摘要

　　溫度是一個(gè)重要的物理量，1971 年 10 月十四屆國際計量大會(huì )正式確定溫度為國際通用的國際單位制中的一個(gè)。溫度的重要性不言而喻，但是要準確地測量溫度是很困難的。溫度測量的難度在于對結果的精度和范圍的要求，在工業(yè)生產(chǎn)中顯得尤為突出。測溫技術(shù)的復雜性在于不僅要選擇適當的測溫工具，而且還要輔助恰當的測量方法和手段，只有兩者的有效結合，最終才能產(chǎn)生預期的結果。伴隨著(zhù)科技對產(chǎn)業(yè)的信息化改造的逐漸深入，工業(yè)、制造業(yè)的自動(dòng)化水平越來(lái)越高，對生產(chǎn)過(guò)程中控制的精細程度也逐漸加深，而溫濕度作為工業(yè)制造過(guò)程中最重要的參數之一，對其檢測和控制的要求也越來(lái)越高。

　　由于單片機構成的應用系統可靠性高、系統配置規范、控制功能具有預想性，變動(dòng)控制方案容易、具有較高的性?xún)r(jià)比的特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中被運用的越來(lái)越廣泛。本文選擇 STC12C5A60S2 系列單片機作為溫濕度控制系統的處理器，12864 液晶屏作為系統的輸出顯示器件，通過(guò) 4 個(gè)實(shí)體按鍵的配合完成對系統時(shí)間、溫濕度值預設等參數的設置，除了能夠顯示待檢測環(huán)境的溫濕度之外，該系統還能夠對設定的溫濕度值進(jìn)行控制響應。本文第一章主要是概述溫濕度測量控制技術(shù)的方法手段，第二章主要分析了系統的設計方案，然后對需要用到的器件、通信協(xié)議、開(kāi)發(fā)環(huán)境平臺等進(jìn)行了基礎性的鋪墊；第三章主要是系統各個(gè)功能模塊的硬件電路設計；第四章主要說(shuō)明的是系統的軟件程序設計；最后是對整個(gè)系統進(jìn)行性能測試。

　　關(guān)鍵詞：STC 單片機、溫濕度控制，I2C 總線(xiàn)

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

　　溫濕度作為自然界中最基本的物理量，在人類(lèi)文明的發(fā)展史上扮演著(zhù)極其重要的角色。人類(lèi)的進(jìn)化離不開(kāi)水和火，同時(shí)與生存環(huán)境的變化也有著(zhù)密切的關(guān)系，尤其是全球性的氣候變化，以及由它引起的植被和地形的變化，而水、火正是濕度和溫度最直接的表現形式。即便是人類(lèi)從遠古到現代，從雙足行走到直立行走，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在與溫度和濕度打著(zhù)交道，現代社會(huì )中的工、農業(yè)發(fā)展更是與溫濕度的控制息息相關(guān)。18 世紀中葉開(kāi)始的工業(yè)革命，實(shí)現了從手工勞動(dòng)向機器動(dòng)力生產(chǎn)轉變的重大飛躍[1]。自此之后，在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫藥等行業(yè)，可以說(shuō)幾乎 80%的工業(yè)部門(mén)都不得不考慮著(zhù)溫度和濕度對工業(yè)生產(chǎn)的潛在影響。

　　因此，溫度和濕度如果能被準確的測量和控制，將會(huì )對生產(chǎn)和研究有著(zhù)重要的意義。從一定意義上來(lái)說(shuō)，測量是應用及其廣泛一種技術(shù)，并不局限于某一領(lǐng)域，也不能明確是從哪個(gè)行業(yè)發(fā)展而來(lái)的，因為人類(lèi)自古就會(huì )測量。測量是人類(lèi)探知自然界的主要手段之一，包括現代科技社會(huì )。量測（measurement）是一種行為，它是針對自然界的現象做量的認識，稱(chēng)為量化，這種過(guò)程我們稱(chēng)其為量測[3]。應用量測的結果將可以讓我們對自然界的現象能有更正確的認知。故量測的目標就是要獲得標準值。在當前世界各學(xué)科領(lǐng)域中，研究測量的學(xué)科是“計量學(xué)”。對測量的定義非常多，許多學(xué)科都從自己的角度給與定義，按照計量學(xué)的定義，測量是指：以確定量值為目的的一組操作。計量學(xué)是一門(mén)綜合性的學(xué)科，涉及到多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的理論研究和實(shí)踐論證，更關(guān)乎到工業(yè)發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是統計分析和測量數據位主要研究?jì)热荩�例如度量衡的統一促進(jìn)了文明的進(jìn)步與社會(huì )的發(fā)展，小的方面來(lái)說(shuō)，對于提升產(chǎn)品的質(zhì)量，保證產(chǎn)品的通用性，實(shí)現標準化、統一化，便于管理和交易。

