基于STC12C5A60S2的水溫控制系統(tǒng)

1、摘 要隨著微機測量和控制技術的迅速發(fā)展與廣泛應用，以單片機為核心的溫度采集與控制系統(tǒng)的研發(fā)與應用在很大程度上提高了生產生活中對溫度的控制水平。本設計論述了一種以STC12C5A60S2單片機為主控制單元，以DS18B20為溫度傳感器的溫度控制系統(tǒng)。通過PID算法和PWM脈寬調制實現溫度的精確控制，由溫度傳感器返回溫度值，再與設定溫度比較，經過單片機的處理后發(fā)出相應的控制信號從而將溫度控制在設定的范圍之內。硬件電路主要包括STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)，測溫電路、LCD液晶顯示電路以及加熱控制電路等。系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，PID控制溫度子程序、PWM子程序、按鍵處理程序

2、、LCD顯示程序以及模式選擇程序等。關鍵詞 STC12C5A60S2單片機；DS18B20；顯示電路Abstract: Along with the computer measurement and control technology of the rapid development and wide application, based on singlechip temperature gathering and control system development and application greatly improve the production of temperature

3、 in life level of control. This design STC12C5A60S2describes a kind of mainly by MCU control unit, for temperature sensor DS18B20 temperature control system. The control system can real-time storage temperature data and record related to the current time. System design related hardware circuit and r

4、elated applications. STC12C5A60S2 microcontroller hardware circuit include temperature detection circuit smallest system, and real-time clock circuit, LCD display circuit, communication module circuit, etc. System programming mainly include main program, read temperature subroutine, the calculation

5、of temperature subroutines, key processing procedures, LCD display procedures and data storage procedures, etc. Keywords STC12C5A60S2 microcontroller；DS18B20；display circuit選題依據及研究意義 選題依據：隨著社會的發(fā)展，科技的進步，以及測溫儀器在各個領域的應用，智能化已是現在溫度控制系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。特別是近年來，溫度控制系統(tǒng)已深入應用到人們生活的各個方面，但溫度控制一直是一個潛在開發(fā)的領域，其又是與人們息息相關的一個實際

6、問題。針對這種情況，設計一個溫度控制系統(tǒng)具有廣泛的應用于實際意義。 研究意義：溫度是科學技術中最基本的物理量之一，物理，化學，生物等學科都離不開溫度。在工業(yè)生產和實驗研究中，溫度常常是表征對象和過程狀態(tài)的最重要的參數之一。比如：發(fā)電廠鍋爐的溫度必須控制在一定范圍內；許多化學反應的工藝過程必須在適當的溫度下才能正常進行；煉油工程中，原油必須在不同的溫度和壓力條件下進行分流才能得到汽油，柴油，煤油等產品。沒有合適的溫度環(huán)境，許多電子設備就不能正常工作，糧倉的儲糧就會變質霉爛，就累得品質就沒有保障。因此，各行各業(yè)對溫度控制的要求越來越高。可見。溫度的測量和控制是非常重要的。選題的研究現狀 研究現狀：

7、自18世紀工業(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。在人類的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。溫度是工業(yè)生產中常見的工藝參數之一，任何物理變化和化學反應過程都與溫度密切相關，因此溫度控制是生產自動化的重要任務。比如溫室，水池，發(fā)酵缸，電源等場所的溫度控制。而以往溫度控制是由人工完成的而且不夠重視，其實在很多場所溫度都需要監(jiān)控以防意外發(fā)生。對于不同生產情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料，控制方案也有所不同。無論你生活在哪里，從事什么工作，無時不刻不在與溫度打著交道。單

8、片微型計算機是隨著超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展而誕生的，由于它具有體積小、功能強、性價比高等特點，所以廣泛應用于電子儀表、家用電器、節(jié)能裝置、軍事裝置、機器人、工業(yè)控制等諸多領域，使產品小型化、智能化、既提高了產品的功能和質量，又降低了成本，簡化了設計。本文主要介紹單片機在溫度控制中的應用?；驹O計思路單片機溫度控制驅動模塊顯示模塊溫度信號采集模塊鍵盤處理模塊電熱元件由題目要求可知，本系統(tǒng)對溫度控制的精度要求較高，因此考慮使用PID控制來控制系統(tǒng)溫度，而熱源的控制采用PWM波來進行精確控制。由溫度傳感器來傳回溫度數據，由單片機處理數據并發(fā)出相應的動作，從而保證溫度在控制范圍之內。系統(tǒng)圖如下： 圖

