基于單片機(jī)溫度控制器設(shè)計(jì)(熱敏電阻)

1、重慶科技學(xué)院 基于單片機(jī)的溫度控制器設(shè)計(jì)重慶科技學(xué)院智能儀器儀表的設(shè)計(jì)與調(diào)試課程設(shè)計(jì)報(bào)告 學(xué) 院:_電氣與信息工程學(xué)院_ 專業(yè)班級: 學(xué)生姓名: 學(xué) 號(hào): 設(shè)計(jì)地點(diǎn)（單位）_逸夫科技大樓I506_ _ _設(shè)計(jì)題目:_基于單片機(jī)的溫度控制器設(shè)計(jì)_ 完成日期：2012 年 6 月 29 日 指導(dǎo)教師評語: _ _ _ _ 成績（五級記分制）:_ _ 指導(dǎo)教師（簽字）:_ _ 摘 要隨著社會(huì)的進(jìn)步和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，人們越來越重視溫度對產(chǎn)品的影響，許多產(chǎn)品對溫度范圍要求嚴(yán)格，目前市場上普遍存在的問題有溫度信息傳遞不及時(shí)、精度不夠的缺點(diǎn)，不利于工業(yè)控制者根據(jù)溫度變化及時(shí)做出決定。在這樣的形式下，開發(fā)一種

2、實(shí)時(shí)性高、精度高的溫度采集系統(tǒng)就很有必要。本課題用一種基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案，該方案根據(jù)熱敏電阻隨溫度變化而變化的特性，采用串聯(lián)分壓電路。單片機(jī)采集熱敏電阻的電壓，通過A/D轉(zhuǎn)換將模擬量電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量電壓信號(hào)，經(jīng)過查表轉(zhuǎn)換得到溫度值，控制數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示溫度值。本系統(tǒng)中所用到的器件是STC12C5A60S2單片機(jī)、NTC熱敏電阻和數(shù)碼管。關(guān)鍵詞：溫度控制器 SC12C5A60S2單片機(jī) A/D轉(zhuǎn)換 對半查表法 PID算法 ABSTRACTWith the social progress and development of industrial technology, more an

3、d more attention to the impact of 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 ch

4、anges and make timely decisions. In 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 cha

5、nges, the series voltage divider circuit. The 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.

6、The devices used in this system is STC12C5A60S2 microcontroller, NTC thermistor and digital tube.Keywords: Temperature controller; SC12C5A60S2 microcontroller; A / D converter; Half look-up table method; PID algorithm目 錄摘 要2ABSTRACT31 緒論51.1 研究溫度控制系統(tǒng)的背景、目的及意義51.2 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及技術(shù)指標(biāo)61.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡單介紹62 溫度控制系統(tǒng)

7、總體設(shè)計(jì)82.1 總體需求82.2 總體方案設(shè)計(jì)83 硬件電路設(shè)計(jì)及分析93.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)93.2 溫度控制模塊123.3 顯示器133.4 按鍵電路143.5 LED指示燈報(bào)警模塊144 軟件設(shè)計(jì)與分析154.1 軟件總體設(shè)計(jì)154.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊原理154.3 室溫補(bǔ)償及查表程序設(shè)計(jì)164.4 按鍵設(shè)計(jì)174.5 PID算法184.6 系統(tǒng)調(diào)試205 總結(jié)21參考文獻(xiàn)22致謝23附錄1 系統(tǒng)電路圖24附錄2 PCB圖25附錄3 程序清單261 緒論1.1 研究溫度控制系統(tǒng)的背景、目的及意義在人類的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。無論你生活在哪里，從事什么工作，無時(shí)無刻不在與

8、溫度打著交道。自18世紀(jì)工業(yè)革命以來，工業(yè)發(fā)展對是否能掌握溫度有著絕對的聯(lián)系。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等等行業(yè)，可以說幾乎80%的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的因素。溫度對于工業(yè)如此重要，由此推進(jìn)了溫度傳感器的發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)后，溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，溫度檢測及其控制占有舉足輕重的地位，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實(shí)現(xiàn) ，能夠獨(dú)立工作的溫度檢測和顯示系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。要達(dá)到較高的測量精度需要很好的解決引線誤差補(bǔ)償問題、多點(diǎn)測量切換誤差問

