房屋自动供暖系统控制器方案设计书.docx
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房屋自动供暖系统控制器方案设计书
编号
毕业设计
题目
房屋自动供暖系统控制器设计
学生姓名
学号
系部
专业
班级
指导教师
2011年6月
房屋自动供暖系统控制器设计
摘要
随着社会的发展，自动控制越来越成为人们关注的焦点,自动调节温度系统也备受关注。
针对温度控制器的要求，构思了基于单片机的温度控制系统的设计方案，系统由温度检测、数据处理和温度控制三部分组成，采用DS18B20温度传感器作为测温元件，以8位的STC12C5206AD单片机作为控制核心,通过软件的编制，实现A/D转换，显示出实时测出的室温，并通过电磁继电器控制供暖系统的导通.论文首先回顾了单片机的历史、发展以及应用，然后详细介绍了STC12C5206AD单片机的详细参数及相关工作原理，接着又介绍了温度传感器DS18B20的工作原理，最后讲述了软硬件的设计和调试，本控制电路成本低廉，功能实用，操作简便，有一定的实用价值。
关键字单片机STC12C5206ADDS18B20温度控制
Housingheatingsystemwithautomaticcontrollerdesign
Abstract
Withthedevelopmentofthesociety,controlhasincreasinglybecomethefocusofattention,automaticallyadjustingtemperaturesystemisalsoofconcern.Requirementsfortemperaturecontroller,conceivedthedesignoftemperaturecontrolsystembasedonsingle-chipcomputerprogrammes,systemtemperaturedetection,dataprocessingandtemperaturecontrolconsistsofthreeparts,UsingtheDS18B20temperaturesensorastemperaturemeasurementcomponent,toSTC12C5206ADofthe8-bitsingle-chipcomputerasacorecontrol,throughthedevelopmentofsoftware,achievinga/dconverter,Showreal-timemeasuredatroomtemperatureandconductionofcontrolledheatingsystemofelectromagneticrelay。
Paperfirstreviewsthehistory,developmentandapplicationofsinglechip,andthendetailsthedetailedparametersoftheSTC12C5206ADmicrocontrollerandrelatedworks,thenintroducedtheprincipleoftemperaturesensorDS18B20,Lastaboutsoftwareandhardwaredesignanddebug。
Thecontrolcircuitoflowcost,functionalandpractical,easytooperate,havesomepracticalvalue.
KeywordsinglechipSTC12C5206ADDS18B20temperaturecontrol
摘要1
Abstract1
第一章绪论
随着社会的发展，自动控制越来越成为人们关注的焦点,自动调节温度系统也备受关注。
1.1单片机简介
单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
8位单片机的推出作为起点，单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段
（1）第一阶段（1976-1978）：
单片机的控索阶段。
以Intel公司的MCS–48为代表。
MCS–48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola、Zilog等，都取得了满意的效果。
这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。
（2）第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。
Intel公司在MCS–48基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS–51。
它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。
①完善的外部总线。
MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。
②CPU外围功能单元的集中管理模式。
③体现工控特性的位地址空间及位操作方式。
④指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。
（3）第三阶段（1982-1990）：
8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。