　　單片微型計算機（Single chip microcomputer）簡(jiǎn)稱(chēng)單片機，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫(xiě) MCU 表示單片機，單片機又稱(chēng)單片微控制器，它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片，而是把一個(gè)計算機系統集成到一個(gè)芯片上[3]。單片機由運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設備構成，相當于一個(gè)微型的計算機（最小系統），和計算機相比，單片機缺少了外圍設備等。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習、應用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件。由于其發(fā)展非常迅速，舊的單片機的定義已不能滿(mǎn)足，所以在很多應用場(chǎng)合被稱(chēng)為范圍更廣的微控制器。目前，在我們社會(huì )的方方面面都能發(fā)現單片機的存在，采用單片機來(lái)對溫濕度進(jìn)行測量和控制，不僅具有結構簡(jiǎn)單控制靈活、可靠性高、使用方便和實(shí)現模塊化結構等優(yōu)點(diǎn)，而且可以提升對溫濕度測量的處理速度，大大降低功耗和成本，從而能夠大幅度提高產(chǎn)品的品質(zhì)。隨著(zhù)工業(yè)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)對產(chǎn)品的小型化和精度要求也不斷上升。就拿溫濕度物理量的測量來(lái)說(shuō)，不但要求能夠進(jìn)行長(cháng)遠距離、多點(diǎn)溫濕度測量和監控，而且對其測量的精度劃分的更細。利用數字式電子傳感器，加上單片機來(lái)驅動(dòng)，是現代社會(huì )溫濕度計量領(lǐng)域的必然要求。

　　溫度測控技術(shù)包括溫度測量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩個(gè)方面。在溫度的測量技術(shù)中，分為接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類(lèi)。所謂接觸式測溫法就是測溫元件與被測對象直接接觸，根據熱傳導原理在一段時(shí)間的能力交換之后，熱量會(huì )形成一個(gè)新的平衡點(diǎn)，此時(shí)測溫元件的溫度就是被測對象的溫度。接觸式測溫法的優(yōu)點(diǎn)在于原理簡(jiǎn)單、過(guò)程直觀(guān)；缺點(diǎn)是在不同的位置、不同的測溫元件可能對測量的結果有影響。再有測溫元件受到測量條件的限制，即使從實(shí)際上看到測溫元件與被測對象已經(jīng)充分接觸，但理論上達不到完全接觸的，使檢測元件溫度與被測對象溫度不一致；熱量傳遞需要一定時(shí)間造成測溫滯后現象。（動(dòng)態(tài)誤差）。還不得不考慮高溫或者低溫，被測對象的介質(zhì)對測溫元件自身的不利影響。

　　非接觸式測溫法彌補了接觸式測溫法的缺點(diǎn)，測溫元件與被測對象的接觸是間接的，借助于氣體的輻射進(jìn)行熱量的交換。不破壞原有溫度場(chǎng)。通常用來(lái)測量1000℃以上的移動(dòng)、旋轉、或反映迅速的高溫物體。非接觸式測溫法由于不與被測對象直接接觸，因此溫度的變換慣性比較小，對溫度的變換比較敏感，可以測量運動(dòng)中的對象。

　　除了上述的兩種測溫方法之外，其他的測溫方法也十分普遍。圖 1-1 給出一種從測量原理上進(jìn)行分類(lèi)的大部分測量方法， 基本包含了目前溫度測量的基本原理， 幾乎所有的溫度測量技術(shù)都是在這些原理的基礎上發(fā)展起來(lái)的[4]。

　　在一般情況下的溫度測量應用技術(shù)已經(jīng)相當成熟，但隨著(zhù)工業(yè)、制造業(yè)的發(fā)展，為了適應產(chǎn)品的小型化趨勢，傳統的溫濕度測量技術(shù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足新興領(lǐng)域的測量需求，尤其是在嵌入式、智能化等科技領(lǐng)域。基于此，世界上大部分國家的計量領(lǐng)域專(zhuān)家紛紛把目光對準了高科技領(lǐng)域，不斷創(chuàng )新測溫的新技術(shù)，制造新型的傳感器延伸或擴展測溫和溫標上下限。

