基于单片机应用的温度控制器设计.docx
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基于单片机应用的温度控制器设计
南京信息职业技术学院
毕业设计论文
作者:
王凯翔学号:
11014P47
系部:
电子信息学院
专业:
电子信息工程
题目:
基于单片机应用的温度控制器
指导教师:
顾振飞
评阅教师:
完成时间：
2013年4月9日
毕业设计（论文）中文摘要
基于单片机应用的温度控制器
摘要：
随着社会的进步和工业技术的发展，人们越来越重视温度对产品的影响，许多产品对温度范围要求严格，目前市场上普遍存在的问题有温度信息传递不及时、精度不够的缺点，不利于工业控制者根据温度变化及时做出决定。
在这样的形式下，开发一种实时性高、精度高的温度采集系统就很有必要。
本文叙述了用STC12C5A60S2单片机作为控制器，用NTC热敏电阻制作的温度传感器实现温度测量，该方案根据热敏电阻随温度变化而变化的特性，采用串联分压电路单片机采集热敏电阻的电压，通过A/D转换将模拟量电压信号转换成数字量电压信号，同时用PID算法计算出PWM占空比来控制加热时间。
经过查表转换得到温度值，控制数码管实时显示温度值并用LED灯报警。
关键词：
STC12C5A60S2单片机热敏电阻传感器PID算法，PWM
毕业设计（论文）外文摘要
Title:
Basedonsinglechipmicrocomputertemperaturecontroller
Abstract:
Alongwithsociety'sprogressandthedevelopmentofindustrialtechnology,peoplepaymoreandmoreattentiontoeffectsoftemperatureontheproducts,manyproductstostricttemperaturerange,commononthemarketatpresentproblemsexistinginthetemperatureinformationisnottimely,theshortcomingsofaccuracyisnotenough,isnotconducivetoindustrialcontrolleraccordingtothetemperaturechangetomakeadecisioninatimelymanner.Insuchaform,todevelopahighreal-time,highprecisionoftemperatureacquisitionsystemisverynecessary.
IsdescribedinthisarticleUSESSTC12C5A60S2single-chipmicrocomputerasthecontroller,madeofNTCthermistortemperaturesensortemperaturemeasurement,theschemeaccordingtothecharacterofthethermalresistancechangesovertemperature,adoptseriesmicrocontrollercollectionofthermistorvoltagebleedercircuit,analogvoltagesignalbyA/Dconversionvoltagesignalintothedigitalquantity,atthesametime,usingPIDalgorithmtocalculatethePWMdutyratiocontroltheheatingtime.Throughtablelookuptransformationtemperature,temperaturecontroldigitaltuberealtimedisplayandalarmleds.
keywords:
STC12C5A60S2microcontroller,thermistorsensor,PIDalgorithmandPWM
第一章前言...............................................................1
1.1设计背景............................................................1
1.2设计的主要内容及参数.................................................2
第二章温度控制系统总体设计...............................................2
2.1温度控制的控制流程...................................................2
2.2总体方案设计.........................................................3
第三章主要元器件选择.....................................................4
3.1NTC热敏电阻传感器...................................................4
3.2微处理器............................................................7
3.3显示器...............................................................9
第四章系统硬件设计......................................................10
4.1单片机最小系统.......................................................11
4.2按键电路...........................................................12
4.3数码管显示电路.......................................................12
4.4报警电路.............................................................13
4.5硬件实物电路.........................................................14
第五章系统软件设计......................................................14
5.1软件总体设计.........................................................14
5.2数据采集程序设计.....................................................15
5.3数据处理程序设计.....................................................15
5.4数码管显示程序设计...................................................21
5.5按键程序设计.........................................................22
5.6报警程序设计.........................................................22
第六章总结..............................................................22
第七章结束语............................................................23
第八章致谢..............................................................23
