1、基于单片机步进电机的温度控制器指导老师：袁铭答辩人：王振青专业班级：电子1031苏州科技学院天平学院目录 概述 温度控制系统总体设计 硬件系统设计 软件系统设计 结束语 致谢概述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
2、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。温度控制系统总体设计 如上图所示将采集的温度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。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
3、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。将电阻信号转化为电压信号 公式：U=5Rt/(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。硬件系统设计STC12C5A60S2单片机最小系统由STC12C5A60S2单片机及其时钟和复位电路组成，是整个控制部分的核心。该单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期的单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍
4、，提供Flash程序存储器60kByte，1kByte的EEPROM，片上集成1280Byte RAM。工作电压3.5-5.5V，内部集成MAX810专用复位电路，拥有4个定时器，2个串口，2路PWM，8路高速10位A/D转换，ISP/IAP，内置看门狗电路，外部掉电检测电路等。STC12C5A60S2的最小系统包括复位电路和时钟电路，复位电路有上电复位、按键复位、看门狗等复位方式，本设计采用按键复位方式。在单片机的X1、X2引脚之间加上11.0592MHZ的晶振，并通过20pF左右的电容接地为单片机提供工作时钟。其最小系统如图下图所示。STC12C5A60S2单片机按键有矩阵键盘和独立式键盘
5、两种形式。由于本设计中所需要的按键并不多，所以采用独立键盘就能够满足本次设计所需，而且节约硬件电路、操作方便。根据选用原则：以最少的按键，实现尽可能多的功能。该系统有7个显示画面，画面的切换需要按键完成，并且系统需要设定温度值，因此根据所需功能和要求，该系统采用的是4个独立式按键，分别为MODE键、UP键、DN键和ENT键。MODE键功能为界面切换，ENT键为实时显示键，UP键起数字加作用，DN起数字减功能。MODE键与单片机P20口相接，UP键与单片机P21口相接，DN键与单片机P22口相接，ENT键与单片机P32口相接，最终完成数码管显示画面切换和温度值设定功能。电路如下图所示。按键模块显
6、示电路采用的是SM42036显示器，该显示器显示的内容主要是温度设定值和测量值，并设计为7个界面的显示，界面切换由按键完成。显示电路图如下图所示。显示模块由于条件所限，该设计没有用到蜂鸣器，而是改为了方便简单的LED灯报警，当温度超过或低于设定温度值时，灯就会亮从而在视觉上报警。报警电路图如下图所示。报警模块下图为硬件实物图软件系统设计对于该温度控制系统，软件部分主要包括系统初始化子程序、电压采集子程序、数据处理子程序、键盘及显示子程序、报警程序。总体设计思路为：首先进行系统初始化，主要是设置定时器的工作方式、赋初值及串行通信的波特率等。在while循环中调用各个子程序，实现温度控制系统的各个
7、功能。温度控制系统主函数流程图设计为如下图所示。软件总体设计数据采集程序设计温度控制系统经过热敏电阻传感器将温度信号转换为电信号，又经过放大滤波电路将电信号转换为标准信号供单片机采集。STC12C5A60S2单片机有8路10位高速A/D转换器，转换口在P1口，速度可达到250KHz，属于逐次比较型ADC。逐次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位开始，顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。数据采集程序流程图如图5.2所示。PID控制算法的实现PID算法有位置式和增量式两种，增量式PID算法得
8、到的结果是增量，也就是说，在上一次的控制量的基础上需要增加（负值意味着减少）的控制量。例如，在可控硅电机调速系统中，控制量的增量意味着可控硅的触发相位在原有的基础上需要提前或迟后的量；位置式算法则表现为当前的触发相位应该在什么位置。在温度控制系统中，增量式算法则表现为在上次通电时间比例的基础上，还需要增加或减少的通电时间比例；位置式算法则直接指明本周期内要通电多长时间。本系统采用的是位置式PID算法。PWM算法的实现 在固定周期的脉宽调制中，设一个周期的时间为一秒，将一个周期平分成一百份。每一份为10个毫秒，在一个周期内的份数由一个变量P控制，而每一份的时间用一个定时器来控制，当每次中断来时P
9、加1，当P到一百十把P赋值成0，开始下一个周期。而在温度控制程序中，另外设定一个变量M,每次M也加一，M到一百十也赋值为零，并且每次M和P进行比较，当MP时便可以让温度元件开始工作，于是开始控温。要实现温度突变时改变超调量，可以将温度和设定的温度进行比较，当温度差值大于某个范围时，可以改变P的初值，这样就可以进行迅速加热，达到快熟调节温度。当温度和设定值接近时可以将P的值减小，从而缓慢加热。数码管显示程序设计 LED显示主要包括数字和小数点的显示，根据MODE键和ENT键的选择随即显示不同的画面。在显示实时测量值画面时，液晶显示有7个画面，显示内容概括如下：画面0：实时显示当前温度值；画面1：
10、对温度进行调节；画面2：P参数进行设置；画面3：对I参数进行设置；画面4：对D参数进行设置；画面5：对温度下限设置；画面6：对温度上限设置。按键程序设计4个按键操作主要在定时器0中断中完成。进入按键扫描程序，如果有键按下就先延时去抖动确定有键按下，再判断是哪个键按下。每个按键具体作用如下：在画面1中，MODE键功能是对下一画面进行切换；在画面2中，ENT键为显示当前值功能，UP键为数字加功能，DN起数字减功能；在画面3,4,5,6中，同画面2功能相同。致谢本次设计与我们接触最多的就是顾振飞老师，所以我最想感谢的就是他，他给我们指导了很多知识，就是这些知识让我在设计中少走了很多弯路，还有在硬件焊接和软件设计中感谢李晨老师，孙康同学的指点迷津，他们的认真负责的态度和孜孜不倦的精神使我受益匪浅，从老师身上学习到了很多专业知识，这对我们以后的学习和工作有很大的帮助，在此，向实验室老师们表示深深的敬意，感谢他们对我的指导和帮助！
