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恒温控制箱doc
目录
摘要2
Abstract3
1绪论4
1.1课题研究的背景4
1.2课题研究的内容和意义4
2恒温箱系统的概述6
2.1系统的主要功能6
2.2恒温箱的工作过程6
2.3本章小结7
3恒温箱的硬件设计8
3.1设计方案分析8
3.2STC12C5412单片机的介绍9
3.3 温度传感器DS18B20介绍10
3.4散热与加热电路14
3.5时钟频率电路设计15
3.6复位电路设计15
3.7显示电路的设计16
3.8本章小结18
4系统的软件设计19
4.1系统的软件描述19
4.2程序流程图20
4.3DS18b20温度转换21
4.4程序24
结论30
致谢31
参考文献32
摘要
恒温控制在工业生产过程中举足轻重，温度的控制直接影响着工业生产的产量和质量。
本设计是基于STC12C5412单片机的恒温箱控制系统，系统分为硬件和软件两部分，其中硬件包括：
温度传感器、显示、控制和报警的设计；软件包括：
键盘管理程序设计、显示程序设计、控制程序设计和温度报警程序设计。
编写程序结合硬件进行调试，能够实现设置和调节初始温度值，进行数码管显示，当加热到设定值后立刻报警。
另外，本系统通过软件实现对按键误差、加热过冲的调整，以提高系统的安全性、可靠性和稳定性。
本设计从实际应用出发选取了体积小、精度相对高的数字式温度传感元件DS18B20作为温度采集器，单片机STC12C5412作为主控芯片，数码管作为显示输出，实现了对温度的实时测量与恒定控制。
关键词：
STC12C5412；温度传感器；恒温控制；
Abstract
Temperaturecontrolintheindustrialproductionprocessthebalance,thecontrolofthetemperaturedirectlyaffecttheindustrialproductionqualityandproduction.ThisdesignisbasedonthesinglechipmicrocomputerSTC12C5412theconstanttemperatureboxcontrolsystem,thehardwareandsoftwaresystemisdividedintotwoparts,includinghardwareincluding:
temperaturesensors,display,controlandalarmdesign;Thesoftwareincludes:
thekeyboardmanagementprogramdesign,displaydesignprogram,controlprogramdesignandtemperaturealarmprogramdesign.Writeaprogramcombininghardwaredebugging,willbeabletorealizetheSettingsandadjustingtheinitialtemperature,digitaltubeshows,whenheatedtosetdataimmediatelyafterthepolice.Inaddition,thesystemthroughthesoftwaretorealizeerror,heatingovershootbuttonsoftheadjustment,toimprovethesystem'ssecurity,reliabilityandstability.Fromthepracticalapplicationofthisdesignonthesmallvolume,precisionrelativelyhightemperaturesensorDS18B20asdigitaltemperaturecollector,microcontrollerasthemasterSTC12C5412chip,digitaltubeasshowsthattheoutput,realizetherealtimemeasurementandconstanttemperaturecontrol.
Keywords：
STC12C5412;Temperaturesensor;Constanttemperaturecontrol
1绪论
1.1课题研究的背景
二十一世纪是科技高速发展的信息时代，电子技术、微型单片机技术的应用更是空前广泛，是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的。
由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、工业控制等诸多领域，使产品小型化,智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。
它迅猛的发展到了各个领域，人们也越来越感到应用单片机技术的优越性，因而单片机也得到了广泛的应用。
同时，它也不断地完善和发展。
恒温箱的温度是医疗、工业生产和食品加工等领域的关键，因此对温度的测量及控制始终占据着重要的地位。
在恒温箱控制系统的设计中，用数字传感器将温度信号以数字信号的方式传送给单片机，经单片机处理后的温度数值，一方面送LED数码管显示；另一方面与给定值经行比较，判断温度高低，从而采取相应的措施：
加热或者散热。
使温度达到设定值。
恒温箱主要是用来控制温度，他为农业研究、生物技术、测试提供所需的各种环境模拟条件，因此可广泛适用于药物、纺织、食品加工等无菌试验、稳定性检查以及工业产品的原料性能、产品包装、产品寿命等测试。
随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控制对象控制日益广泛，具有体积小、功能强、性价比高等特点，把单片机应用于温度控制系统中可以起到更好的控温作用，恒温箱是使用单片机进行温度控制的典型应用，采用单片机做主控单元可完成对温度的采集和控制等的要求。