9、1 系統(tǒng)設計框架方案論證 （1）溫度傳感器方案一： DS18B20是達拉斯公司生產的數字溫度傳感器，測溫范圍在55125，采用單總線通信微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊，精度可以達到0.0625。具體接口如下： 圖2 DS18B20接口電路方案二： 采用AD590作溫度傳感器，AD590是一種恒流源形式的溫度傳感器,只要在其兩端加上一定工作電壓,則其輸出電流隨溫度變化而變化,其線性電流輸出為1uA/K，電流信號再由運放轉換為電壓信號，通過A/D轉換器將輸入的模擬電壓量轉換為數字量，并通過并行接口芯片將數字量送給計算機。具體接口電路如下： 圖3 AD950接

10、口電路由以上來看我們選用方案一DS18B20足以滿足系統(tǒng)要求而且使設計更加簡單可行。（2）主控芯片方案一： 51系列AT89C51。方案二：增強型8051單片機STC12C5A60S2，STC12C5A60S2具有1個時鐘/機器周期，速度比普通8051快812倍。兼容普通8051定時器T0/T1，2路PCA實現兩個定時器，內含2通道捕獲/比較單元（PWM/PCA/CCP）。本系統(tǒng)中需要通過調節(jié)PWM波的占空比來控制加熱電路的通斷時間，STC12C5A60S2中含有PWM特殊功能寄存器，不需要獨立設計PWM產生電路，AT89C51則無此功能，故選用方案二。（3）顯示及鍵盤 方案一：八位數碼管顯示

11、。方案二：12864液晶顯示。由于需要顯示的數據比較多且數碼管不能顯示曲線，為電路設計簡便起見，我們選用方案二又因為所需按鍵較多，故選用4*4鍵盤。鍵盤功能布置如下：一、 硬件電路設計（一）單片機最小系統(tǒng)電路在溫度控制系統(tǒng)設計中，控制核心是STC12C5A60S2單時鐘/機器周期（1T）單片機，該單片機有32個I/O口，其外部晶振為12MHz，一個指令周期為1/12S。使用該單片機完全可以完成設計任務，其最小系統(tǒng)主要包括：復位電路、震蕩電路等，電路如下圖4所示：( 圖 4 STC12C5A60S2最小系統(tǒng)圖（二)LCD顯示電路本設計的溫度控制系統(tǒng)是采用液晶屏無字庫型12864作為顯示模塊，此液

12、晶共有8頁，64行，128列，含有兩個液晶驅動器C1和C2。其接口電路圖如下圖5所示： 圖 5 LCD顯示接口 （三）加熱驅動電路本設計中的加熱元件使用固態(tài)繼電器SSR-1P/45A及加熱棒，由P1.3口輸出PWM波形，從而控制固態(tài)繼電器的通斷。電路如下圖6所示：圖 6 溫度控制驅動電路二、軟件程序設計（一） 總體設計為了實現控制功能，本系統(tǒng)采用通過按鍵來設置控制溫度并進行模式選擇，通過LCD液晶顯示屏顯示實際溫度和設置溫度以及實際溫度變化曲線。設定模式1為基本控制加熱模式，模式2為分段恒溫控制模式，模式3為恒速控制模式。主流程圖如圖7所示： 圖 7 程序主流程圖其中通過鍵盤設置控制溫度，采用

13、按位直接給定數值并可進行多次設置，使得操作簡單方便。在鍵盤掃描程序中19鍵設置標志位，用以判斷設定位。具體流程圖如圖8所示： 圖 8 設定控制溫度流程圖 模式1：基本溫度控制模式。當實際溫度與設定溫度相差大于5時采用PWM全速加熱，小于5時采用PID控制調節(jié)PWM占空比，流程圖如圖9所示： 圖 9 模式1流程圖模式2：分段恒溫控制模式。將設定溫度給定為50度，當溫度為50度時，定時中斷恒溫控制3分鐘，再將設定溫度給定為70度。流程圖如圖10所示： 圖 10 模式2流程圖模式3：恒速溫度控制模式。如下圖所示：附錄：#include #include /_nop_();延時函數用#include

