基于铂电阻的温度测控系统

摘要摘要 基于铂电阻的温度测控系统由智能控制部分，传感器检测部分，操作平台部分，电源部分组成。本次设计是在常用万用板这一操作平台上完成的。传感器部分运用了铂电阻pt100测温模块。智能控制部分包括四个主要模块：单片机控制模块，驱动模块，显示模块，按键控制模块。 本系统中，是以STC12C5A60S2单片机为控制核心，控制恒温箱的温度保持在设定的一个温度值上下轻微波动。设计中利用铂电阻pt100热敏传感器检测恒温箱温度，控制恒温箱的温度调节模块；利用按键改变恒温箱的温度设定值从而控制温度调节模块是升温还是降温；利用1602显示屏显示当前PID参数值，PWM值，设定温度值以及测量温度值。整个系统的电路结构简单，测量简单，可靠性能高。实验测试结果基本满足要求，本文着重介绍该系统的硬件设计方法及各组成部分的作用。 采用的技术主要有：（1） 通过编程由键盘设定控制算法参数值以及恒温箱温度；（2） 对铂电阻pt100的计算公式进行编程；（3） 温度传感器测温电路的设计及有效应用；关键词：铂电阻pt100 STC12C5A60S2 恒温箱 1602液晶显示屏AbstractPlatinum resistance temperature measurement and control system based on by the intelligent control section, consisting of sensor detection portion, the platform section, power section. This design is on the board of the universal common platform to complete. Partial use of a platinum resistance sensor pt100 temperature measurement modules. Intelligent control part consists of four main modules: SCM control module, driver module, display module, key control module.The system is based on STC12C5A60S2 microcontroller core, maintaining the temperature control thermostat slight fluctuations in the value of a set of upper and lower temperature. Design utilizing thermal sensor pt100 platinum resistance temperature detection thermostat control thermostat temperature control module; use the button to change the oven temperature to control the temperature setpoint adjustment module is warming or cooling; take advantage of 1602 display shows the current PID parameters value, PWM value, the set temperature and the measured temperature value. A simple circuit structure of the whole system, the measurement is simple, high reliability. Experimental test results meet the basic requirements, the paper focuses on the hardware design of the system and its integral role in part.Technologies used are:(1) by programmed control algorithm parameter values from the keyboard and the oven temperature; (2) the calculation formula for programming pt100 platinum resistance; (3) Temperature sensor temperature