%8e单片机的水箱温度自动测控系统设计

第35卷 、，ot．3s 第3期 No．3 计算机工程 ComputerEngineering 2009年2月 February2009 ·工程应用技术与实现· 文章编号：1小肛—3428(2tIIJ9)113圳248_-03文献标识码：A 中图分类号：N945 基于单片机的水箱温度自动测控系统设计 顾春阳1．任玲1，王广林2 (1．哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨150001；2．哈尔滨工业大学机电学院，哈尔滨150001) 摘要：采用新型单片机STCl2C5412AD以及高灵敏度的热敏电阻对水箱温度进行实时测量，由单片机内集成的10bitA／D进行模数转换， 从而实现实时监测、实时控制、实时显示及越限报警等功能。系统硬件由主机、电源、按键及显示、控温执行和串行I=1通信等部分组成， 软件由主程序、温度检测转换、温度控制等模块组成。系统通过按键切换实现实际温度和没定温度在数码管中的显示和更改。实验结果表 明，该系统检测精度高、反应快，具有一定应用价值。 关健词：水温自动控制；热敏电阻；A／D转换；SPI通信 DesignofWaterTankTemperatureAutomatic MeasuringandCybernatingSystemBasedonSCM GUChun·yan91，RENLin91，WANGGuang-iin。 (1．CollegeofElectricEngineering＆Automation，HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001； 2．CollegeofMechinery＆Electricity．HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001) [AbstractlThetemperatureofwatertankismeasuredonreal··timebyusingthenewkindofSingle--ChipComputer(SCM)STCl2C5412ADand thermo—esistancesofhighsensitivity．Thereal—timemonitoring，controlling，displayingandover-limitalarmingareimplementedbyemployingA／D deviceof10digitsintegratedinthecomputerforthetransformationofanaloganddigit．Thehardwareofthesystemconsistsofthemaincomputer, powersouse，buttonanddisplay，temperature-controllingprocess，andserialinterfacecommunication．Thesoftwareofthesystemconsistsofthe modulessuchasmainprogram，temperaturemeasurementandtransformation，temperature—controlling，andetc．Therealternperatureistransformed andthesettemperatureinthenixietubeisdisplayedandalteredarbitrarilywiththebutton．Experimentalresultsshowthissystemisofhigh accuracyinmeasurementandrapidityinresponse，whichhasthevalueofapplications． IKeywordslautomaticcontrolofwatertemperature；thermo—resistance；A／Dtransformation；SPIcommunication l概述 温度检测和温度控制是单片机在电子产品中的主要应用 之一ll七J。