單片機課程設(shè)計——基于51單片機的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

1、單片機課程設(shè)計報告題目： 溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)院：通信與信息工程學(xué)院專業(yè)： 電子信息工程專業(yè) 班級： 電信*班 成員： 艾依河里的魚 二一一年七月十二日一、引言溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，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。對于不同場所、不同工藝、所需溫度高低范圍不同、精度不同，則采用的測溫元件、測方法以及對溫度的控制方法也將不同；產(chǎn)品工藝不同、控制溫度的精度不同、時效不同，則對數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，對溫度的測控方法多種多樣。隨著電子技術(shù)和微型計算機的迅速發(fā)展，微機測量和控制技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。利用微機對溫度進行

2、測控的技術(shù)，也便隨之而生，并得到日益發(fā)展和完善，越來越顯示出其優(yōu)越性。作為獲取信息的手段傳感器技術(shù)得到了顯著的進步，其應(yīng)用領(lǐng)域較廣泛。傳感器技術(shù)已成為衡量一個國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標志之一。因此，了解并掌握各類傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。為了提高對傳感器的認識和了解，尤其是對溫度傳感器的深入研究以及其用法與用途，基于實用、廣泛和典型的原則而設(shè)計了本系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用傳感器與單片機相結(jié)合，應(yīng)用性比較強，本系統(tǒng)可以作為倉庫溫度監(jiān)控系統(tǒng)，如果稍微改裝可以做熱水器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、實驗室溫度監(jiān)控系統(tǒng)，以及構(gòu)成智能電飯煲等等。課題主要任務(wù)是完成環(huán)境溫度監(jiān)測，利用單片機實現(xiàn)溫度監(jiān)測并通過報

3、警信號提示溫度異常。本設(shè)計具有操作方便，控制靈活等優(yōu)點。本設(shè)計系統(tǒng)包括單片機，溫度采集模塊，顯示模塊，按鍵控制模塊，報警和指示模塊五個部分。文中對每個部分功能、實現(xiàn)過程作了詳細介紹。整個系統(tǒng)的核心是進行溫度監(jiān)控，完成了課題所有要求。二、實驗?zāi)康暮鸵?.1學(xué)習(xí)DS18B20溫度傳感芯片的結(jié)構(gòu)和工作原理。2.2掌握LED數(shù)碼管顯示的原理及編程方法。2.3掌握獨立式鍵盤的原理及使用方法。2.4掌握51系列單片機數(shù)據(jù)采集及處理的方法。三、方案設(shè)計總體設(shè)計方案采用AT89C52單片機作控制器，溫度傳感器選用DS18B20來設(shè)計數(shù)字溫度計，系統(tǒng)由5個模塊組成：主控制器、測溫電路、顯示電路、控制電路、報警

4、及指示電路。主控制器由單片機AT89C52實現(xiàn)，測溫電路由DS18B20溫度傳感器實現(xiàn)，顯示電路由4位LED數(shù)碼管直讀顯示,，報警指示電路由蜂鳴器和發(fā)光二級管構(gòu)成，控制電路由按鍵構(gòu)成。本設(shè)計所使用的數(shù)字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比，具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫準確等特點，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對溫度的精度要求較高的場所，或科研實驗室使用，并且加有報警裝置，超過限制溫度可發(fā)出報警信號，還可以調(diào)整報警上下限溫度。該設(shè)計控制器使用單片機AT89C52，測溫傳感器使用DS18B20，用4位共陽極LED數(shù)碼管以I/O口傳送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)溫度顯示，能準確達到以上要求。四、實驗原理利用溫度傳感器芯片監(jiān)測

5、環(huán)境溫度，將溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送到單片機內(nèi)部，單片機通過對溫度數(shù)據(jù)進行處理，利用四位八段數(shù)碼管顯示環(huán)境溫度，并利用蜂鳴器和發(fā)光二極管發(fā)出超限警報信號。通過按鍵操作可以改變報警溫度的上下限。五、材料清單序號名稱型號/規(guī)格數(shù)量備注1單片機STC89C52RC1U12溫度傳感器DS18B201U23電阻3K5R1,R2,R3,R4,R1241004R5,R6,R7,R8510K4R9,R13,R14,R1562001R1071K1R118排阻10K1RP19電容30pF2C1,C210電解電容22uF1C311三極管9013(NPN)4Q1,Q2,Q3,Q4128550(PNP)1Q513發(fā)光

