智能温控表的设计.docx

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智能温控表的设计

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摘要

温控表是指能够实时采集环境温度数据，经过相应的判断、计算来控制设备的运行以达到理想温度的仪器，其应用范围非常广泛，根据不同种类应用在家电、冶金、纺织、化工、医疗等行业。

本课题设计的智能温控表以STC12C5A60S2单片机为核心，采用高精度PT1000铂电阻作为温度传感器，利用铂电阻阻值随温度线性变化的特性，通过电阻桥和放大电路将温度变化转化为电压信号，单片机通过内置的10位A/D转换器采集到电压信号，通过相应计算得到当前环境温度值。

目标温度值可通过按键设定，同时采用液晶1602显示相应数据。

为了精确控制温度，本设计将目标温度值与实际温度值经过增量式PID运算得出相应控制量数据。

为了能适应多种加热设备的使用，在输出控制手段上，采用了继电器PWM输出和4~20mA电流输出两种形式。

本设计具有温度测量精度高；系统控制精确高、可靠性好；设备通用性强，可连接控制多种加热设备，连接简单；模块化编程，便于检测和修改；参数可调，使用灵活等优点。

关键词：

单片机，铂电阻，PID，温控

THEDESIGNOFINTELLIGENTTEMPERATURECONTROLMETER

ABSTRACT

Temperaturecontrolmeteristheinstrumentwhichcanacquireambienttemperature,itcancontroltheequipmenttoachievetheidealtemperatureviacorrespondingjudgmentandcalculation.Itsapplicationrangeisverywide,accordingtodifferenttypesitcanbeusedinmetallurgy,textile,chemical,medicaletc.

The designofthe intelligenttemperaturecontrol meterisbasedonSTC12C5A60S2anduse highprecisionPT1000 platinumresistance whoseresistance value varieslinearlywithtemperatureastemperaturesensor, thesystemcantranslatethetemperaturedataintovoltagesignalbymeansofresistancebridgeandamplifyingcircuit.Themicrocontrollercanacquirethevoltagesignalthroughthe built-in10bitA/D converterandgettemperaturedataviarelevantcalculation.Thetargettemperature value canbesetthroughthebuttons, andthe liquidcrystaldisplay1602isemployedtodisplayrelevantdata.Inordertocontroltemperatureprecisely,thevolumeofcontroldataisobtainedthroughtheincrementalPIDarithmeticaccordingtothetargettemperatureandactualtemperature.Forthepurposeofadaptingmultipleheatingequipment,thesystemhasrelayPWMand4~20mAcurrentinthewayofoutputcontrol.

Thereareseveraladvantagesofthedesign,includinghighmeasurementprecision,highcontrolprecision, goodreliability,equipment versatility.Inaddition,thedesigncanbesimplyconnectedto various heatingequipmentandmodifytheparameterseasilybymeansofmodularprogramming.

KEYWORDS：

MCU,PlatinumResistance,PID,TemperatureControl

目　录

前　言

在自动控制领域中，温度检测与控制占有很重要地位。

温度测控系统在工农业生产、科学研究和在人们的生活领域，也得到了广泛应用。

因此，温度传感器的应用数量居各种传感器之首，能否成功地将温度控制在需要的范围内关系到整个工作的成败。

由于控制对象的多样性和复杂性,导致采用的温控手段也具有多样性。

采用PID控制原理研制成适合用于小型电加热器的温度控制器。

该控制器能够达到很好的控制效果。

本论文概述了温控器的发展及基本原理，介绍了温度传感器的原理及特性。

分析了各种温度传感器的优劣。

在此基础上描述了系统研制的理论基础，温度采集等部分的电路设计，并对测温系统的一些主要参数进行了讨论。

同时在介绍温度控制系统功能的基础。

针对测温系统温度采集、接收、处理、显示部分的总体设计方案进行了论证，进一步介绍了单片机在系统中的应用，分析了系统各部分的硬件及软件实现。

本课题设计的智能温控表以STC12C5A60S2单片机为核心，采用阻值随温度线性变化的铂电阻作为温度传感器，通过电阻桥和放大电路将温度变化引起的铂电阻阻值变化转化为电压信号，单片机通过内置的10位A/D转换器采集到电压信号后通过相应计算得到当前环境实际温度值。

