胡玉軒

(國營大眾機械廠第一研究所，山西 太原 030024)

基于STC單片機的智能電子溫度控制系統(tǒng)設計研究

胡玉軒

(國營大眾機械廠第一研究所，山西 太原 030024)

隨著電氣自動化及計算機技術的快速發(fā)展，微機測量與控制技術被廣泛應用于各領域，其中具備較低成本、結構簡單等優(yōu)點的單片機則隨著研究的不斷深入，而作為核心部件被用于實時監(jiān)測和自動控制領域。本文以STC單片機為主控單元，以溫度測量單元構成單總數(shù)字溫度傳感器進行研究，通過設定溫度上下限參數(shù)進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，進而達到一定范圍內溫度的監(jiān)測與控制。

STC單片機;溫度控制;溫度采集

1 系統(tǒng)設計的總體方案

1.1 設計要求與總體方案描述

溫度控制系統(tǒng)廣泛應用于各個領域，不同領域對控制電路的性能指標要求不同。對于工業(yè)領域而言，溫度控制的精度一直以來備受關注，基于STC單片機與數(shù)字溫度傳感器DS18B20的溫度智能控制系統(tǒng)具有較高的控制精度，而且其設計成本操作簡便，增加了實用性[1]。在本系統(tǒng)設計中，對智能溫度控制系統(tǒng)提出了以下設計要求：

一是結合實際需求而設計溫度控制的上下限，并通過LCD顯示器顯示，當溫度超出上下限時則蜂鳴器自動報警；二是采用STC單片機與若干溫度傳感器，并在STC實驗板上完成仿真實驗過程，之后寫出設計報告書；三是控制溫度誤差為：C≤±0.5 ℃。

在本文溫度控制系統(tǒng)設計中，STC單片機為控制核心單元，通過溫度傳感器來實現(xiàn)溫度測量與數(shù)據(jù)傳輸、記錄。系統(tǒng)的總體硬件框架如圖1所示，該系統(tǒng)以STC單片機為核心控制單元，硬件系統(tǒng)包括6個模塊，即按鍵處理模塊、溫度采集模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、超溫報警模塊、LCD顯示模塊。

1.2 系統(tǒng)調試所用軟件簡述

在智能溫度控制系統(tǒng)中，除了需要硬件支持之外，還需要必要的軟件來完成實際操作。在本文設計中，結合了STC單片機的實際情況，選擇Keil軟件作為STC單片機軟件，其包括C編譯器、連接器、宏匯編、庫管理以及功能強大的仿真調試器。在單片機設計中，Keil軟件的調試過程如下：調試文件建立(工程建立)→程序編譯→系統(tǒng)鏈接→系統(tǒng)運行。

圖1 系統(tǒng)總體硬件框架

2 主控單片機及溫度傳感器

2.1 STC單片機簡介

在本文的智能溫度控制系統(tǒng)設計中，STC單片機選擇STC15系列單片機，15是在11、12的基礎上增加了更為強大的功能，而且速度提升了20%以上，內置RC振蕩器精度更高，溫飄更小且可選擇多個頻率，四個獨立串口，硬件SPI接口，4 K內部擴展SRAM，5路定時器，6路CCP/PCA/PWM比較捕獲單元。STC15系列單片機通用I/O口，無需專用編輯器。STC15系列單片機具有速度快、超低功耗、輸入/輸出口多、可送STC-ISP下載編輯器、支持掉電喚醒的管腳等優(yōu)點[2]。

2.2 STC單片機應用

STC15系列單片機在智能溫度控制系統(tǒng)中應用時，其所有I/O口均可由軟件配置成推挽輸出、準雙向口、僅輸入、開漏輸出等4種工作類型之一[3]。在本文設計中，結合實際需求，STC15系列單片機I/O口為準雙向口模式。在STC15單片機中，其A/D轉換口在P1(P1-P10)口，用戶通過軟件設置可將8路中的任一作為自己的A/D轉換口。在STC15單片機A/D轉換中，先通過軟件設置P1口的工作模式，然后將A/D轉換口的特殊功能寄存器編制相應位置，并設置相應模擬功能。在確定A/D轉換功能之后，對其轉換速度進行控制，即A/D轉換所需時間，通常包括以下幾個類型：1) 70個時鐘周期轉換一次；2) 140個時鐘周期轉換一次；3) 280個時鐘周期轉換一次；4) 420個時鐘周期轉換一次。A/D轉換完成之后的結果被存儲在轉換結果寄存器里。

2.3 DS18B20溫度傳感器

在本文溫度控制系統(tǒng)的設計中，溫度傳感器使用DS18B20傳感器，能夠實現(xiàn)-55 ℃～+125 ℃的測溫范圍，并且固有測溫分辨率0.5 ℃，在實際運行中不需要再次添加其他外圍原件。DS18B20傳感器的引腳包括DQ、GND、VDD，其內部結果包括溫度傳感器、64位光刻ROM、配置寄存器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL。DS18B20傳感器采用獨特的寄生電源供電方式，具有無需本地電源、無常規(guī)電源讀取ROM、電路簡潔、一根I/O口實現(xiàn)測溫等優(yōu)點。