1.2课题研究的内容和意义
温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用，其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。
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，对温度的测控方法多种多样。
随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。
利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。
然而现有的温度传感元件大多为模拟器件（热电耦）体积大、应用复杂、而且不容易实现数字化等缺点，阻碍了应用领域的扩展。
本设计从实际应用出发选取了体积小、精度相对高的数字式温度传感元件DS18B20作为温度采集器，单片机STC12C5412作为主控芯片，数码管作为显示输出，实现了对温度的实时测量与恒定控制。
本设计包括温度采集，温度显示，和温度控制等部分，采用模块化设计恒温箱，系统上电后默认设定的恒温温度为25.5℃，使用时可以自行调节预期的恒温温度，调节好后系统会将采集来的实时温度与设定的预期温度进行比较，如果实时温度比设定温度高就开启散热设备，如果实时温度比预期温度低就开启加热设备。
在显示电路上通常显示的是实时的温度，即传感器采集来的温度，如果想要显示人们设定的预期温度可以按显示切换键，这时显示器上就会显示预期温度，显示实时温度。
温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等，常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同，在工业企业中，如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题，开发出性能较好的温度控制系统对于测控技术的发展具有很大的意义。
2恒温箱系统的概述
2.1系统的主要功能
本系统是借用单片机采用模块化设计的恒温箱，包括温度设定按钮，温度显示，温度调节，实时温度显示和预定温度显示转换按钮，温度采集等（根据需要也可另设或者多设相关功能）。
显示系统除了显示实时的温度还能显示设定的温度，也就是人们想要保持的温度。
系统的主要功能模块方框图如图1所示。
图1系统主要功能模块方框图
本系统是采用模块化设计的恒温箱，在生活中有广泛的应用，系统上电后默认设定的恒温温度为25.5℃，使用时可以自行调节预期的恒温温度。
调节好后系统会将采集来的实时温度与设定的预期温度进行比较，如果实时温度比设定温度高就开启散热设备，如果实时温度比预期温度低就开启加热设备。
如果温度一样则不开启加热或散热设备。
在显示电路上通常显示的是实时的温度，即传感器采集来的温度，如果想要显示人们设定的预期温度可以按显示切换键，这是显示器上就会显示预期温度。
单片机整个恒温箱的核心，内部电路设计用C语言编写。
它完成了温度参数设定，温度采集计算，温度显示，温度比较，温度调节等功能。
2.2恒温箱的工作过程
1.设定预期温度。
如果想调节预期的温度，先闭合“温度设定”开关，进入调节状态，此时会显示设定的温度值，如果想加一摄氏度就按下“加1℃”键，如果想减一摄氏度就按一下“减1℃”键，温度LED显示器上会显示改变后的温度，调整范围为-55~125℃。
0℃时再减1℃会跳到99℃，99℃时再加1℃会跳到0℃。
要退出调节状态，断开“温度设定”开关即可。
2.温度采集和计算。
单片机通过与温度传感器进行通信，获取实时温度信息，并将所获取的温度信息数据转化为摄氏温度的形式存储起来。
3.温度比较和温度调节。
将存储的实时摄氏温度与设定的预期温度经行比较。
如果实时温度高于设定温度，则开启散热器；如果实时温度低于设定温度，则开启加热器。
4.实时温度显示。
将存储的实时温度显示在LED数码管上。
5.设定温度显示。
若想查看设定的预期温度，则需按下“温度显示切换”按键，然后LED显示器就会显示设定预期的温度，显示时间为数秒，跳出预期温度的显示。
若再想查看预期温度显示需再次按下“温度显示切换”按键。
总而言之，本课题利用stc12c5412单片机及外围接口实现的温度控制系统设计了恒温箱，该恒温箱提高了系统的可靠性，简化了电路结构，节约了成本，是一个实用的工程设计。
2.3本章小结
本章主要讲述了恒温箱的工作原理和本设计系统的工作流程。
在说明工作原理的过程中，突出了电路的组成单元以及这些单元如何实现温度采集和温度控制等功能。
在说明系统流程时，结合本设计的内容，指出了参数设置的方法和意义。
3恒温箱的硬件设计
3.1设计方案分析
单片机已经在测控中获得了广泛的应用，它除了可以测量电信号以外，还可以用于温度、湿度等非电信号的测量，能独立工作的单片机温度检测、温度控制系统已经广泛应用到很多领域。
单片机的接口信号是数字电信号，要想用单片机获取温度这类非电信号的信息，毫无疑问，必须使用温度传感器。
温度传感器的作用是将温度信息转换为电流或电压输出，如果转换后的电流或电压输出是模拟信号，那么还必须进行A/D转换，以满足单片机接口的需要。
传统的温度检测大多以热敏电阻为温度传感器，但热敏电阻的可靠性差、测量温度准确率低，而且必须经过专门的接口电路转换成数字信号后才能由单片机进行处理。
随着微电子技术的发展，单片微处理器功能日益增强，价格低廉，在各方面得到广泛应用。
在温度控制器中应用单片机，具有设计简单、可靠性高、控制精度高，功能易扩展，有较强的通用性等优点。
温度控制器主要实现对恒温箱温度的控制，并满足不同用户的个性需求。
因此一个较完善的控制器应具有以下功能：
温度的测量与显示；用户设定功能（如温度设定，定时设定等）；对电加热管的控制功能；一些功能键（如定时自动加热，恒温控制，手动加热等）；安全措施（漏电检测，安全失效保护，限温保护等）。
