基于單片機溫度檢測系統(tǒng)的設(shè)計

1、基于單片機溫度檢測系統(tǒng)的設(shè)計劉亞河北工業(yè)大學(xué)廊坊分校798476220摘要：隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實現(xiàn)，溫度檢測和顯示系統(tǒng)在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。人們在溫度檢測的準(zhǔn)確度、便捷、快速等方面有著越來越高的要求。而傳統(tǒng)的溫度傳感器已經(jīng)不能滿足人們的需求，其漸漸被新型的溫度傳感器所代替。 本文從硬件和軟件兩方面介紹了基于單片機的溫度檢測系統(tǒng)，對硬件原理圖和程序框圖作了簡要的描述。關(guān)鍵詞：AT89C51；溫度；檢測系統(tǒng)Design temperature detection system based on single chipLiuyaLangfang branch of He

2、bei University of Technology798476220 Abstract: with the rapid development of modern information technology and the progressive realization of the traditional industrial transformation, temperature detection and display system is widely applied in many fields. People in temperature detecting accurac

3、y, convenient, fast, etc have higher and higher requirements. And the traditional temperature sensor already cant satisfy peoples needs, it gradually replaced by new type of temperature sensor. In this paper, from two aspects of hardware and software AT89C51 temperature detection system is introduce

4、d, the hardware principle diagram and the program block diagram were described briefly. Key words: AT89C51; Temperature; Detection system 1、緒論1.1 自動化檢測技術(shù)的作用 檢測是人類認(rèn)識物質(zhì)世界、改造物質(zhì)世界的重要手段。遠古時代，人類就知通用自身的指幅、臂長為標(biāo)準(zhǔn)確定其他物體的長度，后來又發(fā)明了觀察時間的“曰晷”和測定方向的指南針。檢測技術(shù)的發(fā)展標(biāo)志著人類的進步和人類社會的繁榮。在現(xiàn)代工業(yè)、釉扳嘲防、醫(yī)療、科研等各行業(yè)，檢測技術(shù)的作用越來越大，檢測設(shè)備就

5、像神經(jīng)和感官，源源不斷地向人們傳輸各種有用的信息。在科學(xué)實驗和工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了及時了解工藝過程、生產(chǎn)過程的情況及它們的結(jié)果，需要對描述被控對象特征的某些參數(shù)進行測量或檢測，其目的是為了準(zhǔn)確獲得表征他們的定量信息，為生產(chǎn)過程的自動化及科研提供可靠的數(shù)據(jù)。至于檢測技術(shù)的意義就更廣泛了，它們包括根據(jù)被測對象的特點，選用合適的測量儀器儀表及實驗方法，通過測量及數(shù)據(jù)處理和誤差分析，準(zhǔn)確得到被測量的數(shù)據(jù)，并為提高測量精度、改進實驗方法及測量但表，為生產(chǎn)過程的自動化等提供可靠的依據(jù)。1.2 單片機技術(shù)的作用單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲

6、器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。目前單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領(lǐng)域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械以及各種智能機械了。因此，單片機的學(xué)習(xí)、開

7、發(fā)與應(yīng)用將造就一批計算機應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師.1.3 溫度 溫度是表征物體冷熱程度的物理量。 在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，溫度的測量和控制極為普遍，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用。溫度的測量及控制對保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、生產(chǎn)安全、促進國民經(jīng)濟的發(fā)展起到非常重要的作用。由于溫度測量的普遍性，溫度傳感器的數(shù)量在各種傳感器中居首位。而且隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的不斷發(fā)展，溫度傳感器的種類還是在不斷增加豐富來滿足生產(chǎn)生活中的需要。 隨著電子技術(shù)和微型計算機的迅速發(fā)展。采用單片機進行溫度檢測、數(shù)值顯示和數(shù)據(jù)的存儲，具有效率高、性能穩(wěn)定等特點，還可以實現(xiàn)

8、實時控制等技術(shù)要求，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用越來越廣泛。本文設(shè)計的基于AT89C51的溫度檢測系統(tǒng)，是一種利用單片機多余IO口實現(xiàn)溫度檢測的，其成本低，結(jié)構(gòu)簡單，且易于實現(xiàn)，幾乎適用于所有類型的單片機。2、方案選擇2.1 方案一 為了對溫度進行實時監(jiān)測，減少由于溫度變化對工程影響而造成的經(jīng)濟損失，本設(shè)計基于DS18B20對溫度進行測量的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對環(huán)境溫度的監(jiān)測。同時結(jié)合MSP430單片機強大的功能，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)對溫濕度進行實時監(jiān)控以進行超限報警。TI公司生產(chǎn)的MSP430系列是一個超低功耗的混合信號控制器，特別適合于電池應(yīng)用的場合或手持設(shè)備。設(shè)計的溫度監(jiān)測系統(tǒng)以MSP430為核心，采用溫度傳感器