9、題和放大電路零點(diǎn)漂移誤差等問題，使溫度檢測復(fù)雜化。模擬信號(hào)在長距離傳輸過程中，抗電磁干擾時(shí)令設(shè)計(jì)者傷腦筋的問題，對于多點(diǎn)溫度檢測的場合，各被檢測點(diǎn)到監(jiān)測裝置之間引線距離往往不同，此外，各敏感元件參數(shù)的不一致，這些都是造成誤差的原因，并且難以完全清除。單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價(jià)低和開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，成為自動(dòng)化和各個(gè)測控領(lǐng)域中必不可少且廣泛應(yīng)用的器件，尤其在日常生活中也發(fā)揮越來越大的作用。采用單片機(jī)對溫度采集進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控?cái)?shù)據(jù)的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。由于科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是微電子加工技術(shù)，計(jì)算機(jī)

10、技術(shù)及信息處理技術(shù)的發(fā)展，人們對信息資源的需求日益增長，作為提供信息的傳感技術(shù)及傳感器愈來愈引起人們的重視，而綜合各種技術(shù)的傳感器技術(shù)也進(jìn)入到一個(gè)飛速的發(fā)展階段。要及時(shí)正確地獲取各種信息，解決工程、生產(chǎn)及科研中遇到的各種具體的檢查問題，就必須合理選擇和善于應(yīng)用各種傳感器及傳感技術(shù)。如最簡單的溫度的測量，有熱電偶、光纖溫度傳感器等等。但是，熱敏電阻是開發(fā)早、種類多、發(fā)展較成熟的敏感元器。熱敏電阻由半導(dǎo)體陶瓷材料組成，利用的原理是溫度引起電阻變化。熱敏電阻器是敏感元件的一類,按照溫度系數(shù)不同分為正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）。熱敏電阻器的典型特點(diǎn)是對溫度敏感，不同的

11、溫度下表現(xiàn)出不同的電阻值。正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）在溫度越高時(shí)電阻值越大，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）在溫度越高時(shí)電阻值越低，它們同屬于半導(dǎo)體器件。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，熱敏電阻作為一種新型感溫元件應(yīng)用越來越廣泛。他具有體積小、靈敏度高、重量輕、熱慣性小、壽命長以及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),最重要的是作為溫度傳感器的熱敏電阻的靈敏度非常高，這是其他測溫傳感器所不能比擬的。1.2 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及技術(shù)指標(biāo)要求溫度控制系統(tǒng)完成以下功能：1.基本功能1）溫度上、下限報(bào)警值設(shè)定；溫度上、下限報(bào)警；2）目標(biāo)溫度值設(shè)定；3）設(shè)定溫度、測量溫度顯示；4）手動(dòng)/自動(dòng)方式設(shè)定；5）手動(dòng)/自動(dòng)控制。2. 擴(kuò)展功

12、能 1）用紅外遙控器實(shí)現(xiàn)上述功能； 2）實(shí)現(xiàn)溫度的存儲(chǔ)、調(diào)用。3）其它功能技術(shù)指標(biāo)：控溫范圍為30-70ºC；測溫誤差<±11.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡單介紹隨著自動(dòng)控制的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集越來越被廣泛應(yīng)用，如醫(yī)療、工業(yè)等方面，數(shù)據(jù)采集是指將溫度，壓力，流量，位移等模擬量通過各種傳感元件做適當(dāng)轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E采集，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，傳給PC 機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)，處理，顯示或打印的過程，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可分為以下幾種：1.基于通用微型計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2.基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3.基于DSP數(shù)字信號(hào)微處理器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本次課程設(shè)計(jì)采用的是

13、單片機(jī)形式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：它是由單片機(jī)及其些外圍芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是近年來微機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的結(jié)果，它具有如下特點(diǎn):(1) 系統(tǒng)不具有自主開發(fā)能力，因此，系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)必須借助開發(fā)工具。(2) 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與配置規(guī)模都是以滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能要求為原則，因此系統(tǒng)的軟硬件應(yīng)用配置具有最佳的性價(jià)比。系統(tǒng)的軟件一般都有應(yīng)用程序。(3) 系統(tǒng)的可靠性好、使用方便。應(yīng)用程序在ROM 中運(yùn)行不會(huì)因外界的干擾而破壞，而且上電后系統(tǒng)立即進(jìn)入用戶狀態(tài)。2 溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 總體需求結(jié)合當(dāng)前我的設(shè)計(jì)及實(shí)際情況，具有以下任務(wù)需求：利用STC12C5A60S2單片機(jī)和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的組合編程實(shí)

