度控制系统的要求，利用人工智能和快速处理的能力，采用主从结合、多级控制的体系结构，研制本套基于NB-lot的智能温度控制系统。

在传统监测的基础上，实现基于Arduino的无线温度监测系统。对于温度测量来说，一个最重要的环节就是对环境温度进行补偿，对数据进行误差分析。另外该系统属于无线通信系统，因此也需要对数据传输的可靠性进行验证。主要研究内容包括以下几方面：

（1）选用温度传感器时，应重点考虑测量精度高，抗干扰能力强，稳定性、信号易于处理、传送，便于多路测量，安装方便，维护简单，环境温度补偿容易的器件。

（2）在硬件设计时，结构要尽量简单实用、易于实现，应尽量使用各种总线技术，以节约系统有限的I/O资源，并使系统电路尽量简单。同时在硬件电路和软件程序设计时，一定要增加抗干扰措施，提高系统的抗干扰能力，保证系统的稳定性。

（3）软件设计必须要有完善的思路，要充分考虑到各传感器和无线收发器的时序，做到程序简单，调试方便，尽量降低无线数传的误码率。

（4）环境温度和各种随机噪声都会对温度数据的测量产生影响，因此需要对环境温度进行补偿和误差修正。

（二）课题研究效果

设计一款基于NB-lot的智能温度控制系统。用来进行温度的检测，通过温度传感器把温度信号传给ARM芯片，然后经过温度调节，当温度超过设定值，通过对步进电机的控制改变占空比来降低温度;当温度低于设定值，通过控制可控硅的通断来调节加热功率，从而使温度升高。运用ARM作为主控制模块，对温度进行比较过后，超过设定值，警报器发出报警，从而启动升温和降温电路，达到对温度的合理控制。

在自动化控制系统中，用于监控的数据采集参数很多，温度数据采集是其中最常见的一种。传统温度测量方法只适合于采集变化范围较小的情况，对于多点大范围变化的温度数据采集来说，采用传统温度采集方法，远距离传输会引起较大的误差。为解决这个问题，本文设计出一种基于无线传输技术的多路温度数据采集系统和控制系统，通过无线发送接收模块将采集到的温度数据传输到指定位置进行存储、显示和打印。整个系统采用分时扫描区域内的传感器的控制思想，实现数据的监测。

在传感器的选择上，采用数字式温度传感器DTH11。应用传感技术、无线收发技术及计算机技术，实现多点温度数据的采集和无线传输。该温度测量系统电路简单，性能稳定，抗干扰能力强，可靠性高，搭建方便，易于扩展，经过软件进行非线性及温度补偿后，测温、测湿精度可进一步提高，特别适合于恒温的车间使用和一些低温连续多点监测的场合，是一种行之有效的无线温度采集的方法，其可移植性好，实用性强。

三、拟解决的关键科学问题

随着互联网，移动互联网，乃至物联网的发展，推动整个工业界对环境的监测发展，为了保证工厂生产的顺利进行，首要问题是必须加强工厂车间内部的温度监测，传统的方式是通过干湿度表，毛发湿度计，温度试纸和温度计等测试器材，通过人工去进行监测，对于不符合温度要求的车间进行通风，去湿度等措施，这种人工方法不仅费时费力而且效率低下，并且得到的数据往往误差大。随着电气技术，微电子技术的飞速发展，工厂的监测，车间控制与管理的自动化已经迫在眉睫，尤其是近年来车间生产的空间不断扩大，传统的方式已经远远不能满足生产的实际需要，建立一种管理科学，操作简便，运行可靠的高效率的控制系统是必需的。在产品竞争日趋激烈化的当下，产品生产的环境决定了产品的质量以及后续产品的市场，对生产环境的监测凸显了更加重要的地位。目前国内一些基于物联网技术的温度采集虽然可以测量多个参数，但是大多数设计复杂，价格昂贵，难以获得广泛的应用。本系统主要监测工厂车间的温度参数，实时显示各个车间的环境情况，通过控制器分析处理，实现现场控制，达到恒温，恒湿的状态。从而提高工厂车间的科学管理化，控制自动化水平。如果使用一般有线的控制布线，则施工劳动强度大，投资大。本次拟改用科技创新的观点，拟采用基于无线传输的设计思路，通过Arduino 硬件处理，软件算法完成上述所需要的功能。

该论文用到的是NB-lot系列的，TX-2440A为主控制芯片的基于NB-lot的智能温度控制系统，从而能够对步进电机进行准确的驱动和较好的控制。在温度的自动化控制和智能信息处理方面进行有意义的探索和研究，改善以往控制系统体系结构的不合理，缺乏智能控制和处理信息速度快等缺点，特别提出基于NB-lot的智能温度控制，结合NB-lot处理能力快、外围接口丰富的优点，达到智能控制系统的要求，同时满足用户的需求.