9、DS18B20測量溫度，由溫度數(shù)據(jù)采集模塊、主控模塊、顯示模塊、按鍵模塊組成，主要完成數(shù)據(jù)采集、顯示和報警的功能，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。2.2 方案二本設(shè)計的是一種以AT89C51單片機為主控制單元，以DS18B20為溫度傳感器的溫度控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可以實時存儲相關(guān)的溫度數(shù)據(jù)。其主要包括：溫度采集模塊、按鍵處理模塊、LCD顯示模塊、通訊模塊以及單片機最小系統(tǒng)。本系統(tǒng)由溫度傳感器DS18B20、AT89C51、LCD顯示電路、軟件構(gòu)成。DS18B20輸出表示攝氏溫度的數(shù)字量，然后用51單片機進行數(shù)據(jù)處理、譯碼、顯示、報警等。系統(tǒng)框圖如圖2所示。圖2 系統(tǒng)框圖 溫度傳感器DS18B20把所測得

10、的溫度以數(shù)字信號的方式發(fā)送到AT89C51單片機上，經(jīng)過51單片機處理，將把溫度在顯示電路上顯示，本系統(tǒng)顯示器為點陣字符LCD，LM016L液晶模塊。本系統(tǒng)除了顯示溫度以外還可以通過鍵盤預(yù)設(shè)一個溫度值，對所測溫度進行監(jiān)控，當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度時，啟動蜂鳴器報警；當(dāng)所測溫度低于設(shè)定溫度時，啟動繼電器2S；當(dāng)所測溫度等于設(shè)定溫度時LED等閃爍。2.3 方案選擇方案二以AT89C51單片機為核心的溫度控制系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計方法。溫度信號由溫度芯片DS18B20采集，并以數(shù)字信號的方式傳送給單片機。由鍵盤輸入預(yù)設(shè)溫度，比較實際環(huán)境溫度與預(yù)設(shè)溫度再由單片機做出相應(yīng)的處理已以達到溫度控制的目的。因此，選擇

11、方案二。2.4 總體設(shè)計方案 2.4.1 硬件設(shè)計方案 本設(shè)計的是一種以AT89C51單片機為主控制單元，以DS18B20為溫度傳感器的溫度控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可以實時存儲相關(guān)的溫度數(shù)據(jù)。其主要包括：溫度采集模塊、按鍵處理模塊、LCD顯示模塊、通訊模塊以及單片機最小系統(tǒng)。本系統(tǒng)由溫度傳感器DS18B20、AT89C51、LCD顯示電路、軟件構(gòu)成。DS18B20輸出表示攝氏溫度的數(shù)字量，然后用51單片機進行數(shù)據(jù)處理、譯碼、顯示、報警等。系統(tǒng)框圖如圖2所示。圖2 系統(tǒng)框圖 溫度傳感器DS18B20把所測得的溫度以數(shù)字信號的方式發(fā)送到AT89C51單片機上，經(jīng)過51單片機處理，將把溫度在顯示電路上顯

12、示，本系統(tǒng)顯示器為點陣字符LCD，LM016L液晶模塊。本系統(tǒng)除了顯示溫度以外還可以通過鍵盤預(yù)設(shè)一個溫度值，對所測溫度進行監(jiān)控，當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度時，啟動蜂鳴器報警；當(dāng)所測溫度低于設(shè)定溫度時，啟動繼電器2S；當(dāng)所測溫度等于設(shè)定溫度時LED等閃爍。2.4.1 軟件設(shè)計方案 從軟件的功能不同可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件（主程序），它是整個控制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系。二是執(zhí)行軟件（子程序），它是用來完成各種實質(zhì)性的功能如測量、計算、顯示、通訊等。每一個執(zhí)行軟件是一個小的功能執(zhí)行模塊。這里將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進行功能定義和接口定義。各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以

