STC12C5A60S2系列单片机开发智能温湿度控制系统

摘要

　　温度是一个重要的物理量，1971 年 10 月十四届国际计量大会正式确定温度为国际通用的国际单位制中的一个。温度的重要性不言而喻，但是要准确地测量温度是很困难的。温度测量的难度在于对结果的精度和范围的要求，在工业生产中显得尤为突出。测温技术的复杂性在于不仅要选择适当的测温工具，而且还要辅助恰当的测量方法和手段，只有两者的有效结合，最终才能产生预期的结果。伴随着科技对产业的信息化改造的逐渐深入，工业、制造业的自动化水平越来越高，对生产过程中控制的精细程度也逐渐加深，而温湿度作为工业制造过程中最重要的参数之一，对其检测和控制的要求也越来越高。

　　由于单片机构成的应用系统可靠性高、系统配置规范、控制功能具有预想性，变动控制方案容易、具有较高的性价比的特点，在工业生产中被运用的越来越广泛。本文选择 STC12C5A60S2 系列单片机作为温湿度控制系统的处理器，12864 液晶屏作为系统的输出显示器件，通过 4 个实体按键的配合完成对系统时间、温湿度值预设等参数的设置，除了能够显示待检测环境的温湿度之外，该系统还能够对设定的温湿度值进行控制响应。本文第一章主要是概述温湿度测量控制技术的方法手段，第二章主要分析了系统的设计方案，然后对需要用到的器件、通信协议、开发环境平台等进行了基础性的铺垫；第三章主要是系统各个功能模块的硬件电路设计；第四章主要说明的是系统的软件程序设计；最后是对整个系统进行性能测试。

　　关键词：STC 单片机、温湿度控制，I2C 总线

ABSTRACT

　　Temperature is an important physical quantity . It is one of seven basic physical quantities International System of Units (si) ， and is also a major industrial production processes ，but to accurately measure the temperature is very difficult，no matter how high accuracy thermometer， if the thermometer improper selection or test methods unsuitable ， it can not get satisfactory results. We can see the importance of temperature measurement technology and complexity. With the advent of the knowledge economy is characterized by the information age， the level of industrial automation ， manufacturing increasingly high degree of fine control of the production process is gradually deepened， and the temperature and humidity as an industrial manufacturing process of the most important parameters First， their detection and control requirements are also increasing .

　　Due to the high reliability of the application system consisting of microcontroller ， system configuration specifications ， the control function with expected resistance， easy change of control scheme ， has a high cost-effective features ， be utilized in industrial production more widely. Select this article STC12C5A60S2 series microcontroller as temperature and humidity control system processor ， 12864 LCD display as the system output ， with four physical buttons through the completion of the system time ， temperature and humidity values ， such as the default parameter settings， in addition to be able to show detecting an ambient temperature and humidity outside the temperature and humidity of the system can also be controlled in response to the set value . The first chapter is mainly an overview of methods and means of temperature and humidity measurement and control technology， the second chapter analyzes the system design ， and then need to use the devices ， communication protocols ， platform development environment were fundamental groundwork ; first chapters are mainly hardware circuit design system of each module ;fourth chapter noted that the system software design ; Finally， the performance test of the entire system .

　　Key words:STC microcontroller， temperature and humidity control， I2C bus

　　温湿度作为自然界中最基本的物理量，在人类文明的发展史上扮演着极其重要的角色。人类的进化离不开水和火，同时与生存环境的变化也有着密切的关系，尤其是全球性的气候变化，以及由它引起的植被和地形的变化，而水、火正是湿度和温度最直接的表现形式。即便是人类从远古到现代，从双足行走到直立行走，无时无刻不在与温度和湿度打着交道，现代社会中的工、农业发展更是与温湿度的控制息息相关。18 世纪中叶开始的工业革命，实现了从手工劳动向机器动力生产转变的重大飞跃[1]。自此之后，在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业，可以说几乎 80%的工业部门都不得不考虑着温度和湿度对工业生产的潜在影响。

