基于单片机的温度控制器设计热敏电阻.doc
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1、重庆科技学院智能仪器仪表设计及调试课程设计报告学 院:_电气及信息工程学院_ 专业班级: 学生姓名: 学 号: 设计地点(单位)_逸夫科技大楼I506_ _ _设计题目:_基于单片机温度控制器设计_ 完成日期:2012 年 6 月 29 日 指导教师评语: _ _ _ _ 成绩(五级记分制):_ _ 指导教师(签字):_ _ 摘 要随着社会进步与工业技术发展,人们越来越重视温度对产品影响,许多产品对温度范围要求严格,目前市场上普遍存在问题有温度信息传递不及时、精度不够缺点,不利于工业控制者根据温度变化及时做出决定。在这样形式下,开发一种实时性高、精度高温度采集系统就很有必要。本课题用一种基于单
2、片机数据采集系统方案,该方案根据热敏电阻随温度变化而变化特性,采用串联分压电路。单片机采集热敏电阻电压,通过A/D转换将模拟量电压信号转换成数字量电压信号,经过查表转换得到温度值,控制数码管实时显示温度值。本系统中所用到器件是STC12C5A60S2单片机、NTC热敏电阻与数码管。关键词:温度控制器 SC12C5A60S2单片机 A/D转换 对半查表法 PID算法 ABSTRACTWith the social progress and development of industrial technology, more and more attention to the impact of
3、temperature on the products, many products on the critical temperature range, temperature information transmission is not timely, not enough precision shortcomings of a common problem on the market today, do notconducive to industrial control based on temperature changes and make timely decisions. I
4、n this form, to develop a real-time, high precision temperature acquisition system is necessary. This topic with a microcontroller-based data acquisition system program, which according to the characteristics of the thermistor varies with temperature changes, the series voltage divider circuit. The
5、microcontroller collection thermistor voltage, the analog voltage signal by the A / D converter to convert the voltage signal of the digital conversion temperature control digital tube temperature value is displayed in real time after the look-up table. The devices used in this system is STC12C5A60S
6、2 microcontroller, NTC thermistor and digital tube.Keywords: Temperature controller; SC12C5A60S2 microcontroller; A / D converter; Half look-up table method; PID algorithm目 录摘 要2ABSTRACT31 绪论51.1 研究温度控制系统背景、目及意义51.2 设计主要内容及技术指标61.3 数据采集系统简单介绍62 温度控制系统总体设计82.1 总体需求82.2 总体方案设计83 硬件电路设计及分析93.1 单片机最小系统9
7、3.2 温度控制模块123.3 显示器133.4 按键电路143.5 LED指示灯报警模块144 软件设计及分析154.1 软件总体设计154.2 A/D转换模块原理154.3 室温补偿及查表程序设计164.4 按键设计174.5 PID算法184.6 系统调试205 总结21参考文献22致谢23附录1 系统电路图24附录2 PCB图25附录3 程序清单261 绪论1.1 研究温度控制系统背景、目及意义在人类生活环境中,温度扮演着极其重要角色。无论你生活在哪里,从事什么工作,无时无刻不在及温度打着交道。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联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃
8、、医药等等行业,可以说几乎80%工业部门都不得不考虑着温度因素。温度对于工业如此重要,由此推进了温度传感器发展。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、开发虚拟传感器与网络传感器、研制单片测温系统等高科技方向迅速发展。在工农业生产中,温度检测及其控制占有举足轻重地位,随着现代信息技术飞速发展与传统工业改造逐步实现 ,能够独立工作温度检测与显示系统已经应用于诸多领域。要达到较高测量精度需要很好解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题与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问题,对于多点温度检测场
9、合,各被检测点到监测装置之间引线距离往往不同,此外,各敏感元件参数不一致,这些都是造成误差原因,并且难以完全清除。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低与开发周期短等优点,成为自动化与各个测控领域中必不可少且广泛应用器件,尤其在日常生活中也发挥越来越大作用。采用单片机对温度采集进行控制,不仅具有控制方便、组态简单与灵活性大等优点,而且可以大幅度提高被控数据技术指标,从而能够大大提高产品质量与数量。由于科学技术飞速发展,特别是微电子加工技术,计算机技术及信息处理技术发展,人们对信息资源需求日益增长,作为提供信息传感技术及传感器愈来愈引起人们重视,而综合各种技术传感器技术也进入到一个飞速发展阶
10、段。要及时正确地获取各种信息,解决工程、生产及科研中遇到各种具体检查问题,就必须合理选择与善于应用各种传感器及传感技术。如最简单温度测量,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、发展较成熟敏感元器。热敏电阻由半导体陶瓷材料组成,利用原理是温度引起电阻变化。热敏电阻器是敏感元件一类,按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器(PTC)与负温度系数热敏电阻器(NTC)。热敏电阻器典型特点是对温度敏感,不同温度下表现出不同电阻值。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。随着半导体技术不断发展