6、二極管黃色1D114紅色1D215綠色2D3,D416蜂鳴器1BUZ117按鍵4S1,S2,S3,S418晶振11.0592MHz1X119四位八段數(shù)碼管XD3941BR-ST1顯示六、基本芯片及其原理6.1單片機89C52是INTEL公司MCS-51系列單片機中基本的產(chǎn)品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工藝技術(shù)制造的高性能8位單片機，屬于標準的MCS-51的HCMOS產(chǎn)品。它結(jié)合了HMOS的高速和高密度技術(shù)及CHMOS的低功耗特征，它基于標準的MCS-51單片機體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，屬于80C51增強型單片機版本，集成了時鐘輸出和向上或向下計數(shù)器等更多的功能，適合于類似馬達控制等應(yīng)用場合

7、。89C52內(nèi)置8位中央處理單元、256字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAM、8k片內(nèi)程序存儲器（ROM）32個雙向輸入/輸出(I/O)口、3個16位定時/計數(shù)器和5個兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)時鐘振蕩電路。此外，89C52還可工作于低功耗模式，可通過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結(jié)CPU而RAM定時器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存RAM數(shù)據(jù)，時鐘振蕩停止，同時停止芯片內(nèi)其它功能。89C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)兩種封裝形式。本次課程設(shè)計所使用的單片機為STC89C52單片機，是深圳宏晶科技生產(chǎn)的完全兼容INTEL公司MCS-51系列的單

8、片機。6.2溫度傳感器及其原理傳感器DS18B20具有體積小、精度高、適用電壓寬、采用一線總線、可組網(wǎng)等優(yōu)點，在實際應(yīng)用中取得了良好的測溫效果。美國Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持 “一線總線”接口的溫度傳感器，在其內(nèi)部使用了在板（ON-B0ARD）專利技術(shù)。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)?！耙痪€總線”獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念?，F(xiàn)在，新一代的DS18B20體積更小、更經(jīng)濟、更靈活。使用戶可以充分發(fā)揮“一線總線”的優(yōu)點。 同DS1820一樣，DS18B20也支持“一線總線”接口，測

9、量溫度范圍為-55C+125C，在-10+85C范圍內(nèi)，精度為0.5C?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持3V5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。6.2.1 DS18B20的特性（1）適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。（2）獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。（3）DS18B20支持多點組網(wǎng)功能，多

10、個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。（4）DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。（5）溫范圍55125，在-10+85時精度為0.5。（6）可編程的分辨率為912位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實現(xiàn)高精度測溫。（7）在9位分辨率時最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。（8）測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。（9）負壓特性：電源極性接反

11、時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。6.2.2 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)及DS18B20的管腳排列64位光刻ROM是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列號。不同的器件地址序列號不同。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。 DS18B20的引腳定義：圖一 DS18B20引腳定義(1)DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端。(2)GND為電源地。(3)VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。6.2.3 DS18B20的編程（1）DS18B20的初始化：先將數(shù)據(jù)線置高電平“1”。 延時（該時間要

12、求的不是很嚴格，但是盡可能的短一點） 數(shù)據(jù)線拉到低電平“0”。 延時750us（該時間的時間范圍可以從480us到960us）。 數(shù)據(jù)線拉到高電平“1”。 延時等待（如果初始化成功則在15到60毫秒時間之內(nèi)產(chǎn)生一個由DS18B20所返回的低電平“0”。據(jù)該狀態(tài)可以來確定它的存在，但是應(yīng)注意不能無限的進行等待，不然會使程序進入死循環(huán)，所以要進行超時控制）。 若CPU讀到了數(shù)據(jù)線上的低電平“0”后，還要做延時，其延時的時間從發(fā)出的高電平算起（第（5）步的時間算起）最少要480微秒。 將數(shù)據(jù)線再次拉高到高電平“1”后結(jié)束。初始化程序代碼如下：void ds_reset(void)char prese