14、現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)測量和數(shù)碼管顯示。溫度的測量范圍為-30至70，當(dāng)按下報(bào)溫鍵時(shí)，系統(tǒng)通過監(jiān)測熱敏電阻兩端電壓，經(jīng)過計(jì)算得到實(shí)時(shí)溫度值，再顯示出來。2.2 總體方案設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)主要由溫度傳感器（熱敏電阻），A/D轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)（STC12C5A60S2），按鍵設(shè)置和數(shù)碼管顯示組成。其系統(tǒng)框圖如圖2.1： 圖2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3 硬件電路設(shè)計(jì)及分析3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)目前在單片機(jī)系統(tǒng)中，應(yīng)用比較廣泛的微處理芯片主要為8XC5X系列單片機(jī)。該系列單片機(jī)均采用標(biāo)準(zhǔn)MCS-51內(nèi)核，硬件資源相互兼容，品類齊全，功能完善，性能穩(wěn)定，體積小，價(jià)格低廉，貨源充足，調(diào)試和編程方便，所以應(yīng)用極為廣泛。例如比較

15、常用的AT89C2051單片機(jī)，帶有2KB Flash可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器的低壓、高性能8位CMOS微型計(jì)算機(jī)。擁有15條可編程I/O引腳，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，6個(gè)中斷源，可編程串行UART通道，并能直接驅(qū)動(dòng)LED輸出6-7。本系統(tǒng)采用新一代的8051單片機(jī)STC12C5A60S2，由國內(nèi)宏晶科技生產(chǎn)，其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，其工作電壓范圍是3.5V5.5V。STC12C5A60S2有60KB的用戶應(yīng)用程序空間，256B的RAM和1024B的XRAM。能滿足程序代碼的需求和緩沖區(qū)定義的需求。另外與程序存儲(chǔ)空間獨(dú)立的一片閃存

16、區(qū)域，可在應(yīng)用編程中作EEPROM使用。STC12C5A60S2有雙UART以及ISP串口，串口資源足夠系統(tǒng)使用。另外通過宏晶科技提供的軟件，使用UART可很容易地實(shí)現(xiàn)程序下載。STC12C5A60S2有36個(gè)通用I/O口，大部分可位控，并且有強(qiáng)推挽輸出的能力，足夠系統(tǒng)使用。還擁有4個(gè)16bit定時(shí)器和一個(gè)獨(dú)立的波特率發(fā)生器，另外還有兩個(gè)PCA模塊，能獲得豐富的定時(shí)器資源。STC12C5A60S2有PDIP-40封裝的芯片，易于快速進(jìn)入實(shí)驗(yàn)。封裝引腳圖如圖3.1所示。圖3.1 STC12C5A60S2芯片PDIP封裝引腳圖STC12C5A60S2主要性能：1增強(qiáng)型8051CPU，1T，單時(shí)鐘/

17、機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。2STC12C5A60S2系列工作電壓：3.3V- 5.5V；STC12LE5A60S2系列工作電壓：3.6V-2.2V。3工作頻率范圍：0-35MHz，相當(dāng)于普通8051的0-420MHz。4用戶應(yīng)用程序空間8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字節(jié)等。5片上集成1280字節(jié)RAM。6通用I/O口（36/40/44個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）?？稍O(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏。每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過55mA。7ISP

18、（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。8有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM無內(nèi)部EEPROM)。9看門狗。10內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路（外部晶體12M以下時(shí)，復(fù)位腳可直接1K電阻到地）。11外部掉電檢測電路：在P4.6口有一個(gè)低壓門檻比較器。5V單片機(jī)為1.32V，誤差為±5%；3.3V單片機(jī)為1.30V，誤差為±3%。12時(shí)鐘源：外部高精度晶體/時(shí)鐘，內(nèi)部R/C振蕩器(溫漂為±5%到±10%以內(nèi))用戶在下載用戶程序時(shí)，

19、可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器還是外部晶體/時(shí)鐘。常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：5.0V單片機(jī)為：11MHz15.5MHz；3.3V單片機(jī)為：8MHz12MHz。 精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛兄圃煺`差和溫漂，以實(shí)際測試為準(zhǔn)。13共4個(gè)16位定時(shí)器，兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，16位定時(shí)器T0和T1，沒有定時(shí)器2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器。做串行通訊的波特率發(fā)生器，再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16位定時(shí)器。14. 2個(gè)時(shí)鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時(shí)鐘，可由T1的溢出在P3.5/T1輸出時(shí)鐘。15外部中斷I/O口7路，傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并

20、新增支持上升沿中斷的PCA模塊，Power Down模式可由外部中斷喚醒，INT0/P3.2，INT1/P3.3,T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3(也可通過寄存器設(shè)置到P4.2 )，CCP1/P1.4 (也可通過寄存器設(shè)置到P4.3)。16PWM(2路）/PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列,2路），也可用來當(dāng)2路D/A使用，也可用來再實(shí)現(xiàn)2個(gè)定時(shí)器，也可用來再實(shí)現(xiàn)2個(gè)外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時(shí)支持)。17A/D轉(zhuǎn)換，10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S(每秒鐘25萬次)。18通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的

