基于单片机温度检测系统的设计

1、基于单片机温度检测系统的设计刘亚河北工业大学廊坊分校798476220摘要：随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，温度检测和显示系统在很多领域得到广泛应用。人们在温度检测的准确度、便捷、快速等方面有着越来越高的要求。而传统的温度传感器已经不能满足人们的需求，其渐渐被新型的温度传感器所代替。 本文从硬件和软件两方面介绍了基于单片机的温度检测系统，对硬件原理图和程序框图作了简要的描述。关键词：AT89C51；温度；检测系统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、绪论1.1 自动化检测技术的作用 检测是人类认识物质世界、改造物质世界的重要手段。远古时代，人类就知通用自身的指幅、臂长为标准确定其他物体的长度，后来又发明了观察时间的“曰晷”和测定方向的指南针。检测技术的发展标志着人类的进步和人类社会的繁荣。在现代工业、釉扳嘲防、医疗、科研等各行业，检测技术的作用越来越大，检测设备就

5、像神经和感官，源源不断地向人们传输各种有用的信息。在科学实验和工业生产过程中，为了及时了解工艺过程、生产过程的情况及它们的结果，需要对描述被控对象特征的某些参数进行测量或检测，其目的是为了准确获得表征他们的定量信息，为生产过程的自动化及科研提供可靠的数据。至于检测技术的意义就更广泛了，它们包括根据被测对象的特点，选用合适的测量仪器仪表及实验方法，通过测量及数据处理和误差分析，准确得到被测量的数据，并为提高测量精度、改进实验方法及测量但表，为生产过程的自动化等提供可靠的依据。1.2 单片机技术的作用单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储

6、器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开

7、发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师.1.3 温度 温度是表征物体冷热程度的物理量。 在现代生产过程中，温度的测量和控制极为普遍，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位。而且随着科学技术和生产的不断发展，温度传感器的种类还是在不断增加丰富来满足生产生活中的需要。 随着电子技术和微型计算机的迅速发展。采用单片机进行温度检测、数值显示和数据的存储，具有效率高、性能稳定等特点，还可以实现

8、实时控制等技术要求，在工业生产中应用越来越广泛。本文设计的基于AT89C51的温度检测系统，是一种利用单片机多余IO口实现温度检测的，其成本低，结构简单，且易于实现，几乎适用于所有类型的单片机。2、方案选择2.1 方案一 为了对温度进行实时监测，减少由于温度变化对工程影响而造成的经济损失，本设计基于DS18B20对温度进行测量的系统，可以实现对环境温度的监测。同时结合MSP430单片机强大的功能，实现监控系统对温湿度进行实时监控以进行超限报警。TI公司生产的MSP430系列是一个超低功耗的混合信号控制器，特别适合于电池应用的场合或手持设备。设计的温度监测系统以MSP430为核心，采用温度传感器

9、DS18B20测量温度，由温度数据采集模块、主控模块、显示模块、按键模块组成，主要完成数据采集、显示和报警的功能，其系统结构如图1所示。2.2 方案二本设计的是一种以AT89C51单片机为主控制单元，以DS18B20为温度传感器的温度控制系统。该控制系统可以实时存储相关的温度数据。其主要包括：温度采集模块、按键处理模块、LCD显示模块、通讯模块以及单片机最小系统。本系统由温度传感器DS18B20、AT89C51、LCD显示电路、软件构成。DS18B20输出表示摄氏温度的数字量，然后用51单片机进行数据处理、译码、显示、报警等。系统框图如图2所示。图2 系统框图 温度传感器DS18B20把所测得

10、的温度以数字信号的方式发送到AT89C51单片机上，经过51单片机处理，将把温度在显示电路上显示，本系统显示器为点阵字符LCD，LM016L液晶模块。本系统除了显示温度以外还可以通过键盘预设一个温度值，对所测温度进行监控，当温度高于设定温度时，启动蜂鸣器报警；当所测温度低于设定温度时，启动继电器2S；当所测温度等于设定温度时LED等闪烁。2.3 方案选择方案二以AT89C51单片机为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。温度信号由温度芯片DS18B20采集，并以数字信号的方式传送给单片机。由键盘输入预设温度，比较实际环境温度与预设温度再由单片机做出相应的处理已以达到温度控制的目的。因此，选择