13、規(guī)劃監(jiān)控程序了。首先要根據(jù)系統(tǒng)的總體功能選擇一種最合適的監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)實時性的要求，合理地安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊之間地調(diào)度關(guān)系。主程序是系統(tǒng)的監(jiān)控程序，在程序運行的過程中必須先經(jīng)過初始化。本設(shè)計的主程序中將傳感器獲取的溫度與預(yù)設(shè)溫度進行了比較，并對各種不同的狀態(tài)變化的控制做出了設(shè)定。流程圖如圖3所示。系統(tǒng)在初始化完成后就進入溫度測量程序，實時的測量當(dāng)前的溫度并通過顯示電路在LCD上顯示。根據(jù)硬件設(shè)計完成對溫度的控制。按下4*3鍵盤上的OK鍵可以便可以輸入預(yù)設(shè)溫度。 圖3 設(shè)計流程圖 總設(shè)計原理圖如下： 系統(tǒng)具有如下特點： .采用智能溫度傳感器DS18B20采集溫度數(shù)據(jù)，簡化了硬件電路

14、設(shè)計，溫度采集數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)；.AT89C51單片機的采用，有利于功能擴展； .電路設(shè)計充分考慮了系統(tǒng)可靠性和安全性。3、溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計過程3.1 硬件設(shè)計3.1.1 主控制部分AT89S51的設(shè)計方案：AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。其主要特性如下：（1）18位微處理器和控制器，中央處理器是整個單片機的核心部件，能同時處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。（2）內(nèi)含一個布爾運算

15、器，可直接對數(shù)據(jù)的位進行操作和運算，特別適用于邏輯控制。（3）內(nèi)含4KB可重擦寫的可編程閃爍程序存貯器（EEPROM）。（4）內(nèi)含128*8位的數(shù)據(jù)存貯器（RAM）。（5）4個8位(32根)雙向且可獨立尋址的I/O（輸入輸出）接口P0P3。（6）2個16位的計數(shù)器/定時器。（7） 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。（8）全雙工方式的串行接口(DART)。 (9)兩級中斷優(yōu)先權(quán)的6個中斷源/5個中斷矢量的中斷邏輯。 (10)指令集有111條指令，其中64條為單周期指令，支持6種尋址方式。 (11)最高時鐘振蕩頻率可達12MHz，大部分指令執(zhí)行時間為1us，乘、除指令為4us。 (12)與MCS-51兼容，壽

16、命為1000次寫/擦循環(huán)，數(shù)據(jù)保留時間為10年。 (13)低功耗的閑置和掉電模式，可編程串行通道，三級程序存儲器鎖定。引腳及功能AT89C51單片機為40腳雙列直插式封裝結(jié)構(gòu)。 其引腳排列順序及引腳符號如圖4所示：圖4 AT89C51管腳圖 AT89C51重要管腳說明： Vcc：電源電壓 GND：地 P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口，作為輸出口用時，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端口。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。P1口：P1是一個帶內(nèi)部上拉電

17、阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號校驗期間，P1接收低8位地址。表1為P1口第二功能。 表1P1口第二功能 P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流I。在訪問位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口線上的內(nèi)（也即特殊功能寄存器，在整

18、個訪問期間不改變）。 P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端口時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流I。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，P3口的第二功能如表2。 P3口第二功能 表23.1.2 溫度采集模塊 由于DS18B20芯片將溫度傳感器、信號放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、接口全部集成于一芯片，與單片機連接簡單、方便且化學(xué)性很穩(wěn)定。它能用做工業(yè)測溫元件，且此元件線形較好。在0100攝氏度時，最大線形偏差小于1攝氏度。

19、該芯片直接向單片機傳輸數(shù)字信號，便于單片機處理及控制。與AD590相比是更新一代的溫度傳感器，所以溫度傳感器采用DS18B20。DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干擾能力、強易配處理器等優(yōu)點，特別適合用于溫度測控系統(tǒng)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號（按9位二進制數(shù)字）給單片機處理，且在同一總線上可以掛接多個傳感器芯片，溫度測量范圍55125，可編程為912位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達0.0625，被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出，其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生，多個DS18B20可以并聯(lián)到三根或者兩根線

20、上，CPU只需一根端口線就能與多個DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。從而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于遠距離多點溫度檢測系統(tǒng)。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM,溫度傳感器,非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL,高速暫存器。在硬件上，DS18B20與單片機的連接有兩種方法，一種是Vcc接外部電源，GND接地，I/O與單片機的I/O線相連；另一種是用寄生電源供電，此時UDD、GND接地，I/O接單片機I/O。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，I/O口線要接5K左右的上拉電阻。3.1.3 顯示模塊 本設(shè)計顯示電路采用LM016L來顯