measurement circuit design and effective application;Keywords: Pt100 platinum resistance STC12C5A60S2 Incubator 1602LCD display目录目 录第一章 绪论11.1选题依据11.2目的及意义11.3本课题所涉及的国内（外）研究现状及发展预测11.3.1国外温度测控系统研究11.3.2国内温度测控系统研究2第二章 总体方案设计及论证选择32.1 总体方案设计32.2 各方案的选择32.2.1测温电路的方案选择32.2.2显示模块方案选择82.2.3单片机控制模块方案选择82.2.4 A/D转换部分案犯选择82.2.5 输出控制模块方案选择82.2.6 电源模块方案选择9本章小结9第三章 硬件设计103.1单片机主控模块设计103.1.1控制芯片管脚图103.1.2 时钟电路123.1.3 复位电路123.1.4 键盘电路133.2铂电阻测温电路模块：133.3 A/D转换电路模块163.4 显示模块设计183.5 控制电路203.5.1 小功率风扇203.5.2 加热管20本章小结21第四章 软件设计224.1 主程序设计224.2 A/D转换设计244.3液晶显示屏设计25本章小结26第五章 系统调试275.1 硬件调试275.1.1 硬件静态调试275.1.2 测温电路调试275.1.3 单片机主控模块调试285.1.4 控制输出模块的调制285.2 软件调试295.3 软硬件结合调试29I本章小结30第六章 总结32参考文献及网站34附录 A47附录 B48附录 C49III第一章 绪论第一章 绪论1.1选题依据人们的生活水平随着科技的不断发展而不断的提高，温度的测量与控制无论在工业生产过程之中，还是在人们的日常生活之中都起着很重要的作用，而如今，我国农村的大多数如锅炉取暖等都还没有温度控制这一系统，设备很简单的一些温度器材以及纸质的数据记录仪还一直在部分厂矿，企业沿用着。温度的数据测量和控制还无法实现。随着当今社会经济的不断发展，对于温度的控制精度的可靠性，稳定性等，越来越多的生产部门和生产环节有了更高的要求。传统生产中的温度控制器的控制精度普遍都不是很高，对于温度要求较为苛刻的生产环节还不能满足。在温度控制中，由于受到温度被控对象特性（如惯性大、滞后大、非线性等）的影响，使得控制性能难以提高，有些工艺过程其温度控制的好坏直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有意义和价值的。1.2目的及意义通过对温度测控系统的设计，制作，联系自动控制相关知识，了解信息采集测试，反馈，校准，控制及通信的全过程，提高在电子工程设计和实际操作方面的综合能力，初步培养在完成设计项目中所应具备的基本素质和要求。培养研发能力，通过对多个电子电路的设计，初步掌握在给定条件和要求的情况下，如何达到以最经济实用的方法，巧妙合理的去设计系统中的某一部分电路，并将其连接到系统中去，通过软件编程实现系统功能。培养自己的动手能力，提高查阅资料，语言表达能力和理论联系实际的技能。1.3本课题所涉及的国内（外）研究现状及发展预测1.3.1国外温度测控系统研究国外对温度控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，对现场进行信息的采集，然后对现场所采信息进行指示以及记录，控制。控制系统的分布式出现于80年代末，目前计算机的多因子综合控制系统（基于数据采集控制系统）正开发研制中。现在温度测控技术在世界各国发展的都很快，完全的自动化和无人化是目前一些实现自动化的国家致力于发展的方向。1.3.2国内温度测控系统研究 温度测控系统技术的研究在我国发展的较晚，起始于20世纪80年代。在吸收了发达国家的温度测控系统技术的基础上，我国工程技术人员才掌握了室内温度的微机的控制技术，但是此技术只能对单项的环境因子温度进行控制。从总体上我国计算机应用中的温度测控设施，已经逐渐摆脱消化吸收和简单应用这两个阶段，正向着实用化的、综合性的应用阶段方向发展。单参数单回路系统是目前单片机控制技术领域应用最广泛的，真正意义上的多参数的综合控制系统尚且没有，较大的差距存在于我国与发达国家之间。在我国，工厂化程度的温度测量控制系统还远远没有达到，装备的配套能力差，产业化的低程度以及弱后的环境控制水平和不能共享软硬件资源，可靠性差等仍然是实际生产中困扰着我们的问题。本章小结 通过对温度测控系统的了解和研究，让我选择了本次课题的设计和研究，并让我对这一课题产生了浓厚的兴趣。