溫度上下限報警器設計參考論文

1、課 程 設 計題 目 基于51單片機溫度報警器班 級 10自Y1 姓 名 杜 懿 學 號 10120903 26基于51單片機溫度報警器摘要：隨著時代的進步和發(fā)展，單片機技術已經普及到我們生活，工作，科研，各個領域，已經成為一種比較成熟的技術,本文將介紹一種基于單片機控制的數字溫度報警器，本設計屬于多功能溫度報警器，可以設置上下報警溫度，當溫度超過上限或者下限任意溫度設置范圍內時，開始報警。 關鍵詞：單片機，數字顯示，溫度報警， DS18B20，STC89C52RC1 引言隨著人們生活水平的不斷提高,單片機控制無疑是人們追求的目標之一，它所給人帶來的方便也是不可否定的，其中數字溫度報警器就是一

2、個典型的例子，但人們對它的要求越來越高，要為現代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設施就需要從數單片機技術入手，一切向著數字化控制，智能化控制方向發(fā)展。本設計所介紹的數字溫度報警器與傳統(tǒng)的溫度報警器相比，具有讀數方便，測溫范圍廣，測溫準確，其輸出溫度采用數字顯示，主要用于對測溫比較準確的場所，或科研實驗室使用，該設計控制器使用單片機STC89C52RC，測溫傳感器使用DS18B20，用3位共陽極LED數碼管實現溫度顯示，能準確達到以上要求。2 總體設計方案2.1數字溫度報警器設計方案論證2.1.1 方案一由于本設計是測溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應，在將隨被測溫度變化的電

3、壓或電流采集過來，進行A/D轉換后，就可以用單片機進行數據的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來，這種設計需要用到A/D轉換電路，感溫電路比較麻煩。并且測量溫度精度不高，有偏差。2.1.2 方案二 進而考慮到用溫度傳感器，在單片機電路設計中，大多都是使用傳感器，所以這是非常容易想到的，所以可以采用一只溫度傳感器DS18B20，此傳感器可以很容易直接讀取被測溫度值，進行轉換，就可以滿足設計要求，且測量精度很高。從以上兩種方案，很容易看出，采用方案二，電路比較簡單，軟件設計也比較簡單，故采用方案二。2.2 方案二的總體設計框圖溫度報警器電路設計總體設計方框圖如圖1所示，控制器采用單片機ST

4、C12C5A16S2，溫度傳感器采用DS18B20，用3位LED數碼管實現溫度顯示，用一位數碼管顯示攝氏度符號。三個按鍵進行溫度上、下限報警值設置。主控制器LED顯示單片機復位溫度傳感器按鍵調整 報警電路時鐘振蕩圖1總體設計方框圖2.2.1 主控制器STC89C52RC單片機是以51內核為主的系列單片機，STC單片機是宏晶生產的單時鐘/機器周期的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快812倍，內部集成MAX810專用復位電路。4路PWM 8路高速10位A、D轉換，針對電機控制，強干擾場合。STC89C52RC單片機引腳如下圖：STC89

5、C52RC單片機主要性能高速：1 個時鐘/ 機器周期，增強型8051 內核，速度比普通8051 快812 倍寬電壓：5.53.8V，2.43.8V（STC12LE5410AD 系列）低功耗設計：空閑模式，掉電模式（可由外部中斷喚醒）工作頻率：035MHz，相當于普通8051：0420MHz- 實際可到48MHz，相當于8051： 0576MHz時鐘：外部晶體或內部RC 振蕩器可選，在ISP 下載編程用戶程序時設置 16K 字節(jié)片內Flash 程序存儲器，擦寫次數10 萬次以上 512 字節(jié)片內RAM 數據存儲器芯片內EEPROM 功能 ISP / IAP，在系統(tǒng)可編程/ 在應用可編程,無需編程

6、器/ 仿真器 10 位ADC，8 通道, STC12C5A16S2 系列為8 位ADC。4 路PWM 還可當4 路D/A 使用 2 個硬件16 位定時器，兼容普通8051 的定時器。4 路PCA 還可再實現4 個定時器硬件看門狗（WDT）高速SPI 通信端口全雙工異步串行口(UART),兼容普通8051 的串口先進的指令集結構，兼容普通8051指令集4 組8 個8 位通用工作寄存器（共32 個通用寄存器）有硬件乘法/ 除法指令通用I/O 口（27/23/15 個），復位后為： 準雙向口/ 弱上拉（普通8051 傳統(tǒng)I/O 口）可設置成四種模式：準雙向口/ 弱上拉，推挽/ 強上拉，僅為輸入/ 高

