基于MCS-51单片机的温度测控与报警电路设计

1、基于MCS-51单片机的温度测控与报警电路设计摘 要 研究背景：随着时代科技的进步和发展，单片机已经普及到了我们生活的点点滴滴。而温度是一种最基本的环境参数，人民的生活与环境温度息息相关，随着人们生活水平的不断提高，对生活质量的要求不断提升，自然会更加关注跟人身体健康密切联系的温度；同时在工业生产过程中经常需要实时测量温度，尤其是在高危生产行业依靠人工检测既浪费时间，物力，人力，又有一定的危险性，且测量的数据也不准确。在农业生产中也离不开温度的测量，各种农作物的生长都跟温度有直接的联系，掌握了温度的变化就可以更好的控制农作物的生长。温度的测量对我们意义重大，我希望通过利用单片机的测温系统，详尽

2、描述利用数字温度传感器MCS-51 8051开发温度测试的过程，能够对温度的测试的领域做出更好的研究，并且对如今飞速发展的单片机技术有一定的研究和了解。研究内容：本文研究以MCS-51 单片机为核心的温度控制和报警系统的设计方法。主要实现全自动智能温度控制，使负载能够正常工作。本设计的主要研究内容如下：一、分析本文的研究意义、以及当前国内外对本文及其相关领域研究现状，然后提出本设计的总体框架和设计方案。二、研究温度智能控制的原理，得到温度检测、控制及报警电路相应模块的实现思路，做出相应架构框图。章节安排：本文的章节安排是按本文的研究内容展开讲述的，其中，第一章提出本文研究意义、以及当前国内外其

3、相关领域研究现状；然后第二章对温度测控及报警电路的总体设计进行分析，提出总体框架和设计方案，并对系统各核心单元进行深入设计研究；第三章对温控的硬件设计各个单元进行详细的论述，并给出设计电路图。最后在展示了本文的研究成果，并对本文研究工作进行了总结，对未来研究工作进行了展望。研究成果：本设计是基于MCS-51 单片机的温度测量、控制及报警电路设计，电路中使用MCS-51数字温度传感器进行温度采集，省去了AD转换的过程，使设计结构简单，稳定性高。同时为保证负载的正常工作，在报警电路之外又加入控制模块，可以通过单片机的控制加热和降温模块。目录第 1 章前言11.1研究的背景意义1第 2 章电路的总体

4、设计22.1 系统设计组成22.2 电路各部分的主要功能、构成和技术方案22.2.1 电路主要功能组成22.2.2 电路原理框图3第 3 章温度测控与报警的硬件电路设计43.1 电路硬件电路总体设计概述43.2 单片机系统模块43.2.1 单片机简介43.2.2 MCS-51 8051芯片介绍43.3 温度采集模块53.3.1 DS18B20与单片机接口电路53.4 温度报警模块73.4.1 报警电路原理73.4.2 报警电路与单片机连接图83.5 温度控制模块83.5.1 温度控制原理83.5.2 温度控制电路连接图93.6 负载模块103.6.1 负载模块的原理103.6.2 负载模块的电

5、路图10第 1 章 前 言1.1研究的背景意义温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学、生物等学科都离不开温度。在工业生产和实验研究中，像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行；炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。因此，各行各业对温度控制的要求都越来越高。可见，温度的测

6、量和控制是非常重要的。人们使用温度计来采集温度，通过人工操作加热、通风和降温设备来控制温度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。即使有些用户采用半导体二极管作温度传感器，但由于其互换性差，效果也不理想。在某些行业中对温度的要求较高，由于工作环境温度不合理而引发的事故时有发生。对工业生产可靠进行造成影响，甚至操作人员的安全。为了避免这些缺点，需要在某些特定的环境里安装数字温度测量及控制设备。本设计由于采用了新型单片机对温度进行控制，以其测量精度高，操作简单。可运行性强，价格低廉等优点，特别适用于生活，医疗，工业生产等方面的温度测量及控制。近年来，单片机已经进入了一个高速发展的