63第二章 总体方案设计及论证选择第二章 总体方案设计及论证选择2.1 总体方案设计本次设计用到了主控模块，温度测量模块，电源模块，显示模块，温度调节模块，输出控制模块。温度调节模块控制恒温箱是上升温度还是下降温度，电源模块为整个系统提供动力。温度测量模块通过设计测温电路测量恒温箱的内部温度，主控模块包括单片机及键盘，用来设定，采集，处理数据及输出控制信号，显示模块通过1026显示屏显示设定温度及测量温度，输出控制模块根据控制信号输出PWM值来升温或降温以保持恒温箱处于设定的温度，下图2-1为系统总体方案。参数值，温度显示A/D转换部分STC12C5A60S2单片机Pt100铂电阻温度测量电路PWM1(风扇)控制电路（恒温箱）PWM2（加热管）键盘（参数值，温度设定）图2-1 温度测控系统系统框图2.2 各方案的选择2.2.1测温电路的方案选择 方案一 此方案采用桥电路进行测量，恒流源作为驱动电路，最后通过三运放仪用放大器进行信号放大并输出。1.1 恒流源驱动电路图2-2 恒流源驱动电路此部分主要用于解决非线性的问题，以下为输出电流的计算公式： I=1/R161.2 电桥测量电路 本设计采用直流电桥作为信号测量电路，直流电桥电路结构简单，可以实现微小阻值变化的转换。电桥后边需要接运算放大器，由于运算放大器的输入阻抗很高，比电桥的内阻大很多，因此可以把电桥输出端看成开路，四臂直流电桥的示意图如图2-3a所示，其平衡条件为:R1R2=R3R4此时电桥的输出电压为：U0=Ui=(R1R4-R2R3)/(R1+R2)(R3+R4)当RgR1=R2=R3=R4,由式得U0=0；当模拟pt100的滑动变阻器有输出R时，如图2-3b所示，此电桥不再平衡，两输出端有一定的电压差UI=I(R3+R4)U1=Ua/2=I(R3+R4)/2U2=UaR4/(R3+R4)=IR4U=I(R4-R3)/2由式所示，当温度变化时，R4发生变化，使得从输出电压发生变化，通过对输出信号的放大测量，即可得出电阻变化，再根据铂电阻Pt100温度阻值对照表即可得出所测量的温度。 a b图2-3 电桥测量电路1.3 放大电路 经过理论分析和实验验证，选用100K的电阻组成全桥电路，当采用正负15V电源供电时，输出的电压约为毫伏级别,是非常微弱的电压信号。要想使AD能够不失真的转换此信号，需要对该微弱信号进行进一步的处理。 本电路选用三运放构成仪用放大器对信号进行放大，通过调节R8的阻值来改变放大倍数。图2-4 放大电路桥电路输出的两路电压分别从U1和U2输入放大电路，则输出电压为：A=(1+2R7/R8)/R5/R6 U0=A*U+Uref=（1+2O/Rg）（R4-R3）I/2由上式可以看出输出电压值和阻值变化成线性关系，可以通过改变Rg和I的值来调整输出电压的范围。 方案二 此方案采用恒流源作为驱动电路，差动式放大电路进行信号检测和放大最后输出。 1.1 恒流源驱动电路 本电路中温度传感器Pt100由恒流源驱动电路负责驱动，将其感知的随温度变化的电阻信号转换成可测量的电压信号。由于相比于温度对晶体管或场效应管参数的影响，温度对集成运算放大器参数的影响较小，并且由集成运算放大器构成的恒流源存在稳定性更好、恒流性能更高的优点。尤其在负载一端需要接地的场合，获得了广泛应用。 所以本设计采用了图2-5所示的原理图（双运放的恒流源）。其中加法器由U1构成，U2构成电压跟随器，U1、U2都选用低失调、低噪声、高开环的增益的双极性的运算放大器OP07AZ。图2-5 恒流源的驱动电路其中Va和Vb分别为参考电阻Rref0(R5)的上下的两端电位V2和V3分别为U1两相输入点位，Va为相同加法器U1的输出，Vb为电压跟随器的输入。当取电阻R1=R2，R3=R4时，可得出(0-V2）/R1=(V2-Va)/R2 V2=V3 (Vref-V3)/R3=(V3-Vb)/R4 所以输出电流为（恒流源）： I=（Va-Vb）/Rref0=Vref/Rref01.2 信号调理电路图2-6 信号调理电路信号调理电路上图所示,其中I为电流输入，V1为U4正相输入端电压，Rt（R7）为铂电阻, VINN为差分放大器反向输入端电压值，VINP为差分放大器的正向输入端信号。电流I输入后，放大器U4对参考电阻R6的端电压进行单位放大后得到差分放大器反向输入端信号，其值为： VINN=IR6+V1=+V1=IRt=从而得到 VINN=I(R6+Rt)=+ 放大器U4对温度传感器Rt（Pt100）的端电压放大2倍后得到差分放大器的正向输入端信号，其值为：(0-V1）/R8=(V1-VINP)/R9其中R8=R9, 从而得到VINP=2IRt= 最终我们可以得到V=VINP-VINN=I(Rt-R6)=-=-V 由此可见，此种信号调理电路输出的电压差与铂电阻的阻值成正比，这样便很好地解决了非线性的问题。