本文将采用一种数字温度传感器来实现基于51单片机的恒温箱控制系统设计。
在设计51单片机的恒温箱控制系统设计时，需要考虑下面2个方面的内容：
1.选择合适的温度传感器芯片。
显然，本文中的核心器件是单片机和温度传感器，单片机采用常用的51单片机即可，而温度传感器的选择则需慎重。
2.控制温度传感器实现温度信息采集以及数据传输的设计。
在选择温度传感器时可有以下几种方案：
方案一：
采用温度传感器铂电阻Pt1000。
铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件，且此元件线性较好。
在0—100摄氏度时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。
铂热电阻与温度关系是，Rt=R0（1+At+Bt*t）;其中Rt是温度为t摄氏度时的电阻；R0是温度为0摄氏度时的电阻；t为任意温度值，A,B为温度系数。
方案二：
采用模拟温度传感器AD590K，AD590K具有较高精度和重复性（重复性优于0.1℃），其良好的非线性可以保证优于±0.1℃的测量精度。
但其测量的值需要经过运算放大、模数转换再传给单片机，硬件电路较复杂，调试也会相对困难，所以本系统不宜采用此法。
方案三：
采用数字温度传感器DS18B20，DS18B20提供九位温度读数，测量范围-55℃~125℃，采用独特1-WIRE总线协议，只需一根口线即实现与MCU的双向通讯，具有连接简单，高精度，高可靠性等特点。
并且,DS18B20支持一主多从,若想实现多点测温,可方便扩展。
综合以上三种方案，本设计采用第四种方案，利用数字温度计DS18B20作为温度传感器。
3.2STC12C5412单片机的介绍
单片机的选择尽可能采用功能强的芯片，以简化电路，功能强的芯片可以代替若干个普通芯片，随着生产工艺的提高，新型芯片的价格在不断下降，并不一定比若干个普通芯片价格总和高。
在设计硬件电路时，要考虑到将来修改扩展的方便。
因为很少有一锤定音的电路设计，如果现在不留余地，将来可能要为一点小小的修改或扩展而被迫进行全面返工。
选用片内程序空间足够大的单片机，本设计采用stc12c5412单片机。
stc12c5412单片机内部RAM不多，当要增强软件数据处理功能时，往往觉得不足。
如果系统配置了外部RAM，则建议多留一些空间。
如果选用8155作I/O接口，就可以增强256字节RAM。
如果有大批数据需要处理，则应配置足够的RAM，如6264、62256等。
随着软件设计水平提高，往往只要改变或者增加软件中的数据处理算法，就可以使系统功能提高很多，而系统的硬件不必做任何更换就使系统升级换代。
STC12C5412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。
4路PWM,8路高速10位A/D转换,针对电机控制，强干扰场合。
STC12C2052AD系列只有2路PWM,8路高速8位A/D转换。
STC12C5412单片机的性能指标如下：
1.增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051。
2.工作电压：
STC12C5412系列工作电压：
5.5V-3.5V（5V单片机）/3.8V-2.2V。
3.工作频率范围：
0-35MHz，相当于普通8051的0～420MHz。
4.工作温度范围：
0-75℃/-40-+85℃。
5.片上集成512字节RAM（STC12C5410AD系列）,STC12C2052AD系列单片机为256字节RAM。
6.通用I/O口（27/23/15个），复位后为：
准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA。
7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。
8.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，可省外部复位电路）。
9.时钟源：
外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟常温下内部R/C振荡器频率为：
5.2MHz～6.8MHz精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，应认为是4MHz～8MHz。
10.共6个16位定时器/计数器，两个专用16位定时器T0和T1再加上PCA模块可再实现4个16位定时器。
11.外部中断2路,下降沿中断或低电平触发中断,PowerDown模式可由外部中断唤醒。
3.3 温度传感器DS18B20介绍
DS18B20数字温度计是Dallas公司生产的1－Wire器件，即单总线器件。
与传统的热敏电阻有所不同，DS18B20可直接将被测温度转化成串行数字信号，以供单片机处理，具有连线简单、微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、精度高等特点。
因此用它来组成一个测温系统，具有电路简单，在一根通信线上可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。
目前已被众多行业进行广泛的运用（锅炉、温控表粮库、冷库、工业现场温度监控、仪器仪表温度监控、农业大棚温度监控等）。
通过编程，DS18B20可以实现9～12位的温度读数。
信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，因此从微处理器到DS18B20仅需连接一条信号线和地线。
读、写和执行温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。