随着温度控制器应用范同的日益扩大，各种适用于 不同场合的智能温度控制器应运而生。在科研和生产中，常 要对某些系统进行温度监测和控制，目前已有的实现温控的 方法有很多，如油浴恒温法、比例式、积分式及其组合的调 节方法等，有的方法达到热平衡需要的时间很长，但其控温 精度很高，而有的方法达到热平衡的时问短，但其控温精度 较低。用单片机实现系统温度的自动控制，能提高整个系统 的灵活性和可靠性，系统达到热平衡较快，精度也较高，且 该方法更易实现。 有多种方法实现温度的自动检测与控制”J。传统的常规 温度自动测控因其明显的缺点已被淘汰；热电偶测温的基本 技术和主要性能指标均依赖于热电偶，可实现较宽温度范围 的精确测量，但其连续测量能力低、实时跟随性弱，不适合 于连续、快速在线的测控；红外测温利用红外测温仪进行测 温，其特点是响应速度快、使用安全、且寿命长。该技术在 工业过程温度测控、设备故障诊断得到应用，但因测量精密 度和连续跟随性方面的缺陷，在在线连续实时高精度检测应 用中受到限制。 2系统设计 2．1系统功能分析 由于系统应实现温度的自动精确控制及显示，并可以随 一248一 时调整设定温度，从而扩大应用范围，因此功能扩展为：通 过加热器实现升温，通过轴流风机实现降温；通过单片机控 制使温度相对恒定；控制温度精度约为0．1℃；通过按键输入 设定值；实时显示当前温度值并可以进行没定温度与实际温 度的显示转换；越限报警。 2．2精度保证与实现方法 采用现有最灵敏的感温元件——热敏电阻，并使用单片 机内的10bitA／D转换。由于控制精度要求为0．1℃，因此 温度传感器和A／D转化器的精度应较高，以保证控制精度的 实现。 温度传感器要能区分0．1℃，热敏电阻可区分到lO。℃； 而对于A／D转换器，测量范围为022—100。C。以0．I℃作为响 应的A／D区分度要求，A／D需要区分(100—0)／0．1=103个数字 量，显然要10bit或以上的A／D转换器。片内的10bit模数 转换可以基本满足要求。 2．3控制执行 单片机系统使用5V直流电，而加热器和风机可均使用 220V交流电，适用范围广；通过继电器将强弱电分离，并 由单片机直接控制。 基金项目：黑龙扛省自然科学基金资助项目(E0523) 作者倚介：顾春阳(1988-)，女，本科生，主研方向：自动控制与智 能控制；任玲，本科生；王广林，教授、博士、博士生导师 收稿日期：2008．07—02E—mail：guchunyang@163．corn 万方数据 2．4按键设计 根据功能要求，系统中应设置5个按键：(1)复位键：用 于单片机的软件复位；(2)运行键：使温度控制系统运行； (3)显示转换键：用于切换实际温度与设定温度的显示； (4)设置温度加O．5℃键；(5)设置温度减O．5。C键。 2．5显示设计 使用3个共阳极数码管，通过74HCl64串入并出芯片扩 展，并由单片机SPI(同步外围串口)实现静态显示，温度由 0．00℃一99．99℃。 2．6越限报警 系统中设置蜂鸣器，通过单片机进行比较判断，当得到 温度越限时进行报警处理。系统整体控制结构如图1所示。 圈1控倒系统总体框图 3闭环控制系统 为保证测温和控温的高精度，除了运用最灵敏的热敏电 阻、片内的10bitA／D转换，还需采用闭环反馈系统。 实测温度包括2个方面：(1)温度自身实际值，(2)温度变 化速率。闭环反馈控制实现实际值与设定值的比较，控制升 温、降温或保温。为保证系统精度，超调量应该控制在 √10x10t℃。 4硬件电路系统设计 硬件电路主要由主机、电源、按键及显示、控温执行和 串行口通信等部分组成。 4．1主机电路分析与设计 单片机采用STCl2C5412AD新型单片机，工作电压为 3．4V一5．5V，12KBFlash储存器，SRAM512Byte，8路10bit 模数转换，4路PCA／PWM，并采用窄28脚封装，其中包含 23个110口。 单片机为本系统的核心部分，其电路原理如图2所示。 D2 VCC T 接加热器 接风机 sTcl孑2C512A。TVCCDI UO 业V。 O D3、 一 VCC ， 图2主机部分电路原理 4．2温度检测电路设计 温度检测部分的主体为负温度系数热敏电阻， 值为50KQ。