目标温度值可通过按键设定，同时采用液晶1602显示相应数据。

单片机将目标温度值与实际温度值经过增量式PID运算得出相应数据，据此数据来控制与加热器连接的继电器通断时间比，以此来达到控制温度的目的。

第1章绪论

§1.1课题的背景及意义

现代工业设计，工程建设及日常生活中温度控制都起着重要的作用，早期的温度控制主要用于工厂时间生产中，能起到实时采集温度数据，提高生产效率，产品质量之用。

随着人们生活质量的提高，现代社会中的温度控制不仅应用在工厂生产方面也应用于酒店，厂房以及家庭生活中，在有些应用中，如高精度的生产厂房，对温度的要求极其严格，温度的变化极有可能对生产的产品造成极大的影响。

因此，这就需要一种能够及时检测温度变化以及温度变化的设备，提供温度数据值，使人们对温度的变化做及时的调整，多点温度控制可根据人们不同的应用环境自行设置该环境的温度值，及时反映生产，生活中温度变化使人们能及时看到温度变化的第一手资料，提示人们温度变化情况，协助人们能及时的调整，起到温度报警作用，使温度控制更好的服务于社会生产、生活。

电子技术的飞速发展，给人类的生活带来了根本的的变革，特别是随着大规模集成电路的产生而出现了微型计算机，更是将人类社会带入了一个新的时代。

利用微机的强大功能，人们可以完成各种各样的控制。

然而，微机造价高，对于大多数的工业控制来说，也并不需要微机那样强大的功能，于是单片机就运用而生了。

单片机其实就是一个简化的微机，将微机的CPU，存储器，I/O接口。

定时器/计数器等集成在一片芯片上就是单片机了，它主要用来完成各种控制功能。

相对微机来说，单片机价格低，非常适合于应用在简单的控制场合以降低成本。

另外，单片机是按照工业控制要求设计的，其可靠性很高，可在工业现场复杂的环境下运行。

单片机依靠其高的可靠性和极高的性价比，在工业控制、数据采集、智能化仪表、家用电器等方面得到极为广泛的应用。

§1.2国内温度调节系统的发展

（1）温度控制器广泛应用于家用电器，主要为冰箱、冷柜、空调、饮水机、微波炉等制冷制热产品配置；

（2）目前国内温度控制器生产企业较少，仅广东、江苏、辽宁、江西各有一家规模稍大一点的生产厂家，他们的生产能力远远不能满足电子温度控制器市场的需求；

（3）由于沿海发达温度控制器不仅在国内市场销售顺畅，而且在国际市场也十分看好，特别是日本、意大利、美国等国家对温度控制器产品的需求量很大，出口前景十分乐观；

（4）地区产业的梯度转移，科龙集团已在南昌新建分厂，上海华意集团也与江西签订了投资意向，江西境内的昌河集团微型汽车规模日益壮大，汽车、空调用温度控制器需求量也必将增大。

§1.3近年来国外温度调节系统的发展

因为温度控制器环节已经被纳入为分布式控制系统（DCS），个人电脑（PC）和可编程逻辑控制器（PLC）。

工业电子温度控制器全球市场的增长率在2005年为2.6%，2008年为2.1%，2012年为2.5%。

欧洲和北美工业电子温度控制器市场受到这一趋势的影响最大。

这两个较大地区的市场预计将在2010年出现负增长。

然而，亚太市场，较小的拉丁美洲和其他地区的市场预计仍将保持增长。

中国作为一个主要的制造中心和工业电子温度控制器市场的崛起是这一增长的驱动因素。

OEM厂商以及众多的终端工业厂商已经开始转移到中国大陆，以获得低成本的劳动力和原料优势。

日本经济的复苏同样推动该地区走出了停滞发展时期。

OEM厂家和主要终端工业公司将制造业务向中国的转移，以及温度控制器价格的下降，是欧洲和北美工业电子温度控制器市场预测下降的主要原因。

此外，许多位于欧洲和北美的工业电子温度控制器供应商已经表明一旦准备充分，他们将很快在中国展开他们的制造工业电子温度控制器业务。

通过在中国生产电子温度控制器，供应商不但可以获得更便宜的劳动力和原料的竞争优势，而且他们这样更接近主要的发展市场。

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然己经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。

成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少.随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家，企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。

目前，温度控制器产品从模拟、集成温度控制器发展到智能数码温度控制器。

智能温控器（数字温控器）是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结合，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种控制器，并且它是在硬件的基础上通过软件来实现控制功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平，现阶段正朝着高精度高质量的方向发展，相信以我国的实力，温控技术在不久的将来一定会为于世界前列！