7、阶段。本设计基于单片机，设计一个检测并显示温度，若温度介于系统设定温度内，则负载正常工作。若温度超出或者低于设定温度，蜂鸣器报警，并驱动加热或者降温模块，使温度达到正常值。第 2 章 电路的总体设计2.1 系统设计组成本设计以MCS-51为核心，控制整个系统。适合在一定温度条件的环境下，电路中用到了继电器，通过单片机的弱点系统来控制与继电器项链的强电系统，从而保证强点系统控制的安全性。系统的利用数字温度传感器MCS-51采集数据并送给单片机，单片机处理之后将采集的数据送给LCD1602显示一边操作人员直观的了解当前温度。我们给系统正常工作设定为0-50，如果当前温度在这个温度设定范围内，则单片

8、机控制继电器闭合，使继电器控制的负载回路导通，是系统正常工作；若当前温度不在这个范围内，则说明当前温度不满足工作需求，此时单片机控制蜂鸣器发出警报，并且控制继电器使负载停止工作。并根据当前温度，若温度小于0，则启动加热装置，若温度高于50，则启动降温装置，直到达到系统温度，蜂鸣器停止报警，负载回路导通，重新开始工作。从而达到一个自动控制的作用，整个系统形成一个闭环温度值。 2.2 电路各部分的主要功能、构成和技术方案 2.2.1 电路主要功能组成电路功能如图2-1所示：温度采集功能：由温度传感器检测当前环境温度，并将温度传给单片机MCS-51 。温度显示功能：采集到的温度，能够直接显示在LCD

9、1602上，于使用者的操作和观测。温度报警功能：对采集到的温度自动判断并进行声音和光报警，起到提示的作用。温度控制功能：由两部分组成，分别是加热和降温装置，实现智能全自动操作。2.2.2电路原理框图电路原理如图2-2所示：本设计是对温度进行实时监测与控制，设计的温度控制电路实现了基本的温度控制功能：当温度低于设定下限温度时，系统自动启动继电器驱动加热电路加温，使温度上升。当温度上升到下限温度以上时，停止加温；当温度高于设定上限温度时，系统通过继电器驱动风扇降温，使温度下降。当温度下降到上限温度以下时，停止降温。温度在上下限温度之间时，继电器驱动负载工作。LCD1602显示采集到的当前温度。3.

10、1 电路硬件电路总体设计概述温度自动控制系统实际上是对温度参数的采集而根据采集的温度来自动进行控制。目的是使负载能够工作，通过单片机只能控制而改变温度，使环境温度达到设定范围。主要应用于一些需要特殊温度需求的地方，比如机房等，通过实时只能监控。某些可惜实验也需要温度在一定范围内进行，都可以通过本系统来控制。本设计是一个闭环自动控制系统。弱电控制强电，单片机控制继电器的开合，再控制负载的工作状态。避免了使用人员直接接触强点系统导致的危险性。本设计的硬件部分分为六个模块：单片机系统模块、温度采集模块、温度显示模块、温度报警模块、温度控制模块、负载模块。3.2 单片机系统模块3.2.1 单片机简介单

11、片机也被称为微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。3.2.2 MCS-51芯片介绍MCS51单片机的内部总体结构其基本特性如下：8位CPU、片内振荡器、4k字节ROM、128字节RAM、21个特殊功能寄存器、32根I/O线、可寻址的64k字节外部数据、程序存贮空间、2个16位定时器、计数器中断结构：具有二个优先级、五个中断源、一个全双工串行口、

12、位寻址（即可寻找某位的内容）功能，适于按位进行逻辑运算的位处理器。除128字节RAM、4k字节ROM和中断、串行口及定时器模块外，还有4组I/O口P0P3，余下的就是CPU的全部组成。把4kROM换为EEPROM就是8751的结构，如去掉ROM/EEPROM部分即为8031，如果将ROM置换为Flash存贮器或EEPROM，或再省去某些I/O，即可得到51系列的派生品种，如89C51、AT89C2051等单片机。单片机各部分是通过内部的总线有机地连接起来的。运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件ALU为核心，再加上暂存器TMP、累加器ACC、寄存器B、程序状态标志寄存器PSW及布尔处理器。累加