21、8051，可再用定時(shí)器或PCA軟件實(shí)現(xiàn)多串口。19STC12C5A60S2系列有雙串口，后綴有S2標(biāo)志的才有雙串口，RxD2/P1.2(可通過寄存器設(shè)置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通過寄存器設(shè)置到P4.3)。20工作溫度范圍：-40 - +85(工業(yè)級) /0 - 75(商業(yè)級)。21封裝：PDIP-40，LQFP-44，LQFP-48，I/O口不夠時(shí)，可用2到3根普通I/O口線外接，74HC164/165/595（均可級聯(lián)）來擴(kuò)展I/O口，還可用A/D做按鍵掃描來節(jié)省I/O口，或用雙CPU，三線通信，還多了串口。單片機(jī)最小系統(tǒng)由CUP 芯片、時(shí)鐘電路（外接11.0592HZ 的的晶振

22、），和復(fù)位電路組成。其電路圖如圖3.1.1所示： 圖3.1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2 溫度控制模塊 溫度控制模塊硬件圖如圖3.2： 圖3.2溫度控制模塊其中所用熱敏電阻的型號(hào)是MF52-103/3435 10K ±1精度 B值：3435。熱敏電阻的主要特點(diǎn)是：靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10100倍以上，能檢測出10-6的溫度變化；工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55315，高溫器件適用溫度高于315（目前最高可達(dá)到2000），低溫器件適用于-27355；體積小，能夠測量其他溫度計(jì)無法測量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度；使用方便，電阻值可在0.1100k間任意選擇；易加工成

23、復(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；穩(wěn)定性好、過載能力強(qiáng)MF52 10K 3470 溫 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 29.2750 -39 183.4132 -26 94.6608 -13 50.7456 0 28.0170 -38 175.6740 -25 90.0326 -12 48.4294 1 26.8255 -37 167.6467 -24 85.6778 -11 46.2224 2 25.6972 -36 159.5647 -2

24、3 81.5747 -10 44.1201 3 24.6290 -35 151.5975 -22 77.7031 -9 42.1180 4 23.6176 -34 143.8624 -21 74.0442 -8 40.2121 5 22.6597 -33 136.4361 -20 70.5811 -7 38.3988 6 21.7522 -32 129.3641 -19 67.2987 -6 36.6746 7 20.8916 -31 122.6678 -18 64.1834 -5 35.0362 8 20.0749 -30 116.3519 -17 61.2233 -4 33.4802 9

25、19.2988 -29 110.4098 -16 58.4080 -3 32.0035 10 18.5600 -28 104.8272 -15 55.7284 -2 30.6028 11 18.4818 T()R(K)T()R(K)T()R(K)T()R(K)12 18.1489 25 10.0000 38 6.1418 51 3.9271 13 17.6316 26 9.5762 39 5.9343 52 3.7936 14 16.9917 27 9.1835 40 5.7340 53 3.6639 15 16.2797 28 8.8186 41 5.5405 54 3.5377 16 15

26、.5350 29 8.4784 42 5.3534 55 3.4146 17 14.7867 30 8.1600 43 5.1725 56 3.2939 18 14.0551 31 7.8608 44 4.9976 57 3.1752 19 13.3536 32 7.5785 45 4.8286 58 3.0579 20 12.6900 33 7.3109 46 4.6652 59 2.9414 21 12.0684 34 7.0564 47 4.5073 60 2.8250 22 11.4900 35 6.8133 48 4.3548 61 2.7762 23 10.9539 36 6.58

27、06 49 4.2075 62 2.7179 24 10.4582 37 6.3570 50 4.0650 63 2.6523 T()R(K)T()R(K)T()R(K)T()R(K)64 2.5817 77 1.7197 90 1.2360 103 0.8346 65 2.5076 78 1.6727 91 1.2037 104 0.8099 66 2.4319 79 1.6282 92 1.1714 105 0.7870 67 2.3557 80 1.5860 93 1.1390 106 0.7665 68 2.2803 81 1.5458 94 1.1067 107 0.7485 69

28、2.2065 82 1.5075 95 1.0744 108 0.7334 70 2.1350 83 1.4707 96 1.0422 109 0.7214 71 2.0661 84 1.4352 97 1.0104 110 0.7130 72 2.0004 85 1.4006 98 0.9789 73 1.9378 86 1.3669 99 0.9481 74 1.8785 87 1.3337 100 0.9180 75 1.8225 88 1.3009 101 0.8889 76 1.7696 89 1.2684 3.3 顯示器目前使用較廣的顯示器有CRT、LED、LCD和3D顯示器等，根