初步拟定用方案一,处于经济，简练，以及针对毕业设计而不是工业设计，在方案一的基础上简化实物电路，采用两线制的测温电路设计。2.2.2显示模块方案选择方案一：液晶显示。液晶显示省电，但是使用温度范围限制，且因是反光式的，在外界光线很明亮的情况下很容易看不清楚。方案二：数码管显示。虽然消耗电力比液晶多一点，但是数码管显示更加清晰，更加适合在白天等强光条件下显示。经过论证，由于要显示设定温度，测温电路，算法PID参数值以及PWM输出值，所以方案一更适合。2.2.3单片机控制模块方案选择由于之前课程设计时我使用的开发板上我使用的单片机是 STC12C5A60S2进行设计的，而且输出PWM值，为了降低成本和简化设计（省去D/A转换电路），所以本次设计中我也选择采用STC12C5A60S2作为控制核心。STC12C5A60S2单片机内部原本就自带60K FLASH ROM,在这工艺的基础上，用户用电的方式可以瞬间擦除和改写存储器。且STC单片机系列可以通过串口烧写程序。显然，对开发设备，这种单片机的要求很低，也大大缩短了开发的时间。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。重要的一点STC12C5A60S2目前的售价与传统51差不多，市场供应也很充足。是一款高性价比的单片机。2.2.4 A/D转换部分案犯选择由于任务要求，A/D转换器将采用12位及12位以上的集成芯片，目前决定用型号为TLC2543CN的12位串行模数转换器，是使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程的。由于其是串行输入结构，能够节省单片机I/O资源，且价格适中，分辨率较高。2.2.5 输出控制模块方案选择简易恒温箱制作方案一：用旧家具（用一个淘汰的床头柜等旧家具，形状是长方体形的）制作。方案二：用泡沫塑料箱制作。两种方案都用型号为220V/50Hz/65W上海新华电器厂生产的朗的牌4U电子节能灯；小功率电扇；电线若干等。经过考虑，采用方案二。2.2.6 电源模块方案选择方案一：选用四节干电池作为供电电源方案二：选用电源适配器经考虑，为了实物整体开起来简练，选用方案二。并且使用DC-DC电源模块稳压。本章小结选择各方案过程是个不断确定又否定的过程，通过方案的最终确定，学着利用身边的各种资源，不仅让我学习到了很多课本上学不到的知识，也让我学会了如何区分、利用自己所学到所了解的资料，用以更好的解决问题。在这里让我也明白考虑分析实际问题不是一件简单的事情，得从多方面进行：比如实用性，可行性，廉价性等等。与此同时也让我认识到独立思考以及查找资料与实际相结合的学习方法的重要性。常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书第三章 硬件设计 根据第二章的总体方案的设计进行具体设计，一下为各模块的具体设计及相关介绍。3.1单片机主控模块设计主控系统主要采用STC12C5A60S2单片机作为中央处理器，系统主要包含检测信号输入端口，按键输入端口，液晶显示屏1602控制输入端口，以及PWM值输入端口，用以调节恒温箱。3.1.1控制芯片管脚图图3-1-1 STC12C5A60S2管脚图 STC12C5A60S2单片机简介： 宏晶科技生产的STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是单时钟/机器周期(1T)单片机，是具有抗干扰超强/低功耗/高速的新一代8051单片机，传统的8051的指令代码与其完全的兼容,但速度快8-12倍。且其内部集成了MAX810专用的复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),面向电机的控制以及强干扰场合。STC12C5A60S2单片机主要特性如下： 1.增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，传统的8051的指令代码与其完全的兼容;2.工作电压：STC12C5A60S2系列工作的电压范围：5.5V-3.3V(5V单片机)STC12LE5A60S2系列工作的电压范围：3.6V-2.2V(3V单片机);3.工作频率的范围：0 - 35MHz，相当于一般的8051的 0420MHz;4.用户的应用程序的空间8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字节;5.片上集成1280字节RAM;6.