7、阻，開漏每個I/O 口驅動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不得超過55mA。2.2.2 顯示電路顯示電路采用3位共陽LED數碼管做為溫度值顯示。用三個8550PNP三極做為每一位LED管的驅動電路，這樣使得數碼管電流量更大，亮度更亮。一位共陽極數碼管顯示攝氏度符號，使得整個顯示電路更加人性化。2.2.3溫度傳感器DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據實際要求通過簡單的編程實現位的數字值讀數方式。DS18B20的性能特點如下：獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信；多個DS18

8、B20可以并聯在惟一的三線上，實現多點組網功能；無須外部器件；可通過數據線供電，電壓范圍為3.05.5；零待機功耗；溫度以或位數字；用戶可定義報警設置；報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作；DS18B20采用腳PR35封裝或腳SOIC封裝，其內部結構框圖如圖2所示。C64位ROM和單線接口高速緩存存儲器與控制邏輯溫度傳感器高溫觸發(fā)器TH低溫觸發(fā)器TL配置寄存器8位CRC發(fā)生器Vdd I/O圖2 DS18B20內部結構64位ROM的結構開始位是產品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48位，最后位

9、是前面56位的CRC檢驗碼，這也是多個DS18B20可以采用一線進行通信的原因。溫度報警觸發(fā)器和，可通過軟件寫入戶報警上下限。DS18B20溫度傳感器的內部存儲器還包括一個高速暫存和一個非易失性的可電擦除的EERAM。高速暫存RAM的結構為字節(jié)的存儲器，結構如圖3所示。頭個字節(jié)包含測得的溫度信息，第和第字節(jié)和的拷貝，是易失的，每次上電復位時被刷新。第個字節(jié)，為配置寄存器，它的內容用于確定溫度值的數字轉換分辨率。DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉換為相應精度的溫度數值。該字節(jié)各位的定義如圖3所示。低位一直為，是工作模式位，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式，DS18B20出廠時該

10、位被設置為，用戶要去改動，R1和0決定溫度轉換的精度位數，來設置分辨率。溫度 LSB溫度 MSBTH用戶字節(jié)1TL用戶字節(jié)2配置寄存器保留保留保留CRC圖3 DS18B20字節(jié)定義由表1可見，DS18B20溫度轉換的時間比較長，而且分辨率越高，所需要的溫度數據轉換時間越長。因此，在實際應用中要將分辨率和轉換時間權衡考慮。高速暫存的第、字節(jié)保留未用，表現為全邏輯。第字節(jié)讀出前面所有字節(jié)的CRC碼，可用來檢驗數據，從而保證通信數據的正確性。當DS18B20接收到溫度轉換命令后，開始啟動轉換。轉換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第、字節(jié)。單片機可以通過單線接口

11、讀出該數據，讀數據時低位在先，高位在后，數據格式以0.0625LSB形式表示。當符號位時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉換為十進制；當符號位時，表示測得的溫度值為負值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制數值。表2是一部分溫度值對應的二進制溫度數據。表1 DS18B20溫度轉換時間表 DS18B20完成溫度轉換后，就把測得的溫度值與RAM中的TH、T字節(jié)內容作比較。若TH或TTL，則將該器件內的報警標志位置位，并對主機發(fā)出的報警搜索命令作出響應。因此，可用多只DS18B20同時測量溫度并進行報警搜索。在64位ROM的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余檢驗碼（CRC）。主機ROM的前56位來

12、計算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比較，以判斷主機收到的ROM數據是否正確。DS18B20的測溫原理是這這樣的,器件中低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給減法計數器；高溫度系數晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產生的信號作為減法計數器的脈沖輸入。器件中還有一個計數門，當計數門打開時，DS18B20就對低溫度系數振蕩器產生的時鐘脈沖進行計數進而完成溫度測量。計數門的開啟時間由高溫度系數振蕩器來決定，每次測量前，首先將55所對應的一個基數分別置入減法計數器、溫度寄存器中，計數器和溫度寄存器被預置在55所對應的一個基數值。減法計數器對低溫度系數晶振