　　因此，温度和湿度如果能被准确的测量和控制，将会对生产和研究有着重要的意义。从一定意义上来说，测量是应用及其广泛一种技术，并不局限于某一领域，也不能明确是从哪个行业发展而来的，因为人类自古就会测量。测量是人类探知自然界的主要手段之一，包括现代科技社会。量测（measurement）是一种行为，它是针对自然界的现象做量的认识，称为量化，这种过程我们称其为量测[3]。应用量测的结果将可以让我们对自然界的现象能有更正确的认知。故量测的目标就是要获得标准值。在当前世界各学科领域中，研究测量的学科是“计量学”。对测量的定义非常多，许多学科都从自己的角度给与定义，按照计量学的定义，测量是指：以确定量值为目的的一组操作。计量学是一门综合性的学科，涉及到多个学科领域的理论研究和实践论证，更关乎到工业发展与技术进步。简单来说就是统计分析和测量数据位主要研究内容，例如度量衡的统一促进了文明的进步与社会的发展，小的方面来说，对于提升产品的质量，保证产品的通用性，实现标准化、统一化，便于管理和交易。

　　单片微型计算机（Single chip microcomputer）简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上[3]。单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。由于其发展非常迅速，旧的单片机的定义已不能满足，所以在很多应用场合被称为范围更广的微控制器。目前，在我们社会的方方面面都能发现单片机的存在，采用单片机来对温湿度进行测量和控制，不仅具有结构简单控制灵活、可靠性高、使用方便和实现模块化结构等优点，而且可以提升对温湿度测量的处理速度，大大降低功耗和成本，从而能够大幅度提高产品的品质。随着工业的不断发展，市场对产品的小型化和精度要求也不断上升。就拿温湿度物理量的测量来说，不但要求能够进行长远距离、多点温湿度测量和监控，而且对其测量的精度划分的更细。利用数字式电子传感器，加上单片机来驱动，是现代社会温湿度计量领域的必然要求。

　　温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。在温度的测量技术中，分为接触式测温和非接触式测温两大类。所谓接触式测温法就是测温元件与被测对象直接接触，根据热传导原理在一段时间的能力交换之后，热量会形成一个新的平衡点，此时测温元件的温度就是被测对象的温度。接触式测温法的优点在于原理简单、过程直观；缺点是在不同的位置、不同的测温元件可能对测量的结果有影响。再有测温元件受到测量条件的限制，即使从实际上看到测温元件与被测对象已经充分接触，但理论上达不到完全接触的，使检测元件温度与被测对象温度不一致；热量传递需要一定时间造成测温滞后现象。（动态误差）。还不得不考虑高温或者低温，被测对象的介质对测温元件自身的不利影响。

　　非接触式测温法弥补了接触式测温法的缺点，测温元件与被测对象的接触是间接的，借助于气体的辐射进行热量的交换。不破坏原有温度场。通常用来测量1000℃以上的移动、旋转、或反映迅速的高温物体。非接触式测温法由于不与被测对象直接接触，因此温度的变换惯性比较小，对温度的变换比较敏感，可以测量运动中的对象。

　　除了上述的两种测温方法之外，其他的测温方法也十分普遍。图 1-1 给出一种从测量原理上进行分类的大部分测量方法， 基本包含了目前温度测量的基本原理， 几乎所有的温度测量技术都是在这些原理的基础上发展起来的[4]。

　　在一般情况下的温度测量应用技术已经相当成熟，但随着工业、制造业的发展，为了适应产品的小型化趋势，传统的温湿度测量技术已经不能满足新兴领域的测量需求，尤其是在嵌入式、智能化等科技领域。基于此，世界上大部分国家的计量领域专家纷纷把目光对准了高科技领域，不断创新测温的新技术，制造新型的传感器延伸或扩展测温和温标上下限。