参考文献.................................................................24
附录1系统电路图.........................................................25
附录2PCB图..............................................................26
附录3程序清单...........................................................27
第一章引言
1.1设计背景
在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。
无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。
自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。
在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。
温度对于工业如此重要，由此推进了温度传感器的发展。
进入21世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
在工农业生产中，温度检测及其控制占有举足轻重的地位，随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，能够独立工作的温度检测和显示系统已经应用于诸多领域。
要达到较高的测量精度需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差等问题，使温度检测复杂化。
模拟信号在长距离传输过程中，抗电磁干扰时令设计者伤脑筋的问题，对于多点温度检测的场合，各被检测点到监测装置之间引线距离往往不同，此外，各敏感元件参数的不一致，这些都是造成误差的原因，并且难以完全清除。
单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其在日常生活中也发挥越来越大的作用。
采用单片机对温度采集进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控数据的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。
由于科学技术的飞速发展，特别是微电子加工技术，计算机技术及信息处理技术的发展，人们对信息资源的需求日益增长，作为提供信息的传感技术及传感器愈来愈引起人们的重视，而综合各种技术的传感器技术也进入到一个飞速的发展阶段。
要及时正确地获取各种信息，解决工程、生产及科研中遇到的各种具体的检查问题，就必须合理选择和善于应用各种传感器及传感技术。
如最简单的温度的测量，有热电偶、光纤温度传感器等等。
但是，热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器。
热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，利用的原理是温度引起电阻变化。
热敏电阻器是敏感元件的一类,按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。
热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。
正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。
随着半导体技术的不断发展，热敏电阻作为一种新型感温元件应用越来越广泛。
他具有体积小、灵敏度高、重量轻、热惯性小、寿命长以及价格便宜等优点,最重要的是作为温度传感器的热敏电阻的灵敏度非常高，这是其他测温传感器所不能比拟的。
1.2设计的主要内容及参数
要求温度控制系统完成以下功能：
1.基本功能
1）温度上、下限报警值设定；温度上、下限报警；
2）目标温度值设定；
3）设定温度、测量温度显示；
4）手动/自动方式设定；
5）手动/自动控制。
2.扩展功能
1）用红外遥控器实现上述功能；
2）实现温度的存储、调用。
3）其它功能
3.参数
1）控温范围为30-70℃；
2）测温误差<±1℃
第2章温度控制系统总体设计
2.1温度控制的控制流程
图2.1控制流程图
如上图2.1所示将采集的温度T转换为Rt,根据电路图进行分压得到电压信号U，此时通过AD采集转换输送到MCU单片机，再进行反馈回去通过对半查表法得到温度T，在数码管上实时显示温度值。
2.2总体方案设计
本次实验的被测温度原件为NTC热敏电阻，我们知道热敏电阻是随着温度变化电阻从而变化的，所以我们只需要对电阻进行检测就能反映出温度变化了。
由于单片机不能直接识别非电量，所以又要将电阻转化为电压信号才能被AD转换器采集,采集的信号就能发送给单片机处理了。
通过用PID算法，PWM（脉冲宽度控制）和对半查表法就能实现温度的控制及上下限报警，并将温度值显示在数码管上。
下图为温度控制模块。
图2.2温度控制模块图
将电阻信号转化为电压信号公式：
U=5
×Rt/（10K+Rt），三极管起放大作用。
那么怎么根据电压信号反馈回去检测温度呢？
公式Rt=10（5-u）/u，当算出电阻值后，就能根据温度特性表对半查表法检测温度。
第3章主要元器件选择
3.1NTC热敏电阻传感器
测量温度的关键是温度传感器，因此需要灵敏度高、测温范围宽、稳定性好，同时还要考虑成本和实际情况，经考虑这些问题后最终选择了NTC热敏电阻。
热敏电阻的主要特点是：
①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化；②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃；③体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；④使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择；⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产；⑥稳定性好、过载能力强。
该设计的热敏电阻型号：
MF52-103/343510K ±1％精度B值：
3435 ±1％
1、型号说
MF
52
103
H
3470
F
A
NTC热敏电阻
环氧系列
电阻值
阻值允差
B值
B值允差
B值类别
10KΩ
±5%
3470K
±1%
B25/50
2、电气性能
序号
项目
符号
测试条件
最小值
正常值
最大值
单位
3-1.
25℃的电阻值
R25
Ta=25±0.05℃
PT≦0.1mw
9.9
10.0
10.1
kΩ
3-2.
50℃的电阻值
R50
Ta=50±0.05℃
PT≦0.1mw
/
4.0650
/
kΩ
3-3.
B值
B25/50
3436
3470
3504
K
3-4.
耗散系数
σ
Ta=25±0.5℃
2.0
/
/
mw/℃
3-5.
时间常数
τ
Ta=25±0.5℃
/
/
15
sec
3-6.
绝缘电阻
/
500VDC
50
/
/
MΩ
3-7.
使用温度范围
/
/
-55
/
+125
℃
3、机械试验
项目
技术要求
测试条件及方法
4-1.可焊性
引出端焊料自由流动和浸润良好，上锡面积95%以上
将引出端沾助焊剂后，浸入温度为230±5℃锡槽中，锡面距NTC本体下端2-2.5mm处，持续2±0.5S
（参照IEC60068-2-20试验Ta/GB2423.28 Ta）
4-2.耐焊接热
无可见性损伤
ΔR/R25≤±2%
将引出端浸入温度为260±5℃锡槽中，锡面距NTC本体下端5mm处持续5±1S
（参照IEC60068-2-20试验Tb/GB2423.28 Tb）
4-3.引出端强度
无脱落
ΔR/R25≤2%
试验Ua：
拉力5N，持续10S；
（参照IEC60068-2-21 / GB2423.29 U试验）
4、可靠性试验
序号
项目
技术要求
测试条件及方法
5-1.