通用I/O口(36/40/44个)，复位后为：弱上拉/准双向口(普通8051传统I/O口)，可设置为四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口的驱动能力均能达到20mA，整个芯片的最大值不要大过55Ma;7. ISP(系统可编程)/IAP(应用可编程)，不需要专用的编程器，不需要专用的仿真器，通过串口(P3.0/P3.1)可以下载用户程序，数秒便能完成一大片;8.有EEPROM的功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM);9. 看门狗;10.内部集成了MAX810的专用的复位电路(在外部的晶体12M以下的情况下，复位脚可以直接1千欧的电阻接到地);11.检测电路外部掉电:在P4.6口存在低压门槛的比较器，1.32V是5V的单片机，误差+/-5%，1.30V是3.3V的单片机，误差为+/-3%;12.时钟源：高精度的晶体/时钟（外部），内部R/C振荡器(温漂为+/-5%至+/-10%之内) 1用户可以选择内部的R/C振荡器或者外部的晶体/时钟其中之一使用，当下载用户的程序时，常温下的内部R/C振荡器的频率为：5.0V的单片机是：11MHz至15.5MHz，3.3V的单片机：8MHz至12MHz，当精度没有太高的要求时，可使用内部的时钟，但由于温漂以及制造误差的存在，所以要以实际的测试为准；13.共有4个16位的定时器，两个定时器和计数器与传统的8051兼容,16位的定时器T0与T1，定时器2没有，但是其有独立的波特率发生器，可以做串行的通讯波特率发生器，加上2路的PCA模块即可实现2个16位的定时器;14. 2个时钟的输出口，在P3.4/T0端口输出的时钟（由T0溢出），在P3.5/T1端口输出的时钟（由T1溢出）;15.7路外部的中断I/O口,传统的低电平的触发产生中断或下降沿触发使中断产生，以及新增加了模块PCA（支持上升沿的中断），外部中断可唤醒模式Power Down，P3.2/INT0,P3.3/INT1,P3.4/T0, P3.5/T1, P3.0/RxD,P1.3/CCP0，也可设置寄存器改至P4.2口 , P1.4/ CCP1，也可设置寄存器改至P4.3口;16. 2路PWM/2路可编程的计数器阵列PCA：也可实现2路D/A的使用也可实现2个定时器的使用也可实现2个外部的中断(可分别或者同时支持下降沿/上升沿的中断);17.A/D转换, 10位精度ADC，8路端口，转换的速度达到250K/S(每秒25万次)18.UART全双工的异步的串行口，由于8051系列中STC12是高速的，可以通过定时器或者软件PCA来使得多串口能实现;19. STC12C5A60S2系列是存有双串口的，后缀有S2标志的为双串口，RxD2/P1.2和TxD2/P1.3，也可设置寄存器改到P4.2口和P4.3口;20.工作的温度范围：工业级为-40 - +85 /，商业级为0 - 7521.封装：PDIP-40,LQFP-44以及LQFP-48， I/O口不够时，可外接2至3根普通I/O口线，74HC164/165/595都可通过级联来扩展I/O口, 还可用A/D当扫描按键以此来节省I/O口，或者两个CPU，三线通信，还多了串口。3.1.2 时钟电路图3-1-2 时钟电路原理图 时钟电路如图3-1-2所示。单片机内部振荡器反相放大器的输入端为XTAL1，输出端则是XTAL2，当外部振荡器使用时，XTAL1端应直接加外部振荡的信号，且XTAL2是悬空的。当是内部的方式时，振荡脉冲被时钟发生器二分频，比如晶振是12MHz，那么时钟频率为6MHz。晶振频率可以在1MHz-24MHz内选择。本系统时钟电路的设计应用了内部方式，就是用芯片内部振荡电路。高增益的反相放大器存在于单片机内部用于构建成振荡器。此放大器输入端，输出端分别是引脚XTAL1，XTAL2。自激振荡器由此放大器和片外的晶体谐振器（作为反馈元件）一起构成。并联的谐振电路由外接的晶体谐振器和电容C1，C2一起构成，连接于放大器反馈回路之中。虽然外接电容值对此没有严格要求，但震荡器的频率高低、震荡器稳定性、起振快速性以及温度稳定性都会受到电容大小的影响。因此，该系统电路晶体振荡器值设为12MHz，陶瓷电容为此系统可选择的电容中最适合的。为了减少寄生的电容，以及更好保证震荡器的稳定，可靠地工作，电路板在焊接刷时应使电容尽可能的靠近晶体振荡器。3.1.3 复位电路 振荡器在运行时，在此引腿出现高电平时,24个振荡周期中至少有两个机器周期，可以复位单片机，只要高电平在此脚保持，便可循环复位51系列芯片。复位后置P0P3口为1，是这些引脚输出高电平，让程序计数器和SFR（特殊功能寄存器）全部清零。当高电平向低电平变化出现在复位脚时，运行程序开始于ROM芯片的00H处。