29、據(jù)鈦渣自動(dòng)稱重系統(tǒng)實(shí)際需求，本設(shè)計(jì)選用LED數(shù)碼顯示器，因?yàn)榭紤]到價(jià)格不高且能夠?qū)崿F(xiàn)所需的顯示要求。其硬件圖如圖3.3所示： 圖3.3 四位共陰極數(shù)碼管顯示3.4 按鍵電路按鍵用于實(shí)現(xiàn)人對整個(gè)溫控儀器的控制，可以設(shè)定目標(biāo)工作溫度，設(shè)定報(bào)警上下線溫度，調(diào)節(jié)PWM占空比。其電路圖如圖3.4所示： 圖3.4 四個(gè)獨(dú)立按鍵3.5 LED指示燈報(bào)警模塊LED指示燈作為報(bào)警使用，當(dāng)檢測得的溫度超過設(shè)定的溫度上限或者低于設(shè)定的溫度下限時(shí)，LED指示燈由滅變亮，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。LED指示燈電路如圖3.5所示： 圖3.5 LED指示燈報(bào)警模塊電路圖4 軟件設(shè)計(jì)與分析4.1 軟件總體設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)初始化時(shí)把溫度數(shù)據(jù)做

30、成表格存儲(chǔ)到ROM中，通過AD對熱敏電阻兩端的進(jìn)行測量，然后通過運(yùn)算將電壓值對應(yīng)于電阻值，通過查表把電阻值對應(yīng)于溫度值，再通過運(yùn)算把溫度數(shù)據(jù)送到數(shù)碼管上顯示，其中程序初始化主要是對AD和數(shù)碼管進(jìn)行初始化。它的流程圖圖如圖4.1： 圖4.1 軟件總體流程圖4.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊原理傳感器獲得的信號(hào)由于是模擬信號(hào)，而CPU處理的是數(shù)字信號(hào)，故要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)采用芯片STC12C5A60S2實(shí)現(xiàn)的AD轉(zhuǎn)換。STC12C5A60S2系列單片機(jī)ADC（A/D轉(zhuǎn)換器）的結(jié)構(gòu)如下圖4.2所示： 圖4.2 STC12C5A60S2系列單片機(jī)ADC結(jié)構(gòu)圖4.3 室溫補(bǔ)償及查表程序設(shè)計(jì)首先將熱敏電阻測得的冷

31、端溫度轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的表中數(shù)值，再將其與濾波并轉(zhuǎn)換后放大1000 倍的數(shù)值相加進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。然后通過對半查表法查得溫度值。 對半查表法的思想是：有序表的數(shù)據(jù)排列有一定規(guī)律，不必像無序表那樣逐個(gè)查表，可以采用對半查表法亦稱二分查表法)。對半查表就是每次截取表的一半，確定查表元素在哪一部分，逐步細(xì)分，縮小檢索范圍，從而大大加快查表速度。對半查表法的基本思想是：對半查表時(shí)，設(shè)置兩個(gè)指針L0和Hi，分別保存表的下限值和上限值的序號(hào)，開始查表時(shí)設(shè)置Lo=0，Hi=N-1。設(shè)N個(gè)元素按照從小到大的順序排列，則中心元素的序號(hào)為： 式中， 表示小于等于（Lo+Hi）/2的最大整數(shù)。由此將表分為前半部分和后半部

32、分。然后計(jì)算中心元素的地址： 式中，i為數(shù)據(jù)元素的字節(jié)數(shù)。根據(jù)中心元素的位置找出中心元素，并和查表的元素進(jìn)行比較，若中心元素大于查表的元素，則選取表的前半部分，修改上限指針Hi ：(下限指針Lo不變) 若中心元素小于查表的元素，則選取表的后半部分，修改下限指針Lo：(上限指針Hi不變)若中心元素等于查表的元素，則查表成功。對半查表法流程圖如圖4.3所示： 圖4.3 對半查表法流程圖4.4 按鍵設(shè)計(jì)按鍵部分共有四個(gè)按鍵，K1為模式鍵，K2與K3調(diào)節(jié)數(shù)字，K4顯示溫度。對應(yīng)的單片機(jī)端口分別為P20,P21,P22和P32口。其程序流程圖如圖4.4所示： 圖4.4 按鍵程序流程圖4.5 PID算法P