14、#include #define unchar unsigned char#define unint unsigned intsfr CCON = 0xD8; /PCA控制寄存器sfr CMOD = 0xD9; /PCA模式寄存器sfr CCAPM0 = 0xDA; /PCA模塊0模式寄存器 /模塊0對應P1.3/CEX0/PCA0/PWM0(STC12C5A60S2系列) sfr CL = 0xE9; /PCA 定時寄存器 低位sfr CH = 0xF9; /PCA 定時寄存器 高位sfr CCAP0L = 0xEA; /PCA模塊0的 捕獲寄存器 低位sfr CCAP0H = 0xFA;

15、/PCA模塊0的 捕獲寄存器 高位sfr AUXR=0x8e;sbit CR = CCON6; /PCA計數器 運行控制位sbit E=P30;sbit RW=P31;sbit RS=P32;sbit CS1=P36;sbit CS2=P37;sbit DQ=P10;sbit M1=P15;sbit M2=P16;sbit M3=P17;sbit p=P13;char code tablenum16= 0x00,0xE0,0x10,0x08,0x08,0x10,0xE0,0x00, 0x00,0x0F,0x10,0x20,0x20,0x10,0x0F,0x00, / 0 0x00,0x10,0

16、x10,0xF8,0x00,0x00,0x00,0x00, 0x00,0x20,0x20,0x3F,0x20,0x20,0x00,0x00, /1 0x00,0x70,0x08,0x08,0x08,0x88,0x70,0x00, 0x00,0x30,0x28,0x24,0x22,0x21,0x30,0x00, /2 0x00,0x30,0x08,0x88,0x88,0x48,0x30,0x00, 0x00,0x18,0x20,0x20,0x20,0x11,0x0E,0x00, /3 0x00,0x00,0xC0,0x20,0x10,0xF8,0x00,0x00, 0x00,0x07,0x04,

17、0x24,0x24,0x3F,0x24,0x00, /4 0x00,0xF8,0x08,0x88,0x88,0x08,0x08,0x00, 0x00,0x19,0x21,0x20,0x20,0x11,0x0E,0x00, /5 0x00,0xE0,0x10,0x88,0x88,0x18,0x00,0x00, 0x00,0x0F,0x11,0x20,0x20,0x11,0x0E,0x00, /6 0x00,0x38,0x08,0x08,0xC8,0x38,0x08,0x00, 0x00,0x00,0x00,0x3F,0x00,0x00,0x00,0x00, /7 0x00,0x70,0x88,0

18、x08,0x08,0x88,0x70,0x00, 0x00,0x1C,0x22,0x21,0x21,0x22,0x1C,0x00, /8 0x00,0xE0,0x10,0x08,0x08,0x10,0xE0,0x00, 0x00,0x00,0x31,0x22,0x22,0x11,0x0F,0x00, /9 0x00,0x00,0x00,0xC0,0xC0,0x00,0x00,0x00, 0x00,0x00,0x00,0x30,0x30,0x00,0x00,0x00, /: 0x08,0xF8,0x88,0x88,0x88,0x88,0x70,0x00, 0x20,0x3F,0x20,0x00,

19、0x03,0x0C,0x30,0x20, /R 0x00,0x70,0x88,0x08,0x08,0x08,0x38,0x00, 0x00,0x38,0x20,0x21,0x21,0x22,0x1C,0x00, /S 0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00, 0x00,0x30,0x30,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00, /. ;char code tablesnum4= 0x00,0x7c,0x44,0x7c,/小0 0x00,0x00,0x7c,0x00,/小1 0x00,0x74,0x54,0x5c,/小2 0x00,0x54,0

20、x54,0x7c,/小3 0x00,0x3c,0x20,0x7c,/小4 0x00,0x5c,0x54,0x74,/小5 0x00,0x7c,0x54,0x74,/小6 0x00,0x04,0x04,0x7c,/小7 0x00,0x7c,0x54,0x7c,/小8 0x00,0x5c,0x54,0x7c,/小9 0x08,0x08,0x08,0x08,;unint bz0,bz1,bz2,t1=180,t2=200,t3=12,bj=1,bj1=0;unint num,ql=13,qp=1,Temperature;unint Ten,One,Dot1,sa,sb,sc,js,set_tempe

21、r, rout;struct PID unint Proportion; / 比例常數 Proportional Const unint Integral; / 積分常數 Integral Const unint Derivative; / 微分常數 Derivative Const unint LastError; / Error-1 unint PrevError; / Error-2 ; struct PID spid; / PID Control Structure / PID Response (Output) uk rin 實溫/*定時初始化intids()AUXR=0x80; E

