基于STC单片机的温度控制系统设计.docx

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基于STC单片机的温度控制系统设计

基于STC单片机的温度调控系统设计

摘要

随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，单片机的应用同样正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。

在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，但仅仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及具体应用对象特点的软件结合，以作完善。

本次设计的主题是基于STC单片机的温度调控系统设计，此次设计的温度控制系统主要是对以STC单片机为主控制单元和以温度测量单元构成的单总线数字温度传感器DS18B20进行研究。

该系统将设定温度上下限，并显示检测温度，监测数据。

如果温度超过设定参数上限和下限温度，报警系统将由实验时的设置和以自动控制方式实现，从而达到一定范围内温度的监测与控制。

系统设计了相关的硬件电路和相关应用程序。

硬件电路主要包括STC12C5A60S2单片机最小系统、测温电路、实时时钟电路、LCD液晶显示电路、超温报警电路以及通讯模块电路等。

系统程序主要包括主程序，DS18B20通信程序、按键处理程序、LCD显示程序以及数据存储程序等。

以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平，经过试验结果得知本次设计的系统是准确的，可行的。

关键词　温度采集；DS18B20；STC单片机；测试程序；超温报警电路

BasedonSTCsinglechipmicrocomputertemperaturecontrolsystemdesign

Abstract

Alongwiththecomputermeasurementandcontroltechnologyoftherapiddevelopmentandwideapplication,theapplicationofSCMistokeepatthesametime,traditionalcontroltestingupdateonCrescentbenefits.Inreal-timedetectionandautomaticcontrolsystemofsingle-chipapplications,oftenasasingle-chipcorecomponenttouseonlysingle-chipisnotenoughknowledge,butalsothespecifichardwarestructureandthespecificfeaturesofapplicationsoftwareobjectscombinetomakeperfect.

ThethemeofthisdesignisbasedontheSTCsingle-chiptemperaturecontrolsystemdesign.TheexperimentoftemperaturecontrolsystembasedonSTCcontrolunitandthetemperaturemeasuringunitconsistingofasinglebusdigitaltemperaturesensorDSresearch18B20.Thesystemcanbeexpectedtodetectthepresettemperature,displaytimeandsavemonitoringdata.Analarmwillbegivenbysystemifthetemperatureexceedstheupperandlowerlimitvalueofthetemperaturewhichcanbesetdiscretionarilyandthenautomaticcontrolisachieved,thusthetemperatureisachievedmonitoringintelligentlywithinacertainrange.

Thesystemdesignofthehardwarecircuitandtherelatedapplications.ThehardwarecircuitincludingSTC12C5A60S2MCUminimumsystem,atemperaturemeasurementcircuit,clockcircuit,LCDdisplaycircuit,alarmcircuitandacommunicationmodulecircuit.Systemprogram,includingthemainprogram,aDS18B20communicationprogram,keyprogram,LCDdisplayprogramanddatastorageprocedure.Microcontrollerasthecoretemperatureacquisitionandcontrolsystemdevelopmentandapplicationhasgreatlyimprovedtheproductionlifeofthetemperaturecontrollevel,atthesametimethroughthetestresultsshowthatthedesignofthesystemisaccurate,andfeasible.

Keywords　Temperatureacquisition;DS18B20;MCUofSTC;Testprogram;Temperaturealarmcircuit

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摘要

Abstract

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第1章绪论

1.1课题背景及研究意义

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。

这类控制对象惯性大，滞后现象严重,存在很多不确定的因素，难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。

传统的继电器调温电路简单实用，但由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。

控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立，并且当扰动因素不明确时，参数调整不便仍是普遍存在的问题。

而采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。

数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。

由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。

更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测。

本设计就是基于单片机STC12C5A60S2温度控制系统的设计，通过本次课程实践，我们更加的明确了单片机的广泛用途和使用方法，以及其工作的原理。

1.2国内外研究和应用现状

1.国外温度测控系统研究

国外对温度控制技术研究较早，始于20世纪70年代。

先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。

80年代末出现了分布式控制系统。

目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。

现在世界各国的温度测控技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。

2.国内温度测控系统研究

我国对于温度测控技术的研究较晚，始于20世纪80年代。

我国工程技术人员在吸收发达国家温度测控技术的基础上，才掌握了温度室内微机控制技术，该技术仅限于对温度的单项环境因子的控制。

我国温度测控设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。

在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。

我国温度测量控制现状还远远没有达到工厂化的程度，生产实际中仍然有许多问题困扰着我们，存在着装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。

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，因此不适合用此种方法作加热炉的温控系统。

近几年来快速发展了多种先进的加热炉温度控制方式，如：

模糊控制。

这个控制技术大大提高了控制精度，不但是控制变得更简单，而且是产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。