33、ID算法有位置式和增量式兩種，增量式PID算法得到的結(jié)果是增量，也就是說，在上一次的控制量的基礎(chǔ)上需要增加（負(fù)值意味著減少）的控制量。例如，在可控硅電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，控制量的增量意味著可控硅的觸發(fā)相位在原有的基礎(chǔ)上需要提前或遲后的量；位置式算法則表現(xiàn)為當(dāng)前的觸發(fā)相位應(yīng)該在什么位置。又如在溫度控制系統(tǒng)中，增量式算法則表現(xiàn)為在上次通電時(shí)間比例的基礎(chǔ)上，還需要增加或減少的通電時(shí)間比例；位置式算法則直接指明本周期內(nèi)要通電多長時(shí)間。本系統(tǒng)采用的是位置式PID算法。標(biāo)準(zhǔn)的直接計(jì)算公式：Pout(t)=Kp*e(t)+Ki×Sum_e(t)+Kd*(e(t)-e(t-1);其中，e(t)為基本偏差，

34、表示當(dāng)前測量值與設(shè)定目標(biāo)間的差值，設(shè)定目標(biāo)是被減數(shù)，結(jié)果可以是正或負(fù)，正數(shù)表示還沒有達(dá)到設(shè)定值，負(fù)數(shù)表示已經(jīng)超過了設(shè)定值。這是面向比例項(xiàng)用的變動(dòng)數(shù)據(jù)。累計(jì)偏差Sum_e(t)=e(t)+e(t-1)+e(t-2)+ +e(1)是每次偏差值的代數(shù)和，是面向積分項(xiàng)用的一個(gè)變動(dòng)數(shù)據(jù)?；酒畹南鄬ζ頴(t)-e(t-1)是用本次的基本偏差減去上一次的基本偏差，以考察當(dāng)前被控量的變化趨勢，有利于快速反應(yīng)，是面向微分項(xiàng)的一個(gè)變動(dòng)數(shù)據(jù)。Kp、Ki和Kd是PID算法的3個(gè)控制參數(shù)，分別稱為比例常數(shù)，積分常數(shù)和微分常數(shù)，不同的控制對象選擇不同的數(shù)值，需要經(jīng)過現(xiàn)場整定才能獲得較好的效果。比例調(diào)節(jié)的作用是按比例

35、反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例作用，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)的作用使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因?yàn)橐坏┯姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出維持常量。微分調(diào)節(jié)作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，使偏差還沒有形成即被微分調(diào)節(jié)作用消除，因此，微分作用可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。為了程序處理上的方便，可在程序內(nèi)部設(shè)一個(gè)PID調(diào)節(jié)時(shí)鐘（20MS）。PID計(jì)算周期為2分鐘，這樣就對周期進(jìn)行100等分。經(jīng)PID計(jì)算

36、后的輸出值即為溫度加熱時(shí)間（0100）。加熱時(shí)間到了，關(guān)閉加熱的IO口，直到下一個(gè)2分鐘到了，再進(jìn)行新一輪PID計(jì)算和加熱控制。為了達(dá)到比較好的控制效果，同時(shí)減輕單片機(jī)的運(yùn)算量，Kp、Ki和Kd這三個(gè)參數(shù)采用整數(shù)，放大100倍進(jìn)行計(jì)算，三個(gè)參數(shù)采用相同的放大比例。運(yùn)算中往往出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出的情況，注意考慮符號(hào)，為此我們對輸出值有一約定界限（0100），當(dāng)結(jié)果超出約定界限時(shí)，不再增加（或減少）。加溫的整個(gè)過程沒有必要全程PID控制，一般可以在設(shè)定目標(biāo)值前一個(gè)溫度區(qū)域才進(jìn)行PID控制。例如，設(shè)定目標(biāo)溫度為300度，則可以在250度以前全速加溫，當(dāng)達(dá)到250度以后才開始計(jì)算PID計(jì)算并予以控制，這樣可以

37、加快加溫速度又不影響溫度控制。在不產(chǎn)生過大的過沖的情況下，盡可能把起控點(diǎn)抬高，有利于后面控制部分的進(jìn)一步細(xì)化。在進(jìn)入控制之前，應(yīng)將積分項(xiàng)清零。PID 算法用以精確控制溫度加熱，通過PID 算法計(jì)算出PWM 的占空比，控制加熱系統(tǒng)的工作。其程序流程圖如圖4.5所示： 圖4.5 PID算法流程圖4.6 系統(tǒng)調(diào)試本次課程設(shè)計(jì)通過對軟件的編寫，運(yùn)行無誤后下載到單片機(jī)中進(jìn)行調(diào)試，最終達(dá)到了設(shè)計(jì)要求：測量溫度范圍在30到70；可設(shè)定加熱電阻的的目標(biāo)加熱溫度；可設(shè)定任意溫度上下限值，并且在高于溫度上限或者低于溫度下限的時(shí)候由LED燈由滅變亮達(dá)到報(bào)警的效果。在模式1下設(shè)置加熱電阻的目標(biāo)溫度，在模式2、3、4下