Intel公司推出的MCS–96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。
随着MCS–51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。
（4）第四阶段（1990—）：
微控制器的全面发展阶段。
随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。
1.2论文的主要内容
第一章主要介绍了单片机的历史、发展、应用，对单片机的发展阶段作了简单的描述。
第二章对单片原理进行了介绍，包括基本的单片机构成和单片机A/D转换相关寄存器。
第三章对温度传感器DS18B20进行了介绍，包括了DS18B20的主要特性和测温原理
第四章讲了设计要求及要实现的技术指标
第五章主要介绍硬件设计及调试。
第六章主要介绍软件的设计。
第七章对单片机的发展进行了展望，同时对本文进行了总结。
第二章单片机介绍
2.1STC12C5206AD的基本组成
●高速：
1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快8～12倍
●宽电压：
5.5～3.3V，2.2～3.6V（STC12LE5201AD系列）
●增加第二复位功能脚（内部高可靠复位，可调整复位门槛电压，频率<12MHz时，无需此功能）
●增加外部掉电检测电路（P1.2）,可在掉电时,及时将数据保存进EEPROM（正常工作时无需操作EEPROM）
●外部低压掉电检测（P1.2/EX_LVD）
●低功耗设计：
空闲模式，掉电模式（可由外部中断唤醒）
●工作频率：
0～35MHz，相当于普通8051：
0～420MHz
●时钟：
外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISP下载编程用户程序时设置
●1K/2K/4K/5K/6K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上
●256字节片内RAM数据存储器
●芯片内EEPROM功能,擦写次数10万次以上
●ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程,无需编程器/仿真器
●8通道,8位高速ADC，速度可达30万次/秒,2路PWM还可当2路D/A使用
●2通道捕获/比较单元（PWM/PCA/CCP），
---也可用来再实现2个定时器或2个外部中断（支持上升沿/下降沿中断）4个16位
●定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1,2路PCA实现2个定时器
●可编程时钟输出功能，T0在P3.4输出时钟，T1在P3.5输出时钟
●硬件看门狗（WDT）
●全双工异步串行口（UART）,兼容普通8051的串口
●先进的指令集结构，兼容普通8051指令集
●有硬件乘法/除法指令
●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
2.2STC12C5206AD系列单片机A/D转换相关寄存器
STC12C5201AD系列带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口（P1.7-P1.0），有8路8位高速A/D转换器,
速度可达到300KHz（30万次/秒）。
8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频
谱检测等。
上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。
需作为A/D使用的口需先将P1ASF特殊功能寄存器中的相应位置为‘1’，将相应的口设置为模拟功能。
STC12C5202AD系列单片机P1口模拟功能控制寄存器（该寄存器是只写寄存器,读无效）
Mnemonic
Add
Name
7
6
5
4
3
2
1
0
ResetValue
P1ASF
9Dh
P1Analog
SpecialFunction
P17ASF
P16ASF
P15ASF
P14ASF
P13ASF
P12ASF
P11ASF
P10ASF
0000,0000
当P1口中的相应位作为A/D使用时,要将P1ASF中的相应位置1.
P1ASF[7:
0]
P1.x的功能
其中P1ASF寄存器地址为：
[9DH]（不能够进行位寻址）
P1ASF.0=1
P1.0口作为模拟功能A/D使用
P1ASF.1=1
P1.1作为模拟功能A/D使用
P1ASF.2=1
P1.2作为模拟功能A/D使用
或P1.2口作为比较器用时，在Power_Down模式下低功耗
P1ASF.3=1
P1.3作为模拟功能A/D使用
P1ASF.4=1
P1.4作为模拟功能A/D使用
P1ASF.5=1
P1.5作为模拟功能A/D使用
P1ASF.6=1
P1.6作为模拟功能A/D使用
P1ASF.7=1
P1.7作为模拟功能A/D使用
与A/D转换有关的特殊功能控制寄存器表
Mnemonic
Add
Name
7
6
5
4
3
2
1
0
P1ASF
9Dh
P1Analog
SpecialFunction
P17ASF
P16SF
P15SF
P14SF
P13SF
P12SF
P11F
P10SF
0000,0000
ADC_CONTR
BCh
A/D转换控制寄存器
ADC_POWER
SPEED1
SPEED0
ADC_FLAG
ADC_START
CHS2
CHS1
CHS0
0000,0000