13、器ACC是一个八位寄存器，它是CPU中工作最频繁的寄存器。在进行算术、逻辑运算时，累加器ACC往往在运算前暂存一个操作数（如被加数），而运算后又保存其结果（如代数和）。寄存器B主要用于乘法和除法操作。标志寄存器PSW也是一个八位寄存器，用来存放运算结果的一些特征，如有无进位、借位等。其每位的具体含意如下所示：对用户来讲，最关心的是以下四位。（1）进位标志CY（PSW.7）。它表示了运算是否有进位（或借位）。如果操作结果在最高位有进位（加法）或者借位（减法），则该位为1，否则为0。（2）辅助进位标志AC（PSW.6）。又称半进位标志，它指两个八位数运算低四位是否有半进位，即低四位相加（或减）是否

14、进位（或借位），如有AC为1，否则为0。（3）溢出标志位OV（PSW.2）。反映带符号数的运算结果是否有溢出，有溢出时，此位为1，否则为0。（4）奇偶标志P（PSW.0）。反映累加器ACC内容的奇偶性，如果ACC中的运算结果有偶数个1（如11001100B，其中有4个1），则P为0，否则，P=1。由于PSW存放程序执行中的状态，故又叫程序状态字。运算器中还有一个按位（bit）进行逻辑运算的逻辑处理机（又称布尔处理机）。MCS-51单片机引脚图3.3 温度采集模块3.3.1 DS18B20与单片机接口电路DS18B20是Dallas公司继DS1820后推出的一种改进型智能数字温度传感器，与传统热

15、敏电阻相比，只需要一根线就能直接读出被测温度，并可根据实际需求编程实现912位数字值的读数方式。DS18B20有三种封装形式；1) 采用3引脚TO-92的封装形式。2) 采用6引脚TSOC的封装形式。3) 采用8引脚SOIC的封装形式。如图3-5所示。DS18B20芯片的引脚功能如下。GND：接地。DQ：数字信号输入/输出端。VDD：外接供电电源输入端。采用寄生电源方式时，该引脚接地。DS18B20的封装形式2. DS18B2的内部结构温度传感器DS18B20的内部结构如图所示，主要由64位ROM、温度传感器、高速缓存器及配置寄存器等部分组成。DS18B20的内部结构 DS18B20与单片机的

16、连线图如图。在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证 转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。注意：在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空 ，否则不能转换温度，读取的温度总是85。3.4 温度报警模块3.4.1 报警电路原理当环境温度不在设置温度范围内，需要发出警报，报警电路由PNP三极管和扬声器组成。电路中刚才用PNP三极管，选用低功率三极管9012，当P1.0低电平，三极管集电极正偏，发射级反偏，三极管导通，驱动蜂鸣器报警。3.4.2 报警电路与单片机

17、连接图 报警电路与单片机连接图3.5 温度控制模块3.5.1 温度控制原理在各种自动控制设备中，都存在一个低压的自动控制电路与高压电气电路的互相连接问题，一方面要使低压的电子电路的控制信号能够控制高压电气的执行元件，如电动机、电磁铁、电灯等；另一方面为电子线路的电气电路提供良好的电隔离，以保护电子电路的人身安全，电磁式继电器便能完成这一桥梁作用。电磁继电器是在输入电路内电流的作用下，由机械部件的相对运动产生预定相应的一种继电器，它包括直流电磁继电器，交流电磁继电器、磁保持继电器、极化继电器、舌簧继电器、节能功率继电器。电磁式继电器一般由控制线圈、铁芯、衔铁、触电簧片等组成，控制线圈和节点组之间

18、是相互绝缘的，因此，能够为控制电路起到良好的电气隔离作用。当我们在继电器的线圈两头加上其线圈的额定电压时，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的接通，切断开关的目的。本设计中主要将温度控制在系统设定的0-50。当高于50时，单片机弱电通过继电器控制强电系统加热；当环境温度低于0时，单片机的弱电通过继电器控制强电系统降温。3.5.2 温度控制电路连接图本设计中，采用NPN三极管驱动继电器，并且带有一发光二极管作为指示灯，系统中由于仿真的方便采用了12V的灯泡代替强电系统。加热系统接在单片机P1.2口上，降温系统接到单片机P1.3口上。温度控制模块的电路图如图 温度控制电路连接图3.6 负载模块3.6.1 负载模块的原理电路的负载也是通过继电器用单片机的弱电控制强电。本设计中采用NPN三极管驱动继电器，并且带有一负载工作的指示灯，系统中负载由于仿真方便采用了12V灯泡代替强电系统。电路