38、分別可調(diào)節(jié)比例、積分、微分的參數(shù)。最終數(shù)碼管顯示的溫度值的精度符合設(shè)計(jì)要求。5 總結(jié)設(shè)計(jì)就是要講究嚴(yán)謹(jǐn)，在這次課程設(shè)計(jì)中，我學(xué)到了很多知識(shí)，也使我的能力得到了提升。首先，硬件方面。選擇硬件，要比較同類產(chǎn)品的穩(wěn)定性、功耗、體積、價(jià)格等，另外還要符合設(shè)計(jì)的全部要求。在顯示方案上，我考慮的時(shí)間相對長了一點(diǎn)。利用數(shù)碼管顯示，程序復(fù)雜，但是，自己編程比較熟悉，價(jià)格便宜。利用LCD1602顯示，程序簡單，但是以前自己從未使用過。經(jīng)過比較，我選擇數(shù)碼管顯示，這樣可以更加鞏固以前的知識(shí)，提高自己的知識(shí)水平。在硬件電路的設(shè)計(jì)方面，用Protel繪制電路圖時(shí)要標(biāo)明元件的大小，有些封裝元件要標(biāo)明名稱和封裝。其次，軟

39、件方面。把程序分塊編寫能夠有效地提高正確性和編程效率。在本次設(shè)計(jì)中，在軟件編寫的過程中也遇到了很多困難，不過有老師的指導(dǎo)也很快的解決了。在軟件編寫時(shí)，還要注意添加注釋，使程序更加清晰，便于理解。總而言之，在各位老師的帶領(lǐng)和指導(dǎo)下，我順利的完成了課程設(shè)計(jì)，完成了老師交給的任務(wù)。 參考文獻(xiàn)1程德福，林君.智能儀器.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2010.2萬文略.單片機(jī)原理及應(yīng)用.重慶：重慶大學(xué)出版社.2004.3趙茂泰.智能儀器原理及應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社.2004.4合立民.MCS-51 系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：北京航空航天大學(xué)出版社.1990.致謝通過四周的努力，終于完成了基于單片機(jī)的溫度

40、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試。由于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的不足在設(shè)計(jì)及調(diào)試中遇到了很多困難，但得到了老師和同學(xué)們的幫助，在此對他們表示衷心的感謝。在軟件編寫與調(diào)試中也得到了老師們的指導(dǎo)，本人對他們心存感激。由于本人的硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試在I506實(shí)驗(yàn)室完成，實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)老師給我提供了設(shè)計(jì)地方和全部所需器材，并關(guān)心我的設(shè)計(jì)結(jié)果，給予我充分的支持和信任，非常感謝老師的幫助。在整個(gè)課程設(shè)計(jì)過程中，我的指導(dǎo)老師鐘秉翔老師一直都是耐心的指導(dǎo)，至始至終都沒有停止過對我的輔導(dǎo)，讓我學(xué)到了許多知識(shí)，使我受益非淺。能讓鐘老師做我的指導(dǎo)老師，我感到萬分榮幸。同時(shí)也要感謝其他輔導(dǎo)過我的老師。最后，感謝學(xué)校、學(xué)院給予這樣的一次機(jī)會(huì)，經(jīng)歷了整個(gè)課程

41、設(shè)計(jì)過程，我的收獲是豐富的，也對整個(gè)大學(xué)的知識(shí)進(jìn)行了梳理，對所學(xué)專業(yè)有了更深刻的認(rèn)識(shí)。這次課程設(shè)計(jì)給我一年后畢業(yè)設(shè)計(jì)做了鋪墊，讓我了解了自己在哪些方面的不足，自己將會(huì)通過接下來的一年的時(shí)間逐漸完善自己在這方面的知識(shí)，爭取在畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)候能夠順利完成。附錄1 系統(tǒng)電路圖附錄2 PCB圖 附錄3 程序清單/摘要：溫度控制器系統(tǒng)(溫度顯示精確到0.1度)/調(diào)溫調(diào)節(jié)范圍設(shè)定在35-65度/共計(jì)5種模式：/模式0：溫度實(shí)時(shí)值顯示（前1位數(shù)碼管顯示模式，后2位顯示實(shí)時(shí)溫度值，精確到0.1C/模式1：目標(biāo)溫度設(shè)定（35-65度）/模式2：PID參數(shù)中的P參數(shù)調(diào)節(jié)模式（0.0-50.0）/模式3：PID參數(shù)中