ADC_RES
BDh
A/D转换结果寄存器
0000,0000
IE
A8h
InterruptEnable
EA
ELVD
EADC
ES
ET1
EX1
ET0
EX0
0000,0000
IP
B8h
InterruptPriorityLow
PPCA
PLVD
PADC
PS
PT1
PX1
PT0
PX0
0000,0000
IPH
B7h
InterruptPriorityHigh
PPCAH
PLVDH
PADCH
PSH
PT1H
PX1H
PT0H
PT0H
0000,0000
如果要允许A/D转换中断则需要将相应的控制位置1:
1、将EADC置1，允许ADC中断，这是ADC中断的中断控制位。
2、将EA置1，打开单片机总中断控制位，此位不打开，也是无法产生ADC中断的
A/D中断服务程序中要用软件清A/D中断请求标志位ADC_FLAG（也是A/D转换结束标志位）。
ADC_CONTR特殊功能寄存器:
A/D转换控制特殊功能寄存器,地址在0BCh单元
A/D转换控制寄存器
ADC_POWER
SPEED1
SPEED0
ADC_FLAG
ADC_START
CHS2
CHS1
CHS0
0000,0000
对ADC_CONTR寄存器进行操作，建议直接用MOV赋值语句，不要用‘与’和‘或’语句
CHS2/CHS1/CHS0：
模拟输入通道选择，CHS2/CHS1/CHS0
CHS2
CHS1
CHS0
AnalogChannelSelect
模拟输入通道选择
0
0
0
选择P1.0作为A/D输入来用
0
0
1
选择P1.1作为A/D输入来用
0
1
0
选择P1.2作为A/D输入来用
0
1
1
选择P1.3作为A/D输入来用
1
0
0
选择P1.4作为A/D输入来用
1
0
1
选择P1.5作为A/D输入来用
1
1
0
选择P1.6作为A/D输入来用
1
1
1
选择P1.7作为A/D输入来用
ADC_START:
模数转换器（ADC）转换启动控制位，设置为“1”时，开始转换,转换结束后为0。
ADC_FLAG:
模数转换器转换结束标志位,当A/D转换完成后，ADC_FLAG=1，要由软件清0。
不管是A/D转换完成后由该位申请产生中断，还是由软件查询该标志位A/D转换是否结束,当A/D转换完成后，ADC_FLAG=1，一定要软件清0
第三章温度传感器DS18B20
在工业生产及日常生活中,温度检测及控制技术被广泛使用。
传统的温度测量系统中,测温元件有热电偶和热电阻,但是热电偶和热电阻的输出一般为电压,而将电压转换为温度还需要一些外部硬件电路,例如热电偶需要将微弱的信号放大,然后再通过A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号,最后送给CPU进行处理。
而热电阻则需要配备良好的恒流源。
这样,硬件电路的设计及软件的调试都比较复杂。
DALLAS公司推出的数字式温度传感器DS18B20是一种改进型的智能温度传感器,该传感器采用/一线通信0结构,只需占用单片机的一个I/O口线。
DS18B20可以将检测到的温度信号直接转换为数字信号,因此可以直接和单片机相连,省去了放大电路、A/D转换电路或恒流源,因此其外电路也比较简单。
3.1DS18B20的主要特性
DS18B20在使用中不需要任何外围元件,全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内,三只管脚分别为数字信号输入/输出端、电源端和外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
工作电压范围为3.0~5.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电。
DS18B20具有独特的单线接口方式,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。
DS18B20支持多点组网,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,实现组网多点测温。
温范围-55~125e,在-10~85e时精度为?
0.5e。
可编程的分辨率为9~12位,对应的可分辨温度分别为0.5e、0.25e、0.125e和0.0625e,可实现高精度测温。
在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字,12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字,速度更快。
测量结果直接输出数字温度信号,以/一线通信0串行传送给CPU,同时可传送CRC校验码,具有极强的抗干扰纠错能力。
DS18B20具有负压特性,当电源极性接反时,芯片不会因发热而烧毁,但不能正常工作。
DS18B20内部结构主要由四部分组成:
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
3.2DS18B20测温原理
DS18B20测温原理如图1所示。
图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变,所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在-55e所对应的一个基数值。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当计数器1的预置值减到0时,温度寄存器的值将加1,计数器1的预置将重新被装入,计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