三、研究方案设计及可行性分析（包括：研究方法，技术路线，理论分析、计算、实验方法和步骤及其可行性等）（不少于800字）

一、研究方法

系统采用三星公司生产的ARM9内核的TX-2440A，用DS18B20来采集温度信号，通过LCD来实时显示。如果超过给定温度，控制模块传递控制信息给步进电机，通过改变脉宽调制的占空比，来调节温度，最终使温度降低;如果控制模块计算处理得到温度低于设定值，则通过控制可控硅的中断，从而改变加热器的电压周波数，改变加热功率，来达到升高温度的效果。

二、技术路线

本监测系统采用近几年来成熟的各种温度传感技术、无线通信技术、数据处理控制技术和功能化模块来构造基本的系统功能。总的设计思路是：从车间入手，根据车间布局，选择合适的传感器、温度测量模块、通讯端口、电缆、上位机等，根据车间的规格，确定检测点设置几层、每层多少个检测点等，以决定选取电缆的长度、每根电缆上传感器的个数，通讯端口、温度检测模块需要的数量，上位机的规格等，实现一个车间温度的自动检测。因此，系统的总体结构可以构想为温度采集模块、短距离无线通信模块、系统控制及数据处理模块等几大部分。系统方案在温度数据采集部分主要有三种构想：一是温度传感器选用传统的模拟式器件，二是选用集成式器件，三是选用数字式传感器；在无线通信部分主要有三种构想：一是采用蓝牙技术，二是采用红外线技术，三是选用无线数传模块（NRF）：在系统控制和数据处理部分也有两种构想：一是采用Arduino平台作为控制系统，二是采用DSP进行处理。

三、理论分析、计算、实验方法和步骤及其可行性

1、温度传感器的检测原理。通过对温度的检测，给ARM主芯片发送信息，主芯片经过处理后，发出控制信息，来达到对步进电机的驱动，从而来有效的控制温度的降低;当温度低于设定值，通过控制可控硅的通断来调节加热功率，从而使温度升高，同时给出了温度降低时脉宽调制电路。

2、控制电路的硬件设计。主要包括ARM内核的TX-2440A主芯片，温度传感器、步进电机等硬件组成部分。

3、温度显示的子程序和步进电机驱动的软件编程，L298N驱动电路的引脚说明和主程序流程图。

4、讲述步进电机的控制原理和相位变化，运行方式和方向的控制，运用细分驱动器，并对其进行说明。

5、最后经过反复试验，用ADS1.2进行编程，运用J-link仿真。用 MATLAB得到最后的仿真曲线，给出电路板实物连接图和最后仿真的结果。

四、本研究课题可能的创新之处（不少于500字）

无线通信技术已经在我们的日常生活中得到了广泛的应用，目前应用广泛的短距离无线通信技术主要有IEEE802、WLAN、蓝牙、ZigBee、NRF2401、微功率短距离无线通信技术等。与目前已经具备相当规模的无线长距离通信网络相比，短距离无线通信系统在基本结构、服务范围、应用层次及通信业务(数据、话音)上，均有很大的不同。

该论文用到的是ARM9系列的，TX-2440A为主控制芯片的基于ARM9的智能温度控制系统，从而能够对步进电机进行准确的驱动和较好的控制。在温度的自动化控制和智能信息处理方面进行有意义的探索和研究，改善以往控制系统体系结构的不合理，缺乏智能控制和处理信息速度快等缺点，特别提出基于ARM9的智能温度控制，结合ARM9处理能力快、外围接口丰富的优点，达到智能控制系统的要求，同时满足用户的需求.

硬件的设计对于Arduino控制系统来说很重要，各种接口电路的正确设计对系统的设计至关重要。本次设计主要介绍了硬件部分温度测量电路的设计，以及对应的数据处理模块；同时对硬件电路中可能产生的干扰，提出了预防措施。

软件的设计对于单片机控制系统来说也是很重要的，本次给出了系统软件的总体设想；以及在软件设计中出现的干扰提出预防措施。本系统软件的设计采用模块化设计使设计思路明确，且便于调试和修改。

五、研究基础与工作条件（1.与本项目相关的研究工作积累基础 2.包括已具备的实验条件，尚缺少的实验条件和拟解决途径）（不少于500字）

一、与本项目相关的研究工作积累基础

说起温度的测量，我们本能的会想到温度计。传统的温度计也是我们经常用到的，确实也能测出相应的温度。但在工业生产中，需要用到测量的地方很多，由于厂房面积大、设备多等问题，使得用传统的温度计测量温度，既浪费人力，也增加了温度测量的误差。在一些比较重要的场合，比如说炼钢厂，工业大楼需要对温度进行长时间甚至24小时的检测，需要我们对温度进行有效的把控。如果我们能把各处的温度检测数据传输到一起，进行综合处理，这样会较大程度的节省人力资源，但在传统的数据传输方法上，会出现数据在远距离传输过程中缺失等问题。因此，我们现在需要控制精度高、价格低廉、传输性好，而且能够实时的反映温度的变化，这样的温度控制系统急需我们去开发和研究。

二、已具备的实验条件，尚缺少的实验条件和拟解决途径

本文设计一种基于ARMS的智能温度控制系统，系统结合步进电机，从而能够提高控制系统的精度。作为控制系统中的一款重要组成部件，步进电机能够在各种机械设备和自动化控制系统中发挥重要的作用。现在有很多我们能够接触到的仪器或设备，比如说绘图仪、打印机等都把步进电机作为设备的主要组成部件。正是因为步进电机有控制灵活、价格实惠的优点，在各个行业中运用的越来越多。在工业控制飞速发展的时代，会发现越来越多的设备把步进电机镶嵌在其中，从而能够运用步进电机，来设置不同情况下需要的拍数和步数。在工业设备走向智能化和信息化的同时，让我们对步进电机的使用要求也得到很大的提高。为提升控制系统的处理和控制能力，系统选用ARM作为主芯片，使该系统相对于传统的温度控制系统，性能和控制精度上得到大幅提高。