42、的I參數(shù)調(diào)節(jié)模式（0.0-50.0）/模式4：PID參數(shù)中的D參數(shù)調(diào)節(jié)模式（0.0-50.0）/數(shù)碼管第一位顯示模式值，后三位顯示參數(shù)值/按MODE鍵顯示對應(yīng)模式，按UP,DOWN修改參數(shù)，按ENT鍵返回模式0即顯示實(shí)時(shí)溫度值/Designed by zhishou.deng 2012.6.25#include "STC12C5A60S2.h"#include "table.h"#define AD_CHANNEL 0#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define THCO 0xf8

43、 /11.0592MHZ晶振#define TLCO 0xcb /定時(shí)2ms時(shí)間常數(shù)值unsigned char Data_Buffer4=1,2,3,4;uchar code Duan17=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x76;sbit P24=P24;/四個(gè)數(shù)碼管的位碼口定義sbit P25=P25;sbit P26=P26;sbit P27=P27;sbit warm = P34;sbit Mode_key=P20;sbit UP_key=P21;sbit

44、DOWN_key=P22;sbit ENT_key=P32;void AD_init();unsigned int AD_Sample(unsigned char channel);void Buffer_fresh();bit kuaisu=0; /按鍵快速處理unsigned char V_mode=0; /0-4unsigned int canshu5=0,450,110,50,10;/均放大10倍/模式0：溫度實(shí)時(shí)值顯示（前1位數(shù)碼管顯示模式，后2位顯示實(shí)時(shí)溫度值，精確到0.1C/模式1：目標(biāo)溫度設(shè)定（35-65度）/模式2：PID參數(shù)中的P參數(shù)調(diào)節(jié)模式（0.0-50.0）/模式3：P

45、ID參數(shù)中的I參數(shù)調(diào)節(jié)模式（0.0-50.0）/模式4：PID參數(shù)中的D參數(shù)調(diào)節(jié)模式（0.0-50.0）unsigned int maxcanshu5=0,700,500,500,500;unsigned int mincanshu5=0,300,1,1,1;bit ADflag=0;bit PIDflag=0;bit Disp_flag=0;/*-溫度計(jì)算,放大10倍-*/unsigned int ADtempreture(void) unsigned int da=0,max,min,mid; unsigned int v; float t,t1,j; v=AD_Sample(AD_CHA

46、NNEL); t=v; t=v*4.883;/4.883=5000/1024 ; t1=t/1000; /t1為電壓值 t1=(5000-t)/t1; v=(unsigned int)t1*10;/ 計(jì)算得電阻值 da=v;max=97;min=0; while(1)/ 查表求出溫度值 mid=(max+min)/2;if(Tablemid<da)max=mid;else min=mid;if(max-min)<=1)break; if(max=min)da=min*10;/溫度值放大10倍 else j=(Tablemin-Tablemax)/10; j=(Tablemin-da

47、)/j; da=j; da=10*min+da; return da; unsigned char pid_val_mid=0;void PIDcompute() /*-根據(jù)設(shè)定及采集值進(jìn)行計(jì)算PID調(diào)節(jié)，計(jì)算出PIDVALMID的值-*/static int SumError=0,PrevError=0,LastError=0;int dError=0,Error=0;double j=0.0,i; Error =canshu1-canshu0; if(Error>10)pid_val_mid=255;return;else if(Error+10<0)pid_val_mid=0

48、;return; SumError +=Error; dError=Error-LastError; PrevError=LastError; LastError=Error;/ j=canshu2*Error + canshu3*SumError + canshu4*dError; /放大100倍 i=canshu2;j=Error*i;i=canshu3;j=j+SumError*i;i=canshu4;j=j+dError*i;if(j>0) j=j/10; /PID參數(shù)放大了10倍，所以要減小10倍if(j>255)pid_val_mid=255;/全開else if(j<0)pid_val_mid=0;/全關(guān)else pid_val_mid=j; /計(jì)算值/*/void main(void) /主程序 bit x=0,y=0; TMOD=0x11; /設(shè)置定時(shí)器0工作模式,16位計(jì)數(shù)模式 TH0=THCO; TL0=TLCO; TR0=1; /啟動(dòng)定時(shí)器 ET0=1;/使能定時(shí)器中斷 EA=1;/開總中斷 CCON=0;/清標(biāo)志 CL=0; /清計(jì)數(shù)器 CH=0; CMOD=0x08;/PCA 時(shí)鐘為SY