不过，模糊控制系统动态性能好，单稳定性较差，而且很难使两种性能都达到理想要求。

目前普遍采用模糊-线性复合控制器发挥了模糊控制和线性控制的优点，是设计的系统取得了较好的动态和稳态指标。

但是模糊-线性复合控制同时也存在一些问题：

线性钱馈复合控制的系统性能对参数变化比较敏感；模糊-线性双模控制存在开关切换问题；在线性控制的误差通道并联模糊控制器系统和模糊控制器与线性控制器并联系统尽管得到了较好的效果，但并不能从根本上解决模糊控制器稳态性能和动态性能之间的矛盾问题。

1.3课题研究内容

1.温度控制原理

用户通过键盘输入系统设定温度上限值与下限值，温度信息由集温度测量和A／D转换于一体的DS18B20温度传感器测量并转换成数字信号输入主机，此信号经过标度转换后，通过LCD将温度显示出来；当测得的温度越限时，蜂鸣器报警。

基于STC12C5A60S2单片机，DS18B20将检测到的温度信号数字信号，并将信号送入单片机进行处理。

最后的温度值显示在液晶显示器上。

这些步骤是用来实现温度检测。

采用键盘接口芯片HD7279的设定温度值，通过单片机保持一定的温度，并用液晶显示器显示设定温度控制。

此外，时钟芯片DS1302是用来显示时间和外部的6264是用来保存数据。

如果温度超过上限和下限温度，报警将由蜂鸣器鸣叫报警。

这样就可以控制输出设备，实时调节温度的变化，使其逐渐趋于给定值且达到控制的目的。

2.系统硬件设计

系统的硬件结构主要由温度检测电路、按键扫描与系统框图中的显示

电路、报警电路、输出控制电路等部分组成。

温度检测及控制电路部分

本系统中温度检测电路选用美国DALLAS公司生产的一线数字温度传感器DS18B20实现。

该器件在使用中不需要外围元件，与单片机交换信息仅需要一根I／O线。

本系统中DQ管脚为数据线与STC的P1．3连接。

DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而提高了干扰能力。

在DS18B20内部，提供0．125℃的高分辨率的计算，温度以16位符号扩展的二进制补码的形式存于温度寄存器中。

当用户需的时候，DS18B20将通过单线接口串行发送数据。

人机对话部分的设计人机对话部分包括显示、键盘和报警三部分。

a.显示部分的设计。

在本设计中P0口和P1口的部分位，作为动态显示器的显示输出口。

段码由O口并行输出到4位LED显示器，位码由P1．4、P1．5、P1．6、P1．7轮流输出。

b.键盘的设计。

本系统中由于设定温度只需温度+、温度-和确认键3个键，故采用独立式按键。

在开机后输入设定温度值即可。

c.报警功能的实现。

当系统温度高于或低于设定温度时，P2．5口送出的低电平经反向器驱动蜂鸣器鸣叫报警。

3.系统软件设计

主要是DS18B20的子程序的编写。

DS18B20的主要数据原件有：

64位激光LasersROM，温度灵敏原件和非易失性温度报警触发器TH和TL。

DS18B20可以从总线获取电源，当信号线位高电平时，将能量贮存在外部电容器中；当单信号线为低电平时，将该电源断开，直到信号线变为高电平重新接上寄生（电容）电源为止。

此外，还可外接5V电源，给DS18B20供电，DS18BB20的供电方式灵活，利用外接电源还可增加系统的稳定性和可靠性。

4.对系统数据采集功能进行测试。

5.根据测试结果完成设计报告和期末答辩。

第2章系统设计的总体方案

2.1设计要求

1.设定温度的温度的上下限，使用LCD显示器显示所测得温度值，当

温度超过所设定的上下限使，蜂鸣器将会自动鸣叫报警；

2.使用STC12C5A60S2单片机和DS18B20（温度传感器，10个）在STC

实验板上成实验的仿真过程，写出设计报告书；

3.超调量σ%≤20%；温度误差≤±0.5℃。

2.2系统总体方案论述

本课题设计的是一种以STC单片机为主控制单元，以DS18B20为温度传感器的温度控制系统。

该控制系统可以实时存储相关的温度数据并记录当前的时间。

其主要包括：

电源模块、温度采集模块、按键处理模块、数据存储模块、LCD显示模块、超温报警电路以及单片机最小系统。

图2.1系统设计总体硬件框图

2.2.1主控单片机

在本次设计的温度控制系统中所使用的核心控制器是STC12C5A60S2单片机。

STC12C5A60S2单片机作为核心控制器，该单片机具有高可靠，廉价，功耗低，操作方便，I/O口多等优点。

该单片机属于双列直插式封装，有4组8位I/O口，P1、P2、P3属于准双向口，可作为普通输入输出IO口，P0口接上拉电阻后可作为普通I/O口使用。

该单片机具有3个定时计数器，1个全双工串行口。

此单片机具有6个中断源，3个定时计数器中断，2个外部中断，一个串口中断，内部有静态非易失性EEPROM和看门狗。

片内集成8Ｋ只读存储器（PEROM）,外扩后可有64K,具有256bytees的随机存储器（RAM），功能比较强。

晶振电路:

晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。

由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。

这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。

晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。

一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。

在此次设计的温度控制系统设计中,控制核心STC12C5A60S2单时钟/机器周期（IT）单片机有32个I/O口,其外部晶振为12MHz,一个指令周期为1/12us.使用该单片机完全可以完成设计任务,其最小系统主要包括:

复位电路,震荡电路等,电路如下图2.2所示。

图2.2单片机最小电路图

2.2.2温度传感器

本次设计中所采用的温度传感器是美国达拉斯（DALLAS）半导体公司推出的应用单总线技术的DS18B20数字温度传感器。

DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。

主要根据应用场合的不同而改变其外观。

封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。

耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

在此次设计的温度控制系统中，采用的是多路测温电路，所以DS18B20温度传感器与主控单片机的连接方式如下图2.3所示。

图2.3外部供电方式的多点测温电路图

2.2.3LCD显示器

在此设计中需要显示设定温度的上下限，并且还要同时显示多路温度传感器所测得温度值，所以此次的LCD显示器选用的是128×64型号。

其引脚及连接如图2.4所示。

带中文字库的128×64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16×16点汉字，和128个16×8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。

可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示，低电压低功耗是其又一显著特点。

由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。

LCD的基本特性:

1.低电源电压（VDD:

+3.0--+5.5V）

2.显示分辨率:

128×64点

3.内置汉字字库，提供8192个16×16点阵汉字（简繁体可选）

4.内置128个16×8点阵字符

5.2MHZ时钟频率

6.显示方式：

STN、半透、正显

7.驱动方式：

1/32DUTY，1/5BIAS

8.视角方向：

6点

9.背光方式：

侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/5—1/10

10.通讯方式：

串行、并口可选

11.内置DC-DC转换电路，无需外加负压

12.无需片选信号，简化软件设计

13.工作温度:

0℃-+55℃,存储温度:

-20℃-+60℃

图2.4LCD12864液晶管脚图

2.3系统调试所用软件简述

单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件。

Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。

KEIL软件简单易学，能对程序进行编译，连接等。

2.3.1Keil软件简介

KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。

运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。

如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。

KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。

另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。

在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

C51工具包的整体结构，uVision与Ishell分别是C51forWindows和forDos的集成开发环境（IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。

开发人员可用IDE本身或其它它编辑编辑器C或汇编源文件。

然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件（.OBJ）。

目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件（.ABS）。

ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。

2.3.2Keil软件调试过程

单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件。

Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。

Keil软件简单易学，能对程序进行编译，连接等。

下面是我用KEIL对程序进行调试的过程。

图2.5KEIL调试文件建立

工程的建立：

建立一个.C的文件，同时再建立一个和前面的文件名一样的文件夹,选择好CPU，使用STC12C5A60S2，同时设好晶振频率，我们用的是12MHZ，如上图。

建立好文件后，就可以进行编译、链接、运行。

编译窗口如下。

图2.6编译检查

编译后显示0个错误，有两个警告，但是不影响程序的下载，使用STC下载软件进行下载之后程序就存储在STC12C5A60S2的ROM中，通过单片机来运行程序就可以方便检查出硬件出现的错误。

等所以硬件都无误之后，将所有程序模块整合起来就可以实现所要的功能。

2.3.3KEIL使用时注意事项

1.仿真器标配11.0592MHz的晶振，但用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频率的晶振。

2.仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片，不复位目标系统。

3.仿真芯片的31脚（/EA）已接至高电平，所以仿真时只能使用片内ROM，不能使用片外ROM；但仿真器外引插针中的31脚并不与仿真芯片的31脚相连，故该仿真器仍可插入到扩展有外部ROM（其CPU的/EA引脚接至低电平）的目标系统中使用。

2.4本章小结

本章主要论述了此次设计系统的总体结构，并简单介绍了设计中使用的单片机，温度传感器等元件的电路连接，最后还介绍了系统调试时所使用的软件及调试过程，本章主要是总体的论述一番，为后面的设计做好铺垫。

第3章主控单片机及温度传感器

3.1STC12C5A60S2单片机简介

STC12C5A60S2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。

图3.1STC12C5A60S2单片机外形图

3.1.1STC12C5A60S2系列单片机的主要特点

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：

STC12C5A60S2系列工作电压：

5.5V-3.3V（5V单片机）STC12C5A60S2系列工作电压：

3.6V-2.2V（3V单片机）。

3.工作频率范围：

0-35MHz，相当于普通8051的0～420MHz

4.片上集成1280字节RAM。

5.通用I/O口（36/40/44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，但整个芯片最大不要超过55mA。

6.IS