§1.4本文研究内容

智能温控表是一种新颖的自动化仪表，是一个完整的多功能温控系统。

本次设计的智能温控表主要的技术指标有：

（1）采用通用温度传感器：

热电偶或红外线传感器或铂电阻；

（2）多种输出控制方式：

继电器、4～20mA电流；

（3）上下限温度报警输出；

（4）LCD数字显示；

（5）具备温度设定调节。

本文重点对该系统的总体方案及硬件、软件进行分析设计。

在总体方案上首先给出一般温控系统的原理框图，随后依据相关资料对温度检测模块、显示模块、A/D转换模块等各部分一一进行了方案论证与分析，确定了各模块具体方案，得出系统的详细原理框图。

在硬件上详细地介绍了温度采集电路的基本原理及相关参数计算，LCD1602与按键接口电路的设计，继电器驱动电路及V/I变换电路的基本原理与具体设计。

在软件上研究了PID算法的基本理论及增量式PID算法的应用，另外着重对按键扫描程序、A/D转换程序进行了分析。

同时本文还介绍了在调试的过程中遇到的一些问题及解决方案，最终依据系统的软硬件设计及调试情况得出结论。

第2章系统方案设计

图2-1为一个温控系统的基本框图，其中包括温度传感器，MCU，加热器等器件，且各主要模块之间形成闭环，能够实现实时温度采集与控制。

由于温控技术已比较成熟，温度控制器的各个环节都有多种方案可供选择，因此要结合现实情况，对不同模块的相关方案进行论证和分析，以得到适用于本课题的最佳方案。

图2-1系统基本方案框图

§2.1温度传感器方案论证

温度传感器（TemperatureTransducer）是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。

温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。

按照传感器材料及电子元件特性分为数字温度传感器、热电阻和热电偶三类。

§2.1.1数字型温度传感器

数字式温度传感器是能把温度物理量和湿度物理量，通过温、湿度敏感元件和相应电路转换成方便计算机、PLC、智能仪表等数据采集设备直接读取得数字量的传感器。

Dallas公司的DS18B20属于典型的数字温度传感器，其主要特性如下：

（1）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；

（2）测温范围-55℃~125℃，固有测温误差1℃；

（3）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定；

（4）工作电源:

3.0~5.5V/DC（可以数据线寄生电源）。

§2.1.2铂电阻传感器

金属随着温度变化，其电阻值也发生变化。

对于不同金属来说，温度每变化一度，电阻值变化是不同的，而电阻值又可以直接作为输出信号。

金属铂（Pt）的电阻值随温度变化而变化,并且具有很好的重现性和稳定性，利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，通常使用的铂电阻温度传感器零度阻值为100Ω，电阻变化率为0.3851Ω/℃。

铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200~650℃）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计（涵盖国家和世界基准温度）供计量和校准使用。

铂电阻PT1000在0℃时阻值为1000欧姆，其阻值随温度线性变化，温度系数TCR=0.003851，具有正温度系数，即温度每变化1℃，其阻值按同样趋势变化3.851Ω。

B级测温范围为-50℃~500℃。

其主要特点如下：

（1）热响应时间快；

（2）机械强度高，耐压性能好；

（3）测量精度高精度高；

（4）使用寿命长。

图2-2PT1000铂电阻

§2.1.3热电偶

热电偶由两个不同材料的金属线组成，在末端焊接在一起。

再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。

由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为热电偶。

不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。

热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。

对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5~40微伏/℃之间。

由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。

也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。

（1）装配简单，更换方便；

（2）压簧式感温元件，抗震性能好；

（3）测量范围大（-200℃~1300℃，特殊情况下-270℃~2800℃）。

图2-3热电偶

本系统要求的测温范围为-50℃~500℃，故数字式温度传感器DS18B20测温范围太窄而无法满足要求，其他的数字式温度传感器由于成本太高，操作复杂等也不是最佳选择；热电偶测温范围较宽，但精度较低，无法满足要求；铂电阻PT1000从测温范围，精度等方面均能满足要求，故本设计选用铂电阻PT1000作为温度传感器。

§2.2显示模块方案论证

§2.2.1LED数码管显示

led数码管（LEDSegmentDisplays）由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。

数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。

这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。

图2-4数码管结构图

当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的2个8数码管字样了。

如：

显示一个“2”字，那么应当是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。

LED数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。

小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。

发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。

常用LED数码管显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。

有多位LED数码管显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，由单片机的一个8位的I/O口控制，而每一位LED数码管的公共阴极或者公共阳极分别由单片机的其它的I/O口线控制。