高温试验
ΔR/R25≤±2%
125±5℃，通电1000±24h，DC0.2mA
（参照IEC60068-2-2/GB2423.2试验）
5-2.
低温试验
ΔR/R25≤±2%
-55±5℃，通电1000±24h，DC0.2mA
（参照IEC60068-2-1/GB2423.1试验）
5-3.
耐潮湿试验
ΔR/R25≤±2%
40±2℃,90%-95%RH环境下放置100±24h
（参照IEC60068-2-3/GB2423.3试验）
5-4.
温度冷热循环试验
ΔR/R25≤±2%
–55℃×30min→80℃×5min→125℃×30min→80℃×5min，反复5次
（参照IEC60068-2-14/GB2423.22试验）
5、使用注意事项
将产品引线裁剪成所需要的长度，注意最小长度≧5mm。
由于NTC的阻值随温度的上升而下降，其阻值和温度呈非线性特性，因此必须采用一定的方法对曲线进行线性化处理。
其测量原理是利用通过测量其阻值，通过其温度特
性曲线便可求的环境温度。
但因为温度不便于测量且不便于其他电路处理。
通常是将电阻的变化转化为电压的变化通过测量电压变化测得温度的变化。
由于采集到的电压信号是模拟信号，不能被数字系统处理，因此必须通过AD转换器，将模拟信号转换成数字信号。
一般AD转换器的基准电压要求为2.5v，而采集到的电压信号很微弱，必需经过放大后才能送给AD转换器，因此在系统中还必须有信号放大的信号调理电路。
该系统要求具有报警和控温功能，因此必须有报警装置和控温元件，报警装置可以蜂鸣器和发光二极管来实现。
而控温可以制作一个加热器作为控温元件，系统要求能采用适当的方法来实现改变系统的超调量和调节时间，因此可以采用脉冲宽度调制来实现。
报警装置和控温装置可以通过三极管来驱动。
该系统应该有一个控制器，用以控制温度的显示报警和温度控制等功能。
该控制器可以采用单片机，FPGA，或者DSP来实现。
3.2微处理器
目前在单片机系统中，应用比较广泛的微处理芯片主要为8XC5X系列单片机。
该系列单片机均采用标准MCS-51内核，硬件资源相互兼容，品类齐全，功能完善，性能稳定，体积小，价格低廉，货源充足，调试和编程方便，所以应用极为广泛。
例如比较常用的AT89C2051单片机，带有2KBFlash可编程、可擦除只读存储器的低压、高性能8位CMOS微型计算机。
拥有15条可编程I/O引脚，2个16位定时器/计数器，6个中断源，可编程串行UART通道，并能直接驱动LED输出。
本系统采用新一代的8051单片机——STC12C5A60S2，由国内宏晶科技生产，其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，其工作电压范围是3.5V~5.5V。
STC12C5A60S2有60KB的用户应用程序空间，256B的RAM和1024B的XRAM。
能满足程序代码的需求和缓冲区定义的需求。
另外与程序存储空间独立的一片闪存区域，可在应用编程中作EEPROM使用。
STC12C5A60S2有双UART以及ISP串口，串口资源足够系统使用。
另外通过宏晶科技提供的软件，使用UART可很容易地实现程序下载。
STC12C5A60S2有36个通用I/O口，大部分可位控，并且有强推挽输出的能力，足够系统使用。
还拥有4个16bit定时器和一个独立的波特率发生器，另外还有两个PCA模块，能获得丰富的定时器资源。
STC12C5A60S2有PDIP-40封装的芯片，易于快速进入实验。
封装引脚图如图3.1所示。
图3.1STC12C5A60S2芯片PDIP封装引脚图
STC12C5A60S2主要性能：
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．STC12C5A60S2系列工作电压：
3.3V-5.5V；STC12LE5A60S2系列工作电压：
3.6V-2.2V。
3．工作频率范围：
0-35MHz，相当于普通8051的0-420MHz。
4．用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节等。
5．片上集成1280字节RAM。
6．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。
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．有EEPROM功能（STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM）。
9．看门狗。
10．内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）。
11．外部掉电检测电路：
在P4.6口有一个低压门槛比较器。
5V单片机为1.32V，误差为±5%；3.3V单片机为1.30V，误差为±3%。
12．时钟源：
外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器（温漂为±5%到±10%以内）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：
5.0V单片机为：
11MHz～15.5MHz；3.3V单片机为：
8MHz～12MHz。
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，以实际测试为准。
13．共4个16位定时器，两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器。
做串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器。
14.2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟。
15．外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，PowerDown模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2，INT1/P3.3,T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3（也可通过寄存器设置到P4.2），CCP1/P1.4（也可通过寄存器设置到P4.3）。
16．PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路），也可用来当2路D/A使用，也可用来再实现2
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