22、A=1; ET0=1; TMOD=0x01; TR0=1; TH0=(65536-5000)/256; TL0=(65536-5000)%256; /*所有溫度采集程序*/*延時11us函數void delay(unint t) for(;t0;t-);/*復位程序void reset() DQ=1; delay(56);/22us DQ=0; delay(630);/55us DQ=1; delay(100);/*檢測應答脈沖子程序void yingda() while(DQ); while(DQ) delay(16);/88us break; /*寫命令函數，寫一個字節(jié)void write

23、_byte(unchar val) unchar i; for(i=8;i0;i-) DQ=1; / _nop_(); / _nop_(); _nop_(); / _nop_(); _nop_(); _nop_(); DQ=0; _nop_(); _nop_(); / _nop_(); / _nop_(); / _nop_();/5us/_nop_(); / _nop_(); / _nop_(); / _nop_(); / _nop_();/ / _nop_(); /_nop_(); / _nop_(); _nop_(); _nop_(); DQ=val&0x01;/取操作命令字節(jié)的每一枚數值

24、，必須由低到高進行， /最低位移出，對于數據的傳輸均為串行輸入，先輸入val的最低位， delay(50); /66us/30 val=val1; /右移1位，先為低位后為高位 DQ=1; delay(1);/*讀一字節(jié)函數unchar read_byte(void)/無參函數 unchar i; unchar value=0; for(i=8;i0;i-) DQ=1; /_nop_(); / _nop_(); / _nop_();/_/nop_();/_nop_();/_nop_();/_nop_();_nop_();_nop_(); value=value1;/value=1; DQ=0;

25、 / _nop_(); / _nop_(); / _nop_(); _nop_(); /4us/_nop_();_nop_();/_nop_();/_nop_();/_nop_();_nop_();/_nop_();/_nop_(); DQ=1; _nop_(); / _nop_(); _nop_(); / _nop_(); /4us/_nop_();/_nop_();/_nop_();/_nop_();/_nop_();/_nop_();/_nop_();_nop_(); if(DQ) /若DQ=1，則讀取的位即為1，若DQ=0，則直接右移一位， value|=0x80; delay(60)

26、; /66us，至少需要60us才能完成后一個讀程序的過程 DQ=1; return(value);/*處理采集溫度void chuli(unchar gaowei,unchar diwei) Temperature = (diwei + gaowei *256) * (0.0625*10); /Temperature=125 Ten=Temperature/100; /1 One=Temperature/10%10; /0 Dot1= Temperature%10; /1/*采集溫度并處理void caijiwendu() unchar wenh,wenl; /存高低溫度reset();/芯

27、片初始化指令，在每一次溫度采集時都需要進行復位，初始化 yingda();write_byte(0xcc); /R0M操作指令，功能為跳過讀DS18B20的ROM的編碼， /跳過讀ROM指令，直接溫度轉換write_byte(0x44); /存儲器操作命令，啟動溫度轉換，結果存于9字節(jié)的內容中 reset(); yingda(); write_byte(0xcc); write_byte(0xbe); /發(fā)讀命令，存儲器操作指令，讀內部RAM中的九字節(jié)的內容 wenl=read_byte(); /溫度低八位wenh=read_byte(); /溫度高八位chuli(wenh,wenl); /數

28、據處理/*/*LCD顯示程序/*是否忙碌void readbusy()P0=0x00;RS=0;RW=1;E=1;while(P0&0x80);E=0;/*寫命令void writecommand(unchar command) readbusy(); RS=0;RW=0;P0=command;E=1; _nop_(); _nop_(); E=0;/*寫數據 void writedate(unchar date)readbusy(); RS=1; RW=0; P0=date; E=1; _nop_(); _nop_(); E=0; /*設置頁void setpage(unchar page)p

29、age=0xb8|page;writecommand(page);/*設置行void setline(unchar line)line=0xc0|line;writecommand(line);/*設置列void setcolumn(unchar column)column=column&0x3f;column=0x40|column;writecommand(column);void setonoff(unchar onoff)onoff=0x3e|onoff;writecommand(onoff);/*選屏void selectscreen(unchar screen)switch(scr

30、een) case 0:CS1=1;CS2=1;break;case 1:CS1=1;CS2=0;break;case 2:CS1=0;CS2=1;break;default: break; /*清屏void clearscreen(unchar screen)unchar i,j;selectscreen(screen); for(i=0;i8;i+) setpage(i);setcolumn(0);for(j=0;j64;j+) writedate(0x00); /*初始化void InitLCD() readbusy(); selectscreen(0); setonoff(0); se