每片DS18B20在出厂时都设有唯一的产品序列号，因此多个DS18B20可以挂接于同一条单线总线上，这允许在许多不同的地方放置温度传感器，特别适合于构成多点温度测控系统。
3.3.1 DS18B20的特点介绍
（1）独特的单线接口方式，与单片机通信只需一个引脚，DS18B20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）在使用中不需要任何外围元件。
（3）可用数据线供电，电压范围：
+3.0～+5.5V。
（4）测温范围为-55～+125℃。
在-10～+85℃范围内误差为0.5℃。
（5）通过编程可实现9～12位的数字读数方式。
（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。
（7）支持多点组网功能，通过识别芯片各自唯一的产品序列号从而实现单线多挂接，多个DS18B20可以并联在唯一的线上，简化了分布式温度检测的应用，实现多点测温。
（8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
（9）告警寻找命令可以识别和寻址那些温度超出预设告警界限的器件。
3.3.2 单线（1-wire）技术
目前常用的微机和外设之间数据传输的串行总线有I2C总线、SPI总线等，其中，I2C总线采用同步串行两线（一根时钟线、一根数据线）方式，而SPI总线采用同步串行三线（一根时钟线、一根数据入线和一根数据出线）方式。
这两种总线需要至少两根或两根以上的信号线。
美国达拉斯半导体公司推出了一项特有的单线（1-wire）技术。
该技术与上述总线不同，它采用单根信号线，即可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因而这种单线技术具有线路简单、硬件开销少、成本低廉、便于扩展的优点。
单线技术适用于单主机系统，单主机能够控制一个或多个从机设备。
主机可以是微控制器，从机可以是单线器件，它们之间的数据交换、控制都由这根线完成。
主机或从机通过一个漏极开路或三态端口连至数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放该线，而让其他设备使用。
单线通常要外接一个约5KΩ的上拉电阻，这样，当该线闲置时，其状态为高电平。
主机和从机之间的通信主要分3个步骤：
初始化单线器件、识别单线器件和单线数据传输。
由于只有一根线通信，所以它们必须是严格的主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能应答，主机访问每个单线器件必须严格遵循单线命令序列，即遵守上述3个步骤的顺序。
如果命令序列混乱，单线器件将不会响应主机。
所有的单线器件都要遵循严格的协议，以保证数据的完整性。
1-wire协议由复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1这几种信号类型组成。
这些信号中，除了应答脉冲，其他均由主机发起，并且所有命令和数据都是字节的地位在前。
3.3.3 DS18B20的引脚及功能介绍
DS18B20的外形及TO－92封装引脚排列见图2，其引脚功能描述见表1。
图2DS18B20引脚图
表1DS18B20详细引脚功能描述
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。
3
VDD
可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
3.3.4 DS18B20的工作原理
由于DS18B20采用的是1－Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对STC12C5412单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。
由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。
DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。
该协议定义了几种信号的时序：
初始化时序、读时序、写时序。
所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。
而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。
数据和命令的传输都是低位在先。
1.DS18B20的复位时序，见图3。
图3DS18B20的复位时序图
置总线为低电平并保持至少480us，然后拉高电平，等待从端重新拉低电平作为响应，则总线复位完成。
2.DS18B20的读时序，见图4。
图4DS18B20的读时序图
对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。
对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。
DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。
3.DS18B20的写时序，见图5。
图5DS18B20的写时序图
对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。
对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。
4.DS18B20在电路中的连接，见图6。
1-wire总线支持一主多从式结构，硬件上需外接上拉电阻。
当一方完成数据通信需要释放总线时，只需将总线置高点平即可；若需要获得总线进行通信时则要监视总线是否空闲，若空闲，则置低电平获得总线控制权。
图6DS18B20测温电路
3.4散热与加热电路
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