由于热敏电阻灵敏度高，因此阻值虽温度变化 的幅度大，可以不经过放大器，直接进行模数转换，仍能保 持较高精度，这就简化了温度检测电路，便于调试，且不易 出错。电路原理如图3所示。 5V 圈3温度检测部分电麝原理 4．3执行部分设计 系统的执行部分由升温和降温2个部分构成。由于加热 器和风机都使用220V交流电，因此直接由单片机控制5V 继电器，即可达到自动控制的目的。升一降温控制电路按功能 相近一结构相似原理设计。 4．4按键及显示部分设计 4．4．1 按键 由于I／O口富余，因此按键部分可以不使用A／D输入， 而直接由I／O13实现，其中，K0为复位键；KI为运行键； K2为显示转换键；K3为设置温度加O．5。C键；K4为设置温 度减0．5℃键。电路原理如图4所示。 Vrr 图4按健部分电路原理 4．4．2显示电路设计 在单片机资源扩展中，可以进行串151输出13扩展。而本 系统中的串151需通过编程加以实现，因此，使用同步串行外 围接口(SPI)并通过外接74HCl64(串入并出移位寄存器)可扩 展并行输出口，如罔5所示。 VfC 圈5显示部分电路原理 4．5电源电路设计 其标称阻 整个系统采用220V交流电，单片机电源通过变压器将 ；号一筋一“一∞一殂一烈一加百一他一"一m一” K o龇 3卫J m J矗 虮{主m n n n¨ 陀陀 2 3 r D D 2 3 4 5 4 5 D 眩陀嘲眈他 阻n卧n陀陀叫 万方数据 220V交流输入转换成9V交流输入，再经整流、滤波以及 7805稳压，就可得到较稳定的5V直流电源，此电压也是 A／D输入的参考电压，如图6所示。 ／ U5 图6电源部分电路原理 4．6串13通信电路设计 为了可靠方便地与其他部分电路连接，实现高效通信， 采用并行顺接方式，如图7所示。 0 O VCC = 一>< U 咂 C+ VCC驯譬 嗄 V+ GND卫H-- C PrRYn广—4 咂 C1． TloUT 咂 Q+ Rl州卫]-坠划r{{ 咂 C2． RlOUT卫]_』坐一 7 咂 V． Tl【N卫)旦 叵 T20UTT2INj口 匝 R2Ⅱq R20UT9--3 图7串13通信部分电路原理 5系统程序设计 考虑到程序的可读性及可移植性，所有程序采用c5l语 言进行编程，并用KeilC51软件进行调试、修改、编辑和仿 真。与汇编语言相比，c语言在功能、结构性、可读性、可 维护性等方面都有明显优势。 5．1主程序模块 系统主程序框图如图8所示。 图8系统主程序藏程 5．2按键扫描模块 为简化硬件，按键采用软件消除抖动。单片机的晶振频 率在4MHz～8MHz之间变化，在精度要求不高的情况下， 可认为约等于6MHz，则其一个机器周期约为12×l，6¨s，即 2 Its。采用一种常见的消抖动法：判断有键按下后延时 10ms一20ms后再次读键判断，以便在一次按键后产生一个 有效信号供单片机处理。由于键被按下的时问持续上百毫秒， 一25舻一 因此延时后再扫描也不迟，如图9所示。 圈9按甓扫描流程 5．3显示模块 由于需显示的足3bic10进制数字，因此要设置3个变 量分别储存十位、个位和小数位数字，且由SPI模拟串口逐 位发送，每发送一批后有一定延时。 5．4温度控制模块 此模块使用全局控制位runflag，当runflag=0时，系统 根据采集到的数据与没定温度相比较，进行加热或升温； runflag=l时，系统只进行温度检测而不进行温度控制。 5．5温度检测转换模块 采用ADC—DATA／ADC—LOW2特殊功能寄存器实现A／D 转换。其中，ADC—DATA(C6h)全部8bit均有效，ADC—LOW2 (Beh)只有低2bit有效。计算公式为 结果(ADC—DATA[7：0]，ADC—LOW2[1：0】)=1024xVin／Vcc Vin一一模拟输入通道输入电压 Vcc——单片机实际工作电压，并作为模拟参考电压 取ADC—DATA的8bit为ADC转换的高8bit， ADC—LOW2的低2bit为ADC转换的低2bic，即为10bit 精度；如果舍弃ADC—LOW2的低2鼻涕，只用ADC—DATA 的8bit作为ADC转换的高8bit，则A／D转换结果为8bj【 精度。