11、,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,最重要是作为温度传感器热敏电阻灵敏度非常高,这是其他测温传感器所不能比拟。1.2 设计主要内容及技术指标要求温度控制系统完成以下功能: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)实现温度存储、调用。3)其它功能技术指标:控温范围为30-70C;测温误差11.3 数据采集系统简单介绍随着自动控制发展,数据采集越来越被广泛应用,如医疗、工业等
12、方面,数据采集是指将温度,压力,流量,位移等模拟量通过各种传感元件做适当转换后,再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤采集,转换成数字量后,传给PC 机进行存储,处理,显示或打印过程,相应系统称为数据采集系统,可分为以下几种:本次课程设计采用是单片机形式数据采集系统:它是由单片机及其些外围芯片构成数据采集系统,是近年来微机技术快速发展结果,它具有如下特点:(1) 系统不具有自主开发能力,因此,系统软硬件开发必须借助开发工具。(2) 系统软硬件设计及配置规模都是以满足数据采集系统功能要求为原则,因此系统软硬件应用配置具有最佳性价比。系统软件一般都有应用程序。(3) 系统可靠性好、使用方便。应
13、用程序在ROM 中运行不会因外界干扰而破坏,而且上电后系统立即进入用户状态。2 温度控制系统总体设计2.1 总体需求结合当前我设计及实际情况,具有以下任务需求:利用STC12C5A60S2单片机与负温度系数热敏电阻组合编程实现温度实时测量与数码管显示。温度测量范围为-30至70,当按下报温键时,系统通过监测热敏电阻两端电压,经过计算得到实时温度值,再显示出来。2.2 总体方案设计温度控制系统主要由温度传感器(热敏电阻),A/D转换器,单片机(STC12C5A60S2),按键设置与数码管显示组成。其系统框图如图2.1: 图2.1 系统结构框图3 硬件电路设计及分析3.1 单片机最小系统目前在单片
14、机系统中,应用比较广泛微处理芯片主要为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,调试与编程方便,所以应用极为广泛。例如比较常用AT89C2051单片机,带有2KB Flash可编程、可擦除只读存储器低压、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6-7。本系统采用新一代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
15、用复位电路,其工作电压范围是3.5V5.5V。STC12C5A60S2有60KB用户应用程序空间,256BRAM与1024BXRAM。能满足程序代码需求与缓冲区定义需求。另外及程序存储空间独立一片闪存区域,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,并且有强推挽输出能力,足够系统使用。还拥有4个16bit定时器与一个独立波特率发生器,另外还有两个PCA模块,能获得丰富定时器资源。STC12C5A60S2有PDI
16、P-40封装芯片,易于快速进入实验。封装引脚图如图3.1所示。图3.1 STC12C5A60S2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。2STC12C5A60S2系列工作电压:3.3V- 5.5V;STC12LE5A。3工作频率范围:0-35MHz,相当于普通80510-420MHz。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
17、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。7ISP(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:。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
18、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。;3.3V单片机为:8MHz12MHz。 精度要求不高时,可选择使用内部时钟,但因为有制造误差与温漂,以实际测试为准。13共4个16位定时器,两个及传统8051兼容定时器/计数器,16位定时器T0与T1,没有定时器2,但有独立波特率发生器。做串行通讯波特率发生器,再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器。15外部中断I/O口7路,传统下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断PCA模块,Power Down模式可由外部中断唤醒,CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P
19、4.2 ),CCP1/P1.4 (也可通过寄存器设置到P4.3)。16PWM(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个定时器,也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)。17A/D转换,10位精度ADC,共8路,转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)。18通用全双工异步串行口(UART),由于STC12系列是高速8051,可再用定时器或PCA软件实现多串口。19STC12C5A60S2系列有双串口,后缀有S2标志才有双串口,RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2),TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.
20、3)。20工作温度范围:-40 - +85(工业级) /0 - 75(商业级)。21封装:PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48,I/O口不够时,可用2到3根普通I/O口线外接,74HC164/165/595(均可级联)来扩展I/O口,还可用A/D做按键扫描来节省I/O口,或用双CPU,三线通信,还多了串口。单片机最小系统由CUP 芯片、时钟电路(外接11.0592HZ 晶振),与复位电路组成。其电路图如图所示: 图 单片机最小系统3.2 温度控制模块 温度控制模块硬件图如图3.2:其中所用热敏电阻型号是MF52-103/3435 10K 1精度 B值:3435。热敏电阻主要特点是:灵
21、敏度较高,其电阻温度系数要比金属大10100倍以上,能检测出10-6温度变化;工作温度范围宽,常温器件适用于-55315,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-27355;体积小,能够测量其他温度计无法测量空隙、腔体及生物体内血管温度;使用方便,电阻值可在0.1100k间任意选择;易加工成复杂形状,可大批量生产;稳定性好、过载能力强MF52 10K 3470 温 度 特 性 表R25=10K B(25/50)=3470KT()R(K)T()R(K)T()R(K)T()R(K)-40 190.5562 -27 99.5847 -14 53.1766 -1 29.2
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