溫度遠(yuǎn)程無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要 本文主要系設(shè)計(jì)了一個(gè)基于STC12C5A08單片機(jī)控制的無(wú)線水溫控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端單片機(jī)與計(jì)算機(jī)接口的無(wú)線通訊。采用STC12C5A08單片機(jī)進(jìn)行溫度檢測(cè)控制，下位機(jī)上的液晶顯示屏LCD用來(lái)顯示溫度，利用按鍵設(shè)置溫度的控制范圍。數(shù)字式傳感器DS18B20對(duì)溫度進(jìn)行采樣和數(shù)模轉(zhuǎn)換，單片機(jī)與計(jì)算機(jī)間是通過(guò)無(wú)線通信，這里采用STR30無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)模塊。通過(guò)PID控制算法對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，并且通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度曲線實(shí)時(shí)跟蹤打印。

關(guān)鍵詞 STC12C5A08 DS18B20 PID

中圖分類(lèi)號(hào)：O55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中，溫度是一個(gè)很重要的參數(shù)之一，隨著社會(huì)工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)溫度的測(cè)控技術(shù)的要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的溫度測(cè)控系統(tǒng)大多是采用有線通信方式，大量的數(shù)據(jù)電纜，不僅帶來(lái)布線的復(fù)雜和工作量大，而且存在短線和短路的隱患，成本高，易老化，與有線通信技術(shù)相比，無(wú)線通信技術(shù)具有成本抵、易于實(shí)現(xiàn)及快捷高效等優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)采用單片機(jī)作為下位機(jī)，主要工作是對(duì)溫度控制現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并實(shí)時(shí)控制。計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，遠(yuǎn)程控制下位機(jī)的工作，同時(shí)完成監(jiān)控、報(bào)警和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送，通過(guò)無(wú)線接收發(fā)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)是一個(gè)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控的系統(tǒng)，對(duì)溫度的采集、控制、顯示是實(shí)時(shí)的，因而溫度采集的時(shí)間間隔以及數(shù)據(jù)發(fā)送接收的時(shí)間差，單片機(jī)與PC機(jī)之間數(shù)據(jù)的傳送速度以及上位機(jī)程序?qū)?shù)據(jù)的分析處理是本系統(tǒng)的關(guān)鍵。

系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制系統(tǒng)、振蕩電路、復(fù)位電路、水溫檢測(cè)電路、LCD顯示、加熱元件以及按鍵電路七大部分組成。該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片的選擇

STC12C5A08是一款低功耗、高性能CMOS 工藝8 位微控制器，攜有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。其主要性能有具有1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期，增強(qiáng)型8051內(nèi)核，速度比普通8051快8~12倍；1280字節(jié)片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；8通道、10位高速ADC，速度可達(dá)25萬(wàn)次/秒，2路PWM還可當(dāng)2路D/A使用 ；4個(gè)16位定時(shí)器，兼容普通8051的定時(shí)器T0/T1、2路PCA實(shí)現(xiàn)2個(gè)定時(shí)器 ；硬件看門(mén)狗（WDT）；高速SPI串行通信端口；全雙工異步串行口(UART)，兼容普通8051的串口；可編程時(shí)鐘輸出功能，T0在P3.4輸出時(shí)鐘，T1在P3.5輸出時(shí)鐘，BRT在P1.0輸出時(shí)鐘等。

圖1 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖2 主程序流程圖

2.2 溫度傳感器

系統(tǒng)選用的是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器。該傳感器具有的性能：可實(shí)現(xiàn)雙向通訊；內(nèi)置AD轉(zhuǎn)化器件;可供使用電壓范圍大：3.0V到5.5V都可以使用，器件的功耗較低；測(cè)溫分辨率高，最高可達(dá)0.125度，便于溫度精確控制；支持多點(diǎn)測(cè)試，多個(gè)DS18B20 可以并聯(lián)在一根線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。

2.3 無(wú)線模塊電路

系統(tǒng)選用的是STR30無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，該模塊的具有性能：微發(fā)射功率；ISM頻段工作頻率，無(wú)需申請(qǐng)頻點(diǎn)；多信道，多速率，提供了8個(gè)信道，可根據(jù)需要擴(kuò)展；完善的通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信；傳輸距離較遠(yuǎn)；TTL接口方式；看門(mén)狗實(shí)時(shí)監(jiān)控；低功耗及休眠功能等。

2.4 可控硅控溫電路模塊

可控硅控溫電路是一種廣泛應(yīng)用的控溫方式。加熱控制采用可控硅（即晶閘管）、晶體管、放大電路組成。當(dāng)電壓相位過(guò)零點(diǎn)時(shí)，可控硅導(dǎo)通，此時(shí)加熱元件通電工作，產(chǎn)生大量熱量，對(duì)水進(jìn)行加熱。控溫電路中利用光耦合器將輸入、輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力，光耦控制晶閘管的通斷。

2.5 電源電路模塊

系統(tǒng)采用外接直流電源供電模式，使用穩(wěn)壓器LM2576。LM2576是降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，LM2576內(nèi)部包含整流電路、穩(wěn)壓電路、濾波電路等，有3.3V、5V、12V、15V 的固定電壓輸出及可調(diào)節(jié)電壓輸出，這里采用的是5V固定電壓輸出。

2.6 LCD1602顯示模塊

系統(tǒng)采用LCD1602液晶顯示模塊，+5V電源供電，外圍電路配置簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，具有很高的性?xún)r(jià)比。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

STC12C5A08 是該系統(tǒng)的控制核心部分，控制著溫度的轉(zhuǎn)換以及讀取溫度數(shù)值并轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制數(shù)以及相應(yīng)的ASCII 值在LCD1602 上進(jìn)行顯示，通過(guò)無(wú)線傳輸由RS232串口供PC 機(jī)讀取溫度值。程序的設(shè)計(jì)包含以下部分：微控制器的初始化、溫度采集程序和LCD1620 程序的設(shè)計(jì)、按鍵程序設(shè)計(jì)、PWM的生成程序設(shè)計(jì)、PID控制程序設(shè)計(jì)。主程序流程圖如圖2所示。單片機(jī)程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工具采用Keil C51支持的C語(yǔ)言編寫(xiě)，Keil C51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。

4 結(jié)論

系統(tǒng)采用以單片機(jī)為控制核心的溫度檢測(cè)和控制系統(tǒng)，采用PID控制算法來(lái)控制PWM輸出的占空比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)無(wú)線通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)界面可根據(jù)上傳的數(shù)據(jù)繪制出實(shí)時(shí)溫度曲線圖。同時(shí)，通過(guò)上位機(jī)可以設(shè)定上下限溫度和需要的溫度，通過(guò)串口將上下限溫度值和設(shè)定的溫度值傳給下位機(jī)。在溫度低于設(shè)定溫度的低值時(shí)，下位機(jī)會(huì)控制加熱器進(jìn)行加熱，直至溫度達(dá)到用戶(hù)需要的溫度時(shí)停止。在溫度高于設(shè)定溫度的高值時(shí)，加熱電路斷開(kāi)，系統(tǒng)進(jìn)行自然降溫。在沒(méi)有和上位機(jī)通信的情況下，下位機(jī)也能獨(dú)立工作，自行完成溫度的設(shè)定及溫度的控制，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

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