31、lectscreen(0); setonoff(1); selectscreen(0); clearscreen(0); setline(0); clearscreen(0); writecommand(0xc0);/*顯示數據void display(unchar ss,unchar page,unchar column,unchar j)unchar i;selectscreen(ss);setpage(page);setcolumn(column);for(i=0;i8;i+) writedate(tablenumji); setpage(page+1);setcolumn(column

32、);for(i=0;i8;i+) writedate(tablenumji+8); /*顯示小數據void displays(unchar ss,unchar page,unchar column,unchar j)unchar i;selectscreen(ss);setpage(page);setcolumn(column);for(i=0;i4;i+) writedate(tablesnumji); /*顯示坐標數據void dissnum()displays(1,3,0*4,7);displays(1,3,1*4,5);displays(1,5,0*4,4);displays(1,5,

33、1*4,5);displays(1,7,0*4,1);displays(1,7,1*4,5);/*坐標軸void diszhou()unchar i,b;selectscreen(1);for(i=2;i7;i+) setcolumn(11); setpage(i); writedate(0xff); setcolumn(11); setpage(7); writedate(0x0f);for(b=2;b0;x-)for(y=110;y0;y-);/*掃描鍵盤void keyscan()unchar temp;P2=0xfe;temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!

34、=0xf0)delay1(5);temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0)temp=P2;switch(temp)case 0xee:num=0;js+;break;case 0xde:num=1;js+;break;case 0xbe:num=2;js+;break;case 0x7e:num=3;js+;break;while(temp!=0xf0)temp=P2;temp=temp&0xf0;P2=0xfd;temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0)delay1(5);temp=P2;temp=temp&0xf0

35、;while(temp!=0xf0)temp=P2;switch(temp)case 0xed:num=4;js+;break;case 0xdd:num=5;js+;break;case 0xbd:num=6;js+;break;case 0x7d:num=7;js+;break;while(temp!=0xf0)temp=P2;temp=temp&0xf0;P2=0xfb;temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0)delay1(5);temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0)temp=P2;switch(temp)

36、case 0xeb:num=8; js+;break;case 0xdb:num=9; js+;break;case 0xbb:num=10;break;case 0x7b:num=11;break;while(temp!=0xf0)temp=P2;temp=temp&0xf0;P2=0xf7;temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0)delay1(5);temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0)temp=P2;switch(temp)case 0xe7:num=12;break;case 0xd7:num=13;br

37、eak;case 0xb7:num=14;break;case 0x77:num=15;break;while(temp!=0xf0)temp=P2;temp=temp&0xf0;/*/*pid 控制void PIDInit (struct PID *pp) memset ( pp,0,sizeof(struct PID); /全部初始化為0 unint PIDCalc( struct PID *pp ) unint dError,Error,pError; Error = set_temper - Temperature; / 偏差 ek pError=Error-pp-LastError;

38、 / ek-e(k-1) dError=Error-2*pp-LastError+pp-PrevError;/e(k)-2*e(k-1)+e(k-2) / 當前微分 pp-PrevError = pp-LastError; pp-LastError = Error; return (pp-Proportion * pError+ pp-Integral *Error + pp-Derivative * dError); / 積分項 / 微分項 void pwmint() CCON=0x00; CL=0; CH=0; CMOD=0x04; CCAPM0=0x42; CR=1;void compa

39、re_temper() unchar i; if(set_temperTemperature) /是否設置的溫度大于實際溫度 if(set_temper-Temperature50) /設置的溫度比實際的溫度是否是大于2度 CCAP0H=0x00; CCAP0L=0x00; /如果是，則全速加熱 /rout=0; else /如果是在2度范圍內，則運行PID計算 for(i=0;i10;i+) rout = PIDCalc ( &spid ); / Perform PID Interation CCAP0H=255-rout; CCAP0L=255-rout; if(set_temper1;c

40、-) g=g1; if(b=7) for(i=2;i7;i+) selectscreen(pian); setpage(i); setcolumn(lie); writedate(0x00); selectscreen(pian);setpage(7);setcolumn(lie);writedate(g+8); else for(i=2;i7;i+) if(i=b) selectscreen(pian); setpage(i); setcolumn(lie); writedate(g); else selectscreen(pian); setpage(i); setcolumn(lie); writedate(0x00); for(j=3;j16;j+)/橫軸左 displays(1,7,j*4,10); for(a=0;a16;a+) displays(2,7,a*4,10); void quxian()if(