外部复位电路用来实现复位。RST（复位引脚）通过复位电路连接一个斯密特触发器以此来实现片内复位，噪声通过斯密特触发器来抑制，每机器周期S5P2为它的输出，每次复位电路采一次样。上电自动复位，按钮复位是复位电路采用的两种方式，上电和按钮复位是此电路系统采用的方式。本设计采用的复位电路如图3-1-3所示图3-1-3 复位电路原理图3.1.4 键盘电路 本次设计设置有三个按键：设置健p1.0，加健p1.1，减健p1.2。健p1.0主要是用来移位方便设置以及启动，加健是设置参数值时增加参数值，减健是减小参数值，每一个按键一端接地，另一端接单片机端口。低电平有效，当按键按下端口接地，单片机捕获到低电平，从而知道相应的输入信息。原理图如图3-1-4所示：图3-1-4 按键电路原理图3.2铂电阻测温电路模块： 铂热电阻pt100，简称PT100铂电阻，其阻值随着温度变化而改变。PT后的100即表示它的阻值是100欧时其温度为0，阻值为138.5欧左右时其在100。它的工业原理：当PT100在0摄氏度时他的阻值为100欧姆，其阻值会均匀的增长随着温度的不断上升。 铂电阻一般应用于宽范围的、高精度的温度测量的领域，比如： 轴瓦，缸体，油管，水管，汽管，纺机，空调，热水器等狭小的空间的工业设备的测温与控制；冰箱、烘干机、饮水机、咖啡机、冷柜，汽车空调以及恒温箱、中低温的干燥箱等；制冷/供热管道的热量的计量，工业领域的测温与控制以及中央空调的分户热能的计量。 其实物图如图3-2-1所示：图3-2-1 铂电阻pt100实物图 3.2.1 铂电阻pt100测温电路原理图如图3-2-2所示：图3-2-2 铂电阻pt100测温电路原理图 如图3-2-2所示，R1，R2，R3和pt100C组成传感测量电桥，从电桥获取差分信号并经两级的运放放大之后经过A/D转换器再输进单片机，可采用可调变阻器代替电桥的一个桥臂的电阻，输入至运放的差分电压的信号大小可以通过调节可调变阻器，这个通常被用于调节零点。 放大电路取用的是集成运算放大器LM358，为了不让单级放大的倍数过高的情况出现，导致带来非线性误差，于是放大电路采取两级放大，前一级大约放大10倍，后一级约放大3倍左右。温度在0100度变化，温度上升时，pt100的阻值变大，差分信号随之变大（输入放大电路），放大电路输出电压对应的升高。 3.2.2 集成运算放大器 LM358是常用双运放,LM358里面存有两个双运放（具有高增益、独立的、内部频率补偿的功能），不仅适用于双电源工作的方式而且适用于单电源在其电压范围很宽的情况下，直流增益模块、传感放大器以及其他能用单电源供电使用运放的地方都在其应用范围内。其引脚图如下图3-2-3所示：图3-2-3 集成运算放大器LM358引脚图LM358集成预算放大器的特点：1. 内部频率的补偿；2. 低输入的偏流；3. 低输入而失调的电压以及失调的电流；4. 共模输入的电压范围宽，并且包括接地；5. 差模输入电的压范围宽，而且等于电源的电压范围；6. 直流电压增益高(约100dB)；7. 单位增益频带宽(约1MHz) ；8. 电源电压的范围宽：330V为单电源；9. 双电源(1.5 一15V)；10. 电池供电要用低功耗的电流；11. 输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V)。3.2.3 铂电阻分度值表：01234567890100100.39100.78101.17101.56101.95102.34102.73103.12103.5110103.9104.29104.68105.07105.46105.85106.24106.63107.02107.420107.79108.18108.75108.96109.35109.73110.12110.51110.9111.2830111.67112.06112.45112.83113.22113.61114.99114.38114.77115.1540115.54115.93116.31116.7117.08117.47117.85118.24118.62119.0150119.4119.78120.16120.55120.93121.32121.7122.09122.47122.8660123.24123.62124.01124.39124.77125.16125.54125.92126.31126.6970127.07127.45127.84128.22128.6128.98129.37129.75130.13130.5180130.89131.27131.66132.04132.42132.8133.18133.56133.94134.3290134.7135.08135.46135.84136.22136.6136.98137.36137.74138.12100138.5138.88139.26139.64140.02140.39140.77141.15141.53141.91图3-2-4 铂电阻分度值表3.3 A/D转换电路模块 本次设计采用TLC2543 A/D转换器，TLC2543是TI公司的12位串行的模数转换器，A/D转换过程是使用开关电容的逐次逼近的技术完成的。 