对于8位的LED数码管显示，可用采用程序控制的方法，通过不断的移位发送选种要显示的数码管。

可见在整个显示模块中至少要9根I/O口线。

因为是动态显示，所以需要定时刷新LED数码管。

为了稳定的显示，在多位LED数码管显示时需要有很高的数据刷新频率，否则会导致显示效果会有些闪烁。

§2.2.2LCD1602显示

1.LCD1602串口方式显示

当PSB脚接低电位时，模块将进入串行模式。

从一个完整的串行传输流程来看，一开始先传输启始字节，它需先接收到五个连续的‘1’（同步位字符串），在启始字节，此时传输计数将被重置并且串行传输将被同步，再跟随的两位字符串分别指定传输方向位（RW）及寄存器选择位（RS），最后第八的位则为‘0’。

在接收到同步位及RW和RS资料的启始字节后，每一个八位的指令将被分为两个字节接收到：

高4位（DB7~DB4）的指令资料将会被放在第一个字节的LSB（最低有效未）部分，而低4位（DB3~DB0）的指令资料则会被放在第二个字节的LSB部分，至于相关的另四位则都为‘0’。

串口传输信号时如图2-2所示。

图2-5LCD串口传输信号图

2.LCD1602并口方式显示

当PSB脚（OCMJ4X16A/B）接高电位时，模块将进入并行模式，在并列模式下可由指令DLFLAG来选择8位或4位接口，主控制系统将配合（RS,RW,E,DB0～DB7）来达成传输动作。

从一个完整的流程来看，当下设定地址指令后（CGRAM,DDRAM）若要读取数据时需先DUMMYREAD一次，才会读取到正确数据第二次读取时则不需DUMMYREAD除非再进行下设定地址指令才需再次DUMMYREAD。

在4位传输模式中，每一个八位的指令或数据都将被分为两个字节动作：

较高4位（DB7~DB4）的资料将会被放在第一个字节的（DB7~DB4）部分，而较低4位（DB3~DB0）的资料则会被放在第二个字节的（DB7~DB4）部分，至于相关的另四位则在4位传输模式中DB3~DB0接口未使用。

鉴于显示温度值需要多个数码管，操作复杂及工作不稳定，而LCD串口传输方式需考虑时钟对速率的影响，效率低而误差大，故我们采用LCD1602并口传输方式。

§2.3A/D采集模块方案论证

温度传感器接入电阻桥及放大电路后得到小电压信号，要想得到温度值，必须进行A/D转换，将模拟电压信号转化为MCU可以直接处理的数字信号。

根据现实条件，可以借助一些增强型51单片机内置的A/D转换器或ADC0809芯片。

§2.3.1单片机内置A/D转换器

图2-6STC12C5A69S2单片机引脚图

在众多的51系列单片机中，要算国内STC公司的1T增强系列更具有竞争力，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的具有大容量程序存储器且是FLASH工艺的，如STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60KFLASHROM,这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。

而且STC系列单片机支持串口程序烧写。

显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。

写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。

重要的一点STC12C5A60S2目前的售价与传统51差不多，市场供应也很充足，是一款高性价比的单片机。

STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8~12倍。

内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S），针对电机控制，强干扰场合。

STC12C5A60S2单片机内置8路A/D转换,10位精度ADC，转换速度可达250K/S（每秒钟25万次）。

§2.3.2ADC0809转换芯片

图2-7ADC0809内部结构图

ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。

其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。

其工作过程如下：

首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。

此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。

START上升沿将逐次逼近寄存器复位。

下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。

当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

图2-8ADC0809接口电路

如图所示模拟通道选择信号A、B、C分别接最低三位地址A0、A1、A2即（P0.0、P0.1、P0.2），而地址锁存允许信号ALE由P2.0控制，则8路模拟通道的地址为0FEF8H~0FEFFH.此外，通道地址选择以

作写选通信号，这一部分电路连接如图2-9所示。

图2-9部分控制信号及时序图

经对比分析后可知，STC12C5A60S2单片机内置10位A/D转换器，且不用连接其他电路，只需在程序中配置相应寄存器即可完成A/D转换；ADC0809的分辨率则是8位，还需接入74LS373等芯片，使得电路较为复杂。

因此无论从进度上还是易用性上都应该选择单片机内置A/D转换器。

另外，从成本上看，一片STC12C5A60S2的价格为6元，而一片STC89C52的价格为5元，ADC0809的价格为4元，用STC12C5A60S2相比STC89C52加ADC0809能剩下三分之一的成本，因此，使用STC12C5A60S2内置的10位A/D转换器是本课题的最佳选择。

§2.4系统方案

经过以上详细的论证与分析，得到详细的系统框图如图2-10所示。

图2-10系统详细框图