　　此外，現代社會(huì )還研制出多種其他類(lèi)型的溫度測量?jì)x表，如用晶體管測溫元件和光導纖維測溫元件構成的溫度測量?jì)x；利用所有物體都發(fā)熱這一客觀(guān)事實(shí)制成的熱成像儀將物體發(fā)出的不可見(jiàn)紅外能量轉變?yōu)榭梢?jiàn)的熱圖像。熱圖像上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。可以用于地質(zhì)調查，地熱探查，森林植被分布，大氣與海洋監測，火災的發(fā)現與救援。熱像儀可以幫助救援者發(fā)現那些被濃煙和黑暗隱僻住的遇難者，從而救出他們。人們認識和利用溫度的程度和能力也在隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展而逐漸加深。

STC12C5A60S2系列單片機開(kāi)發(fā)智能溫濕度控制系統：

系統硬件電路圖

USB 供電電路

穩壓電源電路

數據有效時(shí)序圖

MAX232 管腳結構

12864 硬件連接電路

按鍵與單片機連接圖

繼電器連接電路圖

目 錄

　　第一章 緒 論
　　　　1.1 本文研究背景
　　　　1.2 溫度測量技術(shù)研究現狀
　　　　　　1.2.1 膨脹式測溫方法
　　　　　　1.2.2 電量式測溫方法
　　　　　　1.2.3 接觸式光電測溫方法
　　　　1.3 溫度控制技術(shù)研究現狀
　　　　　　1.3.1 定值開(kāi)關(guān)控溫法
　　　　　　1.3.2 PID 模糊控制技術(shù)
　　　　　　1.3.3 智能溫度控制法
　　　　1.4 濕度測量技術(shù)概述
　　　　1.5 本文研究主要內容
　　第二章 溫濕度控制系統總體方案設計
　　　　2.1 溫濕度控制系統功能需求分析
　　　　2.2 系統的設計原則與性能指標
　　　　　　2.2.1 可靠性
　　　　　　2.2.2 性?xún)r(jià)比
　　　　　　2.2.3 擴展性
　　　　　　2.2.4 實(shí)用性
　　　　　　2.2.5 易用性
　　　　　　2.2.6 系統性能指標
　　　　2.3 系統總體方案構架及功用
　　　　　　2.3.1 系統總體方案構架
　　　　　　2.3.2 控制系統的功用
　　　　2.4 系統硬件說(shuō)明
　　　　　　2.4.1 系統關(guān)鍵器件概述
　　　　　　2.4.2 微處理器結構框圖
　　　　　　2.4.3 微處理器功能及 RISC 架構
　　　　　　2.4.4 RISC 架構特征分析
　　　　2.5 系統軟件說(shuō)明
　　　　　　2.5.1 I2C 總線(xiàn)介紹
　　　　　　2.5.2 I2C 總線(xiàn)特征
　　　　　　2.5.3 I2C 總線(xiàn)數據的有效性
　　　　　　2.5.4 SPI 總線(xiàn)介紹
　　　　　　2.5.5 SPI 總線(xiàn)的數據傳輸
　　　　2.6 系統開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹
　　　　　　2.6.1 C 語(yǔ)言的特點(diǎn)
　　　　　　2.6.2 RVMDK 概述
　　　　　　2.6.3 RVMDK 工具包
　　　　2.7 本章小結
　　第三章 溫濕度控制系統硬件電路設計
　　　　3.1 系統硬件概述
　　　　3.2 電源電路設計
　　　　　　3.2.1 USB 供電
　　　　　　3.2.2 穩壓電源電路
　　　　3.3 溫濕度采集模塊電路設計
　　　　　　3.3.1 溫度傳感器 DS18B20
　　　　　　3.3.2 DS18B20 工作原理及應用
　　　　　　3.3.3 濕度傳感器 HS1101
　　　　3.4 存儲電路擴展設計
　　　　3.5 串口通信電路設計
　　　　3.6 其他外圍電路設計
　　　　　　3.6.1 液晶顯示電路
　　　　　　3.6.2 按鍵接口設計
　　　　　　3.6.3 繼電器電路設計
　　　　3.7 本章小結
　　第四章 溫濕度控制系統軟件設計
　　　　4.1 軟件設計概述
　　　　4.2 主函數程序框架設計
　　　　4.3 溫濕度數據采集程序設計
　　　　　　4.3.1 溫度數據采集
　　　　　　4.3.2 濕度數據采集
　　　　4.4 液晶程序設計
　　　　4.5 EEPROM 存儲程序設計
　　　　4.6 本章小結
　　第五章 系統性能測試
　　　　5.1 硬件平臺及處理器測試
　　　　5.2 I2C 接口的測試
　　　　5.3 人機操作界面測試
　　　　5.4 系統性能測試與分析
　　　　5.5 本章小結
　　結 論
　　致 謝
　　參考文獻

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