3.3.1 TLC2543的特点：（1）12位分辩率A/D转换器； （2）在工作的温度的范围内有10s的转换时间；（3）存有11路模拟信号输入的通道；（4）存有3路内置的自测试的方式； （5）其采样率是66kbps； （6）其线性误差在1LSBmax之间； （7）其具有EOC(转换结束输出)； （8）有双、单极性的输出； （9）MSB，LSB前导可编程； （10）输出数据的长度可编程。 3.3.2 TLC2543引脚的排列和说明： TLC2543有两种封装形式：DB、DW或N封装以及FN封装，这两种封装引脚的排列如图3-3-1，引脚的说明见表1。图3-3-1 TLC2543的封装图引脚号名称I/O说明19,11,12AIN0AIN10I模拟量的输入端，11路的输入信号为内部的多路器所选通，对于I/OCLOCK为4.1MHz，驱动源的阻抗须小于或者等于50，且用容值为60pF的电容去限制模拟量的输入的电压的斜率15/CSI片选端，当端口电压由高降低时，内部的计数器将复位，由低升高时，设定的时间内DATAINPUT，I/O CLOCK被禁止17DATAINI串行的数据输入端，由4位串行地址的输入来选取模拟量的输入通道16DATA OUTO三态串行的输出端（A/D转换）。处于高阻抗的状态时为高， 处于激活的状态时为低19EOCO转换的结束端，在最后I/OCLOCK的下降沿后，EOC将从高电平跳至低电平且保持至转换的完成以及数据的准备传输为止10GND地，GND为地回路端（内部电路），除有另外的说明外，所有电压的测量都是相对于GND而言的18I/O CLOCKI输入/输出的时钟端，串行输入的信号被I/O CLOCK接受并且完成下面的四个功能：（1）在I/O CLOCK的首8端上升沿，输入的8位数据存于输入数据的寄存器。（2）在I/OCLOCK第4个下降沿，电容器开始被所选通的模拟输入电压充电，直到最后一个I/O CLOCK的下降沿为止。（3）将前一次的转换的数据其余的11位输出至DATA OUT端口，数据开始变化（在I/OCLOCK的下降沿时）。（4）在I/OCLOCK最后一个下降沿时，内部的状态控制位将被传送转换过的控制信号14REF+I电压端正基准，基准电压的正端（通常为Vcc） 被加到REF+，最大的输入电压范围由加于本端与REF-端的电压差决定引脚号名称I/O说明13REF-I负基准电压端。基准电压的低端（通常为地）被加到REF-20Vcc电源表1 TLC2543引脚说明3.4 显示模块设计数字系统运行的状态以及工作数据普遍的通过显示器来直观的显示，按照产品工艺及其材料，单片机的应用系统之中常用显示器有： 液晶LCD显示器、CRT显示器、发光二极管LED显示器等。本次设计因为设计的需要，采用1602液晶显示器，1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示数字、符号、字母等点阵型液晶模块。它由若干的点阵字符位5X7或者5X11等组成，字符可以被任个点阵字符位显示，一个点距间隔存在每位之间，每行的之间也存有间隔，作用是起到了行间距以及字符间距，正因为如此所以它不能很好地显示图形，由于设计只要显示字符和数值，所以1602液晶足够本次设计使用，1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。其实物图如图3-4-1所示：图3-4-1 1602液晶显示屏实物图1602LCD的基本参数及引脚功能说明1602LCD可分为不带背光以及带背光这两种，大部分采用HD44780为基控制器，不带背光的比带背光的薄，但两者在应用中并没有什么差别。1602LCD主要的技术参数： 显示的容量:字符个数为162 ； 芯片工作的电压:4.55.5V ； 芯片工作的电流:2.0mA(5.0V) ； 模块最佳的工作电压:5.0伏特 ； 字符的尺寸:2.954.35(WH)mm 。