此时的计算公式为 结果(ADC—DATA|7：0])=256xVin／Vcc 将输入的电压信号转换成数字信号后，经过反复调试对 比，把温度和电压的关系近似地归为分段线性关系，并由分 支语句分别计算得到比较准确的摄氏温度值，在30。C．53℃ 之间可达到0．1℃精度，其他温度段的精度约为O．3℃。 5．6系统初始化模块 系统初始化模块中包含与A／D转换和SPI有关的位设 置。与SPI有关的特殊功能寄存器包括：控制寄存器(SPCTL)， 状态寄存器(SPSTAT)和数据寄存器(SPDAT)。 6系统调试 调试包括用实验板对整个操作过程的调试以及对系统的 功能调试。 将硬件按位置分成主机部分、按键及LED部分和显示部 分。在A／D转换结果与实际温度关系建模方面，笔者对从 0℃的冰水混合物到100。C的沸水进行逐个温度测壁，并根据 具体数据建立分段线性的函数关系。 A／D转换结果与实际温度的采样结果如表1所示。 (下转第256页) 万方数据 本文功耗的计算采用与文献【5J中同样的方式，用发生翻 转的器件数与总器件数的比率来表示。表3为它们的测试功 耗对比结果。 表3测试功耗对比 多扫描链方案⋯ 文献f5J方案 本文方案 由于本文对扫描单元进行相容分组，给每个分组赋予一 个地址，而分组中扫描单元的数目越多，峰值功耗也越高， 冈此从实验数据口J以看出，本文的RAS结构在峰值功耗方面 高于文献【5】，同时由于测试速度的提高，也造成了平均功耗 的增大，但与传统的多扫描链结构相比，本文的平均功耗只 有传统的多扫描链结构的4．86％，功耗的减少依然明显。 5结束语 本文提出一种基于RAS架构的测试方法，以同时解决测 试数据量、测试时间、测试功耗等3方面问题为目标。根据 数据相容压缩原理对扫描单元进行分组处理，同时结合RAS 结构的特性，对扫描结构进行改进，使平均数据压缩率达到 77．53％，优于其他几种RAS测试方法。虽然该方法的测试功 耗高于其他几种RAS方法，但也只有传统多扫描链结构功耗 的4．86％，且本文的解码电路结构简单，硬件开销较小。 (上接第24l页) 5结束语 本文将嵌入技术引入到基于AVS的视频编解码系统，将 AVS压缩音频数据嵌入到视频编码系统，实现音视频同步。 采用不同测试序列进行实验分析，考察音频嵌入视频带来的 嵌入开销以及对解码器恢复视频质量的影啊，与传统基于 MPEG一2的同步算法进行性能比较。实验结果表明，使用本 文提出的嵌入式同步方法对视频的影响很小。 参考文献 ⋯吴炜，常义林．一种MPEG2媒体同步控制算法fJ】．系统工程 与电子技术，2005，27(1)：173．177． (上接第250页) 表1沮度采样与A／D转换结果 (℃) 温度 结粜 温J堑 结果 温J堑 绐粜 0 49 40 306 80 553 4 62 44 346 84 558 8 76 48 386 88 566 12 92 52 426 92 583 16 112 56 460 20 137 60 489 24 16I 64 510 28 1B3 68 525 32 226 72 535 36 266 76 544 7结束语 本文采用新型单片机STCl2C5412AD、高灵敏度的热敏 一256_一 参考文献 【I】ChandraA，ChakrabartyK．System—OB—a-chipTestDataCom一样 pressionandDecompressionArchitecturesBasedonGolomb CodeslJ]．IEEETrans．onComputer-aidedDesign，2001，20(3)： 355—368． 【21 ChandraA，ChakrabartyK．TestDataCompressionandTest ResourcePartitioningforSystem—on—a-chipUsingFrequency’ 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授权使用：南阳理工学院(nylg)，授权号：9974d3ea-a132-49b5-88f0-9e5a00ac716b 下载时间：2010年12月28日