13、nce=1;while(presence)while(presence)DQ=1; _nop_();_nop_();DQ=0; delay(50); DQ=1; delay(6); presence=DQ; delay(45); presence=DQ; DQ=1; （2）DS18B20的寫操作：數(shù)據(jù)線先置低電平“0”。延時確定的時間為15us。 按從低位到高位的順序發(fā)送字節(jié)（一次只發(fā)送一位）。 延時時間為45us。 將數(shù)據(jù)線拉到高電平。 重復(fù)上（1）到（6）的操作直到所有的字節(jié)全部發(fā)送完為止。 最后將數(shù)據(jù)線拉高。 寫操作程序代碼如下：void ds_write(uchar ds_wrdata

14、) uchar i;for(i=8;i0;i-)DQ=1;_nop_();_nop_(); DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); DQ=ds_wrdata&0x01; /最低位移出delay(6);ds_wrdata=ds_wrdata/2; /右移1位DQ=1;delay(1);（3）DS18B20的讀操作：將數(shù)據(jù)線拉高“1”。延時2us。 將數(shù)據(jù)線拉低“0”。延時15us。 將數(shù)據(jù)線拉高“1”。延時15us。讀數(shù)據(jù)線的狀態(tài)得到1個狀態(tài)位，并進行數(shù)據(jù)處理。延時30us。讀操作程序代碼如下：uchar ds_read(void)uchar i;uchar

15、value=0;for(i=8;i0;i-)DQ=1;_nop_();_nop_();value=1;DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); DQ=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); if(DQ)value|=0x80;delay(6); DQ=1;return(value);6.2.4 DS18B20傳感器的溫度數(shù)據(jù)關(guān)系：圖二 溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)關(guān)系6.2.5 DS18B20的外部電源供電方式：在外部電源供電方式下，DS18B20工作電源由VDD引腳接入，此時I/O線不需要強上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證 轉(zhuǎn)換

16、精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個DS18B20傳感器，組成多點測溫系統(tǒng)。圖三 外部電源供電連接圖七、系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)設(shè)計由5個模塊組成：主控制器（單片機）、溫度采集模塊、溫度顯示模塊、控制電路模塊、報警及指示模塊。主控制器由單片機AT89C52實現(xiàn)，測溫電路由DS18B20溫度傳感器實現(xiàn)，顯示電路由4位LED數(shù)碼管直讀顯示，報警指示電路由蜂鳴器和發(fā)光二級管構(gòu)成，控制電路由按鍵構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如下：P3.0P3.3P0.0P0.7P2.0P2.3P1.3P1.7P1.0溫度采集報警指示控制按鍵溫度顯示單片機圖四 系統(tǒng)框圖八、工作流程圖8.1主程序流程圖開始初始化顯示讀取溫度否for(i=0;i

17、200;i+)是狀態(tài)指示、報警顯示按鍵掃描圖五 主要功能流程圖開始采樣當(dāng)前溫度大于上限？高溫警報小于下限？低溫警報溫度正常指示結(jié)束圖六 指示、報警模塊流程圖開始傳感器初始化發(fā)跳過讀序列號指令發(fā)溫度轉(zhuǎn)換指令讀溫度值低字節(jié)讀溫度值高字節(jié)高低字節(jié)合并返回溫度值開始圖七 讀取溫度值模塊流程圖九、硬件電路圖圖八 顯示模塊圖九 按鍵控制模塊圖十 報警、指示電路圖十一 溫度傳感器連接圖圖十二 整體硬件電路圖圖十二 整體硬件電路圖十、總結(jié)通過做本課題，使我們了解傳感器的基本理論知識，更深入的了解單片機的開發(fā)應(yīng)用和PC編程控制。為以后從事單片機軟硬件產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)、PC軟件開發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)，樹立獨立從事產(chǎn)品研發(fā)的信心。同時也培養(yǎng)了我們認真的做事態(tài)度。從得到題目到查找資料，從對題目的研究設(shè)定到電路圖的設(shè)計，電路圖的設(shè)計到程序設(shè)計在這一個充滿挑戰(zhàn)伴隨挫折，充滿熱情伴隨打擊的過程中，我們感觸頗深，它是對我們的鉆研精神，創(chuàng)新精神，面對困難的心態(tài)，做事的毅力和耐心的考驗。