11、方案二。2.4 总体设计方案 2.4.1 硬件设计方案 本设计的是一种以AT89C51单片机为主控制单元，以DS18B20为温度传感器的温度控制系统。该控制系统可以实时存储相关的温度数据。其主要包括：温度采集模块、按键处理模块、LCD显示模块、通讯模块以及单片机最小系统。本系统由温度传感器DS18B20、AT89C51、LCD显示电路、软件构成。DS18B20输出表示摄氏温度的数字量，然后用51单片机进行数据处理、译码、显示、报警等。系统框图如图2所示。图2 系统框图 温度传感器DS18B20把所测得的温度以数字信号的方式发送到AT89C51单片机上，经过51单片机处理，将把温度在显示电路上显

12、示，本系统显示器为点阵字符LCD，LM016L液晶模块。本系统除了显示温度以外还可以通过键盘预设一个温度值，对所测温度进行监控，当温度高于设定温度时，启动蜂鸣器报警；当所测温度低于设定温度时，启动继电器2S；当所测温度等于设定温度时LED等闪烁。2.4.1 软件设计方案 从软件的功能不同可分为两大类：一是监控软件（主程序），它是整个控制系统的核心，专门用来协调各执行模块和操作者的关系。二是执行软件（子程序），它是用来完成各种实质性的功能如测量、计算、显示、通讯等。每一个执行软件是一个小的功能执行模块。这里将各执行模块一一列出，并为每一个执行模块进行功能定义和接口定义。各执行模块规划好后，就可以

13、规划监控程序了。首先要根据系统的总体功能选择一种最合适的监控程序结构，然后根据实时性的要求，合理地安排监控软件和各执行模块之间地调度关系。主程序是系统的监控程序，在程序运行的过程中必须先经过初始化。本设计的主程序中将传感器获取的温度与预设温度进行了比较，并对各种不同的状态变化的控制做出了设定。流程图如图3所示。系统在初始化完成后就进入温度测量程序，实时的测量当前的温度并通过显示电路在LCD上显示。根据硬件设计完成对温度的控制。按下4*3键盘上的OK键可以便可以输入预设温度。 图3 设计流程图 总设计原理图如下： 系统具有如下特点： .采用智能温度传感器DS18B20采集温度数据，简化了硬件电路

14、设计，温度采集数据更加精准；.AT89C51单片机的采用，有利于功能扩展； .电路设计充分考虑了系统可靠性和安全性。3、温度检测系统设计过程3.1 硬件设计3.1.1 主控制部分AT89S51的设计方案：AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其主要特性如下：（1）18位微处理器和控制器，中央处理器是整个单片机的核心部件，能同时处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。（2）内含一个布尔运算

15、器，可直接对数据的位进行操作和运算，特别适用于逻辑控制。（3）内含4KB可重擦写的可编程闪烁程序存贮器（EEPROM）。（4）内含128*8位的数据存贮器（RAM）。（5）4个8位(32根)双向且可独立寻址的I/O（输入输出）接口P0P3。（6）2个16位的计数器/定时器。（7） 片内振荡器和时钟电路。（8）全双工方式的串行接口(DART)。 (9)两级中断优先权的6个中断源/5个中断矢量的中断逻辑。 (10)指令集有111条指令，其中64条为单周期指令，支持6种寻址方式。 (11)最高时钟振荡频率可达12MHz，大部分指令执行时间为1us，乘、除指令为4us。 (12)与MCS-51兼容，寿

16、命为1000次写/擦循环，数据保留时间为10年。 (13)低功耗的闲置和掉电模式，可编程串行通道，三级程序存储器锁定。引脚及功能AT89C51单片机为40脚双列直插式封装结构。 其引脚排列顺序及引脚符号如图4所示：图4 AT89C51管脚图 AT89C51重要管脚说明： Vcc：电源电压 GND：地 P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口，作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端口。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。P1口：P1是一个带内部上拉电