　　此外，现代社会还研制出多种其他类型的温度测量仪表，如用晶体管测温元件和光导纤维测温元件构成的温度测量仪；利用所有物体都发热这一客观事实制成的热成像仪将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。可以用于地质调查，地热探查，森林植被分布，大气与海洋监测，火灾的发现与救援。热像仪可以帮助救援者发现那些被浓烟和黑暗隐僻住的遇难者，从而救出他们。人们认识和利用温度的程度和能力也在随着时代的发展而逐渐加深。

STC12C5A60S2系列单片机开发智能温湿度控制系统：

系统硬件电路图

USB 供电电路

稳压电源电路

数据有效时序图

MAX232 管脚结构

12864 硬件连接电路

按键与单片机连接图

继电器连接电路图

目 录

　　第一章 绪 论
　　　　1.1 本文研究背景
　　　　1.2 温度测量技术研究现状
　　　　　　1.2.1 膨胀式测温方法
　　　　　　1.2.2 电量式测温方法
　　　　　　1.2.3 接触式光电测温方法
　　　　1.3 温度控制技术研究现状
　　　　　　1.3.1 定值开关控温法
　　　　　　1.3.2 PID 模糊控制技术
　　　　　　1.3.3 智能温度控制法
　　　　1.4 湿度测量技术概述
　　　　1.5 本文研究主要内容
　　第二章 温湿度控制系统总体方案设计
　　　　2.1 温湿度控制系统功能需求分析
　　　　2.2 系统的设计原则与性能指标
　　　　　　2.2.1 可靠性
　　　　　　2.2.2 性价比
　　　　　　2.2.3 扩展性
　　　　　　2.2.4 实用性
　　　　　　2.2.5 易用性
　　　　　　2.2.6 系统性能指标
　　　　2.3 系统总体方案构架及功用
　　　　　　2.3.1 系统总体方案构架
　　　　　　2.3.2 控制系统的功用
　　　　2.4 系统硬件说明
　　　　　　2.4.1 系统关键器件概述
　　　　　　2.4.2 微处理器结构框图
　　　　　　2.4.3 微处理器功能及 RISC 架构
　　　　　　2.4.4 RISC 架构特征分析
　　　　2.5 系统软件说明
　　　　　　2.5.1 I2C 总线介绍
　　　　　　2.5.2 I2C 总线特征
　　　　　　2.5.3 I2C 总线数据的有效性
　　　　　　2.5.4 SPI 总线介绍
　　　　　　2.5.5 SPI 总线的数据传输
　　　　2.6 系统开发环境介绍
　　　　　　2.6.1 C 语言的特点
　　　　　　2.6.2 RVMDK 概述
　　　　　　2.6.3 RVMDK 工具包
　　　　2.7 本章小结
　　第三章 温湿度控制系统硬件电路设计
　　　　3.1 系统硬件概述
　　　　3.2 电源电路设计
　　　　　　3.2.1 USB 供电
　　　　　　3.2.2 稳压电源电路
　　　　3.3 温湿度采集模块电路设计
　　　　　　3.3.1 温度传感器 DS18B20
　　　　　　3.3.2 DS18B20 工作原理及应用
　　　　　　3.3.3 湿度传感器 HS1101
　　　　3.4 存储电路扩展设计
　　　　3.5 串口通信电路设计
　　　　3.6 其他外围电路设计
　　　　　　3.6.1 液晶显示电路
　　　　　　3.6.2 按键接口设计
　　　　　　3.6.3 继电器电路设计
　　　　3.7 本章小结
　　第四章 温湿度控制系统软件设计
　　　　4.1 软件设计概述
　　　　4.2 主函数程序框架设计
　　　　4.3 温湿度数据采集程序设计
　　　　　　4.3.1 温度数据采集
　　　　　　4.3.2 湿度数据采集
　　　　4.4 液晶程序设计
　　　　4.5 EEPROM 存储程序设计
　　　　4.6 本章小结
　　第五章 系统性能测试
　　　　5.1 硬件平台及处理器测试
　　　　5.2 I2C 接口的测试
　　　　5.3 人机操作界面测试
　　　　5.4 系统性能测试与分析
　　　　5.5 本章小结
　　结 论
　　致 谢
　　参考文献

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