2.4 溫度傳感器工作原理及注意事項

DS18B20傳感器具有更高的測溫精度以及更快的溫度轉換延遲，其測溫工作原理如圖2所示，其中低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生用于基數(shù)的固定脈沖，而高溫度系數(shù)振蕩器對溫度的敏感性較高，用于產(chǎn)生測溫脈沖，然后結合高溫度系數(shù)振蕩器與地溫度系數(shù)振蕩器的脈沖數(shù)值進行相互補償，最終得出修正后的數(shù)值就是所測溫度[4]。

在實踐應用中發(fā)現(xiàn)，雖然DS18B20傳感器具有諸多優(yōu)點，但仍需要注意以下主要問題：一是對DS18B20傳感器進行讀寫編程時需嚴格保證讀寫時序，二是單總線上所掛DS18B20傳感器不能超過8個，三是鏈接DS18B20傳感器的總線纜長度需進行有限控制。

圖2 DS18B20傳感器工作原理框架圖

3 溫度監(jiān)控系統(tǒng)總體設計

3.1 電源輸入部分

在本文設計的溫度控制系統(tǒng)中，對于系統(tǒng)主控部分需要5 V直流電進行供電，因此直接220 V有效值、50 Hz頻率的單項交流電需要進行轉換，即單項電流經(jīng)過電源變壓器、濾波電路、整流電路、穩(wěn)壓電路等，最終轉換為該系統(tǒng)主控所用的5 V直流電。在這種要求下，本系統(tǒng)電路選擇H7805集成穩(wěn)壓芯片，該芯片輸出電流與電壓分別為1 A與5 V，而且可實現(xiàn)短路保護與過熱保護。

3.2 鍵盤及顯示電路

在該系統(tǒng)中，非編碼鍵盤有矩陣式與獨立式兩種，鍵盤接口的過程為：判斷按鍵→按下按鍵識別→讀鍵值→判斷多個按鍵按下。通常為了避免多按鍵按下時產(chǎn)生的錯誤讀鍵值，可采用的方法有雙鍵鎖定法與N鍵輪回法。顯示電路的設計中，顯示器選用LCD液晶顯示面板，采用最基本的VCC和GND電源即可。在顯示器中E信號包括“忙標志BF”、“字型產(chǎn)生ROM”、“顯示數(shù)據(jù)RAM”、“地址計數(shù)器AC”。

3.3 溫度模塊

基于STC單片機的溫度控制系統(tǒng)，DS18B20溫度傳感器的工作流程可表述為：DS18B20傳感器的初始化時序→DS18B20溫度傳感器的寫和讀操作→存儲操作指令→數(shù)據(jù)傳輸→完成顯示。此外，在該模塊中需要設計超溫報警電路，及配備蜂鳴器模塊。溫度檢測的整體工作流程為：開始→初始化DS18B20溫度傳感器→發(fā)跳過ROM命令并轉發(fā)溫度轉換命令→等待轉換完成：I=1→初始化DS18B20→發(fā)匹配ROM命令并發(fā)第1個DS18B20的ID→讀取溫度到緩沖區(qū)→調用溫度處理子程序→第n個DS18B20處理完成。

4 結束語

本文研究的基于STC單片機智能電子溫度控制系統(tǒng)具有測溫準確、敏感度高、小巧美觀、便于攜帶等優(yōu)點，而且讀數(shù)十分方便，測溫范圍也較廣，系統(tǒng)穩(wěn)定且簡單實用，經(jīng)濟成本較低，能夠廣泛應用于溫度測控領域。此外，在面對更為復雜的外圍環(huán)境時，可同個增加相應芯片進行擴展，這使得系統(tǒng)具有較強的可拓展性。

[1] 劉曉藝，劉清平.基于STC89C52單片機的溫度采集與控制系統(tǒng)設計[J].科技廣場,2016(6)：186-188.

[2] 孫立峰.基于STC單片機塑料大棚溫濕度控制系統(tǒng)的設計與研究[D].阿拉爾：塔里木大學,2015.

[3] 張威.基于STC15單片機的分布式溫度控制系統(tǒng)設計[J].赤峰學院學報(自然科學版),2016(7)：24-25.

[4] 呂高，霍達.基于STC12C5A60S2單片機的溫度控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].電力學報,2015(6)：263-267.

Research and Design of Intelligent Electronic Temperature Control System Based on STC Microcontrollers

Hu Yuxuan

(The1thInstitute,State-ownedDazhongMachineryFactory,TaiyuanShanxi030024，China)

With the rapid development of electrical automation and computer technology, the microcontroller’s measurement and control technology is widely used in various fields. With the deepening of research, the microcontrollers which have the advantages of low cost and simple structure are taken as the core component to be used for real-time monitoring and automatic control field. In this paper, the research is made with the STC microcontroller which as the main control unit and the temperature measuring unit which forms a single total digital temperature sensor, by setting the temperature upper and lower parameters for data monitoring to monitor and control the temperature within a certain range.

STC microcontrollers; temperature control; temperature acquisition

2017-06-12

胡玉軒(1986- )，男，山西太原人，助理工程師，主要從事電氣自動化技術研究。

1674- 4578(2017)04- 0087- 03

TP273.5

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