17、阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号校验期间，P1接收低8位地址。表1为P1口第二功能。 表1P1口第二功能 P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I。在访问位地址的外部数据存储器时，P2口线上的内（也即特殊功能寄存器，在整

18、个访问期间不改变）。 P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端口时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流I。P3口除了作为一般的I/O口线外，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 温度采集模块 由于DS18B20芯片将温度传感器、信号放大调理、A/D转换、接口全部集成于一芯片，与单片机连接简单、方便且化学性很稳定。它能用做工业测温元件，且此元件线形较好。在0100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。

19、该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。与AD590相比是更新一代的温度传感器，所以温度传感器采用DS18B20。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点，特别适合用于温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（按9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片，温度测量范围55125，可编程为912位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到三根或者两根线

20、上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。从而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于远距离多点温度检测系统。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH和TL,高速暂存器。在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5K左右的上拉电阻。3.1.3 显示模块 本设计显示电路采用LM016L来显

21、示测量得到的温度值。LM016L液晶模块采用HD44780控制器，hd44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，LM016L与单片机MCU通讯可采用8位或4位并行传输两种方式，hd44780控制器由两个8位寄存器，指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）忙标志（BF），显示数RAM（DDRAM），字符发生器ROMA（CGOROM）字符发生器RAM（CGRAM），地址计数器RAM(AC)。IR用于寄存指令码，只能写入不能读出。DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入DDRAM和CGRAM，或者暂存从DDRAM和CGRAM读出的数据。BF为1时，液晶模块处于内部模式，不响应

22、外部操作指令和接受数据，DDTAM用来存储显示的字符，能存储80个字符码。CGROM由8位字符码生成5*7点阵字符160种和5*10点阵字符32种。CGRAM是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅64字节，可以自定义8个5*7点阵字符或者4个5*10点阵字符，AC可以存储DDRAM和CGRAM的地址，如果地址码随指令写入IR,则IR自动把地址码装入AC，同时选择DDRAM或CGRAM。LM016L液晶模块的引脚功能如表3所示： LM016L引脚功能表 表33.2 软件设计3.2.1 温度采集CPU对DS18B20的访问流程是：先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作

23、，数据操作。DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。流程图如图5所示。 开始 返回 图6 图53.2.2 键盘输入3*4的键盘与单片机I/O口相连。采用列扫描的方式扫描键盘，按下键盘，则该按键出行列接通，I/O口输入为低电平，则此时便可将所按键的值输入单片机，经数据处理后便可输出显示在LCD上。因为键盘的制造工艺不同，在按下键盘过程中，若手一晃，结果按键就

24、会抬起极小的一段时间，此时单片机检测到的就是有一个抬手后又按了一个键子，这是我们所不希望的，所以在键盘输入时加个按键延时以消除抖动。即按键后，过一段时发现还是按键的就认为一直是按键的，此时单片机可以写程序此为一次按键。所以要加除抖是用来防止失误或手抖造成的错误按键。 3.2.3 LED显示 LM016L的寄存器选择控制表如表4所示。 LM016L选择控制表 表4 注：关于E=H脉冲开始时初始化E为0，然后置E为1，再清0。LM016L显示的流程图如图7所示。 延时 图73.3 调试 本次课程设计完成了基于单片机AT89C51的温度测量与控制系统的设计方案与软硬件实现。系统包括数据采集模块，单片机控制模块，显示模块和温度设置模块，报警模块和LED显示模块六个部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。完成了课题既定的任务，基本达到了预期的目标。能够进行两位数温度的测定与控制。该系统在输入了预设温度后将预设温度与测定温度进行比较，当测定温度高于预设温度是蜂鸣器启动一段时间进行报警，如仿真图8；当测定温度等于预设温度时LED灯闪烁提醒，如仿真图9；当测定温度低于传感器温度是继电器启动2S，如仿真图10。 图8测定温度高于预设温度图