引脚的功能说明：1602液晶LCD显示屏采用的是标准14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口的说明如表2所示:编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL显示液晶偏压11D4数据4RS命令/数据选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源的正极8D1数据16BLK背光源的负极表2 1602液晶LCD引脚的接口说明表第1脚：VSS是为地电源； 第2脚：VDD接的是+5V的正电源；第3脚：VL是液晶显示器的对比度的调整端，对比度最弱是接到正电源的原因，对比度最高则要接地，对比度的过高时会导致“鬼影”，使用的时候可以用一个10千欧的电位器去调整对比度； 第4脚：RS意为寄存器的选择，当高电平的时候，选择的是数据寄存器，当低电平的时候，选择的是指令寄存器； 第5脚：R/W是读写的信号线，高电平的时候开始进行的是读操作，低电平的时候进行写操作。能写入指令或能显示地址只能当R/W和RS同为低电平的时候，当R/W为高电平而RS为高电平的时候可以读取忙信号，当R/W为低电平而RS为高电平的时候能够写入数据； 第6脚：E端是使能端，当E端的电平由高跳变到低的时候，液晶模块开始执行命令； 第714脚：D0D7为8位的双向数据线； 第15脚：背光源的正极； 第16脚：背光源的负极。3.5 控制电路3.5.1 小功率风扇 此次控制电路里面用的风扇是AVC型号风扇，这款风扇是低噪音的轴向风扇，它的尺寸是7厘米7厘米，厚度是2厘米，使用的是双滚珠轴承，它的工作电压是12伏特，转速是超高转速的，控制为一般控制。一般情况下转速越高噪音越大，这主要是由于风切与共振引起的，但风量风压越大散热效果越好，所以当恒温箱温度上升越高风扇就会转得越快。风扇实物图如图3-5-1：图3-5-1 AVC型号风扇3.5.2 加热管 加热管指在无缝的金属管道内（钛管、铜管、碳钢管、不锈钢管）装上电热丝，将具有良好的绝缘性以及导热性的氧化镁粉末填满空隙部分之后缩管制成，再根据用户所需的各种型状去加工。它具有简单的结构，很高的热效率，良好的机械强度，对恶劣环境的适应性良好。它能够用于各种液体和酸碱盐的加热，同时也适应低溶点的金属加热溶化（铅、锌、锡、巴氏合金）。加热管实物图如图3-5-2所示：图3-5-2 加热管实物图本章小结本次的硬件设计可谓是一波三折，首先要用Protel软件进行实物图的原理图绘制，布置尽可能简练的原理图方便之后的硬件焊接，再者就是测温电路的简化设计，参照网上收集的资料，进行了铂电阻二线制测温电路的焊接，通过不同的尝试，中途出现过线路焊接错误，正负级错误，或者电路原理错误等等大大小小的问题，致使测温电路部分成果进展缓慢，最后终于在总结之前的经验，以及查询相关资料，询问他人之后完成了测温电路部分的焊接，并测试记录了数据，这次的设计让我对Protel这个软件有了更深的了解，操作更加熟练，同时也明白资料的重要性，有一手详细的资料对于实际操作起着很重要的作用，选则一个好方案，不管是财力，还是人力，精力等方面，都起着很重要甚至关键的作用，这不仅仅节省了许多不必要的麻烦，更节省了时间，更重要的是此次硬件设计也让我明白理论联系实际的重要性，书本上的知识与实际动手做实物差异还是很大的，我们要学以致用不能死学，要活学。 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书第四章 软件设计4.1 主程序设计开始单片机初试化，1602LCD初始化键盘启动测温电路铂电阻pt100测量温度显示设定值，参数值，温度测量值判断温度是否与设定值相等 Y N判断温度是否大于设定值 N Y改变PWM2参数改变PWM1参数 图 4-1 主程序流程图 主程序如图4-1所示，给系统通电以后，开始进行系统的初始化，1602LCD的初始化，然后通过按键启动测温电路，铂电阻开始测量恒温箱的温度，将测量到数据经过A/D转换传送到单片机里，并在显示屏上显示，单片机开始处理数据，经过处理（包括控制算法PID算法），输出控制信号，如果温度高于设定值，则开始降温，温度越高，电扇的功率越高转速越快，直到温度降到设定值，风扇停止转动，如果温度低于设定值，则开始升温，温度越低，加热灯的功率约大放光越亮，直到温度升到设定温度，停止加热灯管熄灭。复位可以重头开始。PWM原理 PWM (Pulse Width Modulation)是种脉冲宽度的调制技术，通过调制一系列的数字脉冲宽度, 在脉冲的作用下,当加热灯或者电机通电的时候，灯泡变亮或者速度加快, 断电的时候速度逐渐的变慢或者亮度逐渐的变暗,只要通断电的时间按一定的规律改变, 即可实现对电机转速以及加热灯的功率的控制。PWM相关程序CCON=0;/PCA初始化CL=0;/PCA的16位计数器低8位CH=0;/PCA的16位计数器高8位CMOD=0x00;/选择 系统时钟/1