图1中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性,其输出用于修正计数器1的预置值[
第四章设计要求及要实现的技术指标
内容要求：
１、能测量出室内温度值。
２、能实时显示测量值。
３、能按照设置值控制室内温度。
４、完成软硬件的设计及制做。
主要技术指标：
１、测量出温度的数值。
２、实时显示测量到的温度数值。
３、控温值可用键盘设置。
４、所测量值需按十进制数的形式显示。
５、测量温度范围为：
０－４５度．
６、控制器控温精度为±１度。
第五章硬件电路设计
设计思想和设计原理：
根据工程房屋自动供暖系统控制器设计，要实现所要设计的功能构思了电路的几个组成部分，分别为测温电路，复位和键盘电路，单片机时钟电路，显示电路，外部控制电路，根据工程的要求，设计的测温电路用于检测室内温度，并把信号输出给单片机，单片机通过A/D转换，读取电压值并输出给显示电路，显示电路接受单片机输出信号显示实时温度。
复位和键盘电路用于单片机复位与设置调节温度，外部控制电路则用于控制供暖电路的通断。
整个电路工作时，首先通过键盘电路设置所需要达到的温度值，通过温度传感器检测室内温度，并输出信号给单片机，单片机通过比较预设值与检测，决定是否接通外部供暖电路，检测温度低于预设值测进行加热，反之，则不加热。
同时单片机输出信号给数码管，数码管实时显示室温的检测值。
4.1单片机时钟电路
本电路选用了STC12C5206AD单片机。
单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准。
电路里选用了常用的12M晶振，同时外接2个负载电容，分别接在晶振的两个脚上和对地的电容，它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度，晶振的负载电容=[（Cd*Cg）/（Cd+Cg）]+Cic+△C式中Cd,Cg为分别接在晶振的两个脚上和对地的电容，Cic（集成电路内部电容）+△C（PCB上电容）经验值为3至5pf。
外接电容一般取15P到30P，本电路选择了20P。
本电路通过内部振荡方式得到时钟信号，相比于外部振荡，内部振荡方式获得的时钟信号比较稳定。
另外在单片机VCC和GND之间用0.1μF电容作为去耦电容，因为0.1μF对1MHz～几十MHz频率的阻抗较小，而MCU电路的主频往往就工作在这个范围内。
4.2显示电路
本电路采用8位共阴极LED数码管，CD4094作为数码管驱动,为保护各段LED中间加了限流电阻
共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。
当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。
当4094的Q1口线输出高电平，选中第一位数码管，使阳极得电，在第一位上就显示出1，重复上述过程，一直到第九位，然后不断重复这一过程，就实现了扫描显示。
另外由于数码管工作电压为5-10mA，本电路用5V电压供电，故在此电路中加入1k的限流保护电阻。
4.3复位和键盘
图中S1控制复位，S2作用设置返回，S3作用设置上下限，S4作用设置十位，S5作用设置个位
复位电路采用上电复位，工作原理如图VCC上电时，C1充电，在10k电阻上出现电压，使得单片机复位，几个毫秒后。
C1充满电，在10K电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。
工作期间，按下S1，C1放电。
S1松手，C1又充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位在振荡稳定后应保证复位高电平持续时间大于2个机器周期，采用12M晶振后复位信号持续时间应超过2us，按参考资料所讲，本电路采用10uf电容，10k电阻，另外开关S1串联1K电阻，其保护作用。
S2到S5采用10K的上拉电组，当有键按下时，会在单片机P1.2口输出不同的电压值，从而判断哪个键按下，如电路，若S2按下，则单片机1.2口得到1/2VCC，若S3按下，则单片机1.2口得到2/3VCC，依次类推，从而通过电压变化判别哪个键按下，下得到一个稳定的高电平,即负载比较小,10k以上为好,这样功耗小.本电路选用10k电阻。
另外为了去除键盘抖动，加入56P电容构成RC延时电路，消除影响。
4.4单片机电源
由电脑USB口供电，通过整流，滤波输出稳定的5V直流电压
滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路
整流是利用二极管的单向导电性把方向周期性变化的交流电压变为单向脉动电压（注意这时候还不是直流电压），然后利用电容储存电荷维持电压不发生突变的特性把单向脉动电压变为带有交流纹波的直流电压，如果需要更高质量更稳定的直流电压，还要再加稳压元器件。
4.5驱动电路
本电路通过采用继电器实现控制外部加热电路的通断，具体通过继电器的通断实现对外部电路通断的控制，继电器闭合则接通外部加热电路，电路工作，反之，加热电路断开，工作时当三极管处于饱和导通状态时，电磁继电器吸合，电路工作，电路中的二极管起延时释放的作用。
线圈通电正常工作时，二极管对电路不起作用。
线圈断电时，线圈上产生的自感电势而使二极管导通
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