21、示測量得到的溫度值。LM016L液晶模塊采用HD44780控制器，hd44780具有簡單而功能較強的指令集，可以實現(xiàn)字符移動，閃爍等功能，LM016L與單片機MCU通訊可采用8位或4位并行傳輸兩種方式，hd44780控制器由兩個8位寄存器，指令寄存器（IR）和數(shù)據(jù)寄存器（DR）忙標(biāo)志（BF），顯示數(shù)RAM（DDRAM），字符發(fā)生器ROMA（CGOROM）字符發(fā)生器RAM（CGRAM），地址計數(shù)器RAM(AC)。IR用于寄存指令碼，只能寫入不能讀出。DR用于寄存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由內(nèi)部操作自動寫入DDRAM和CGRAM，或者暫存從DDRAM和CGRAM讀出的數(shù)據(jù)。BF為1時，液晶模塊處于內(nèi)部模式，不響應(yīng)

22、外部操作指令和接受數(shù)據(jù)，DDTAM用來存儲顯示的字符，能存儲80個字符碼。CGROM由8位字符碼生成5*7點陣字符160種和5*10點陣字符32種。CGRAM是為用戶編寫特殊字符留用的，它的容量僅64字節(jié)，可以自定義8個5*7點陣字符或者4個5*10點陣字符，AC可以存儲DDRAM和CGRAM的地址，如果地址碼隨指令寫入IR,則IR自動把地址碼裝入AC，同時選擇DDRAM或CGRAM。LM016L液晶模塊的引腳功能如表3所示： LM016L引腳功能表 表33.2 軟件設(shè)計3.2.1 溫度采集CPU對DS18B20的訪問流程是：先對DS18B20初始化，再進行ROM操作命令，最后才能對存儲器操作

23、，數(shù)據(jù)操作。DS18B20每一步操作都要遵循嚴(yán)格的工作時序和通信協(xié)議。如主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換這一過程，根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，須經(jīng)三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預(yù)定的操作。流程圖如圖5所示。 開始 返回 圖6 圖53.2.2 鍵盤輸入3*4的鍵盤與單片機I/O口相連。采用列掃描的方式掃描鍵盤，按下鍵盤，則該按鍵出行列接通，I/O口輸入為低電平，則此時便可將所按鍵的值輸入單片機，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后便可輸出顯示在LCD上。因為鍵盤的制造工藝不同，在按下鍵盤過程中，若手一晃，結(jié)果按鍵就

24、會抬起極小的一段時間，此時單片機檢測到的就是有一個抬手后又按了一個鍵子，這是我們所不希望的，所以在鍵盤輸入時加個按鍵延時以消除抖動。即按鍵后，過一段時發(fā)現(xiàn)還是按鍵的就認(rèn)為一直是按鍵的，此時單片機可以寫程序此為一次按鍵。所以要加除抖是用來防止失誤或手抖造成的錯誤按鍵。 3.2.3 LED顯示 LM016L的寄存器選擇控制表如表4所示。 LM016L選擇控制表 表4 注：關(guān)于E=H脈沖開始時初始化E為0，然后置E為1，再清0。LM016L顯示的流程圖如圖7所示。 延時 圖73.3 調(diào)試 本次課程設(shè)計完成了基于單片機AT89C51的溫度測量與控制系統(tǒng)的設(shè)計方案與軟硬件實現(xiàn)。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊，單片機控制模塊，顯示模塊和溫度設(shè)置模塊，報警模塊和LED顯示模塊六個部分。文中對每個部分功能、實現(xiàn)過程作了詳細介紹。完成了課題既定的任務(wù)，基本達到了預(yù)期的目標(biāo)。能夠進行兩位數(shù)溫度的測定與控制。該系統(tǒng)在輸入了預(yù)設(shè)溫度后將預(yù)設(shè)溫度與測定溫度進行比較，當(dāng)測定溫度高于預(yù)設(shè)溫度是蜂鳴器啟動一段時間進行報警，如仿真圖8；當(dāng)測定溫度等于預(yù)設(shè)溫度時LED燈閃爍提醒，如仿真圖9；當(dāng)測定溫度低于傳感器溫度是繼電器啟動2S，如仿真圖10。 圖8測定溫度高于預(yù)設(shè)溫度圖