13、產生的脈沖信號進行減法計數，當減法計數器的預置值減到時，溫度寄存器的值將加，減法計數器的預置將重新被裝入，減法計數器重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數，如此循環(huán)直到減法計數器計數到時，停止溫度寄存器的累加，此時溫度寄存器中的數值就是所測溫度值。其輸出用于修正減法計數器的預置值，只要計數器門仍未關閉就重復上述過程，直到溫度寄存器值大致被測溫度值。表2一部分溫度對應值表溫度/二進制表示十六進制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.12500

14、00 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H另外，由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，它有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初使化DS18B20（發(fā)復位脈沖）發(fā)ROM功能命令發(fā)存儲器操作命令處理

15、數據。圖4 DS18B20與單片機的接口電路2.3 DS18B20溫度傳感器與單片機的接口電路DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖4 所示單片機端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內提供足夠的電流，可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉。當DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10us。采用寄生電源供電方式時VDD端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。2.2.3 報警電路采用有源蜂鳴器做為報警

16、器，用一個PNP三極管8550做為驅動。蜂鳴器可以在被測溫度超過上限溫度或者低于下限溫度時，發(fā)出報警鳴叫聲音。2.2.4 按鍵電路 三個輕觸開關組成按鍵電路，因為都是獨立的按鍵所以采用直接接地的方法，這樣電路比較簡單，達到了效果。三個獨立式按鍵可以分別調整溫度的上下限報警溫度，當按下設置鍵一次，數碼管顯示HXX且 LED數碼管閃爍，這時可以調整報警上限溫度值。按下設置鍵第二次，L XX且數碼管閃爍，這時可以調整報警下限溫度值。通過“加鍵”可以對設置數值加。通過“減鍵”可以對設置數值減。每按一次減1。最高可加到100，最低可減到0。2.4 系統(tǒng)整體硬件電路2.4.1 主板電路系統(tǒng)整體硬件電路包括

17、，傳感器數據采集電路，溫度顯示電路，上下限報警調整電路，單片機主板電路等，如圖5 所示：圖5 單片機主板電路 圖5 中沒有采用按鍵做為復位電路，直接采用電容充電的方式做為復位，在每上電時單片機復位一次這樣就可以達到重啟單片機的效果。2.4.2 電源電路 整個電路采用+5V供電，通過USB接口供電，一個發(fā)光二極管做為電源指示燈。3 系統(tǒng)軟件算法分析系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，溫度轉換命令子程序，計算溫度子程序，顯示數據刷新子程序等。3.1主程序主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示、讀出并處理DS18B20的測量的當前溫度值，溫度測量每1s進行一次。這樣可以在一秒之內測量一次被測溫度，

18、其程序流程見圖7所示。Y發(fā)DS18B20復位命令發(fā)跳過ROM命令發(fā)讀取溫度命令讀取操作，CRC校驗9字節(jié)完？CRC校驗正？確？移入溫度暫存器結束NNY初始化調用顯示子程序1S到？初次上電讀出溫度值溫度計算處理顯示數據刷新發(fā)溫度轉換開始命令NYNY圖7 主程序流程圖 圖8讀溫度流程圖 3.2讀出溫度子程序讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)，在讀出時需進行CRC校驗，校驗有錯時不進行溫度數據的改寫。其程序流程圖如圖8示。3.3溫度轉換命令子程序溫度轉換命令子程序主要是發(fā)溫度轉換開始命令，當采用12位分辨率時轉換時間約為750ms，在本程序設計中采用1s顯示程序延時法等待轉換的完成。溫度

19、轉換命令子程序流程圖如圖9所示：發(fā)DS18B20復位命令發(fā)跳過ROM命令發(fā)溫度轉換開始命令結束圖9 溫度轉換流程圖3.4 計算溫度子程序計算溫度子程序將RAM中讀取值進行BCD碼的轉換運算，并進行溫度值正負的判定，其程序流程圖如圖10所示：開始溫度零下?溫度值取補碼置“”標志計算小數位溫度BCD值 計算整數位溫度BCD值 結束置“+”標志NY溫度數據移入顯示寄存器十位數0？百位數0？十位數顯示符號百位數不顯示百位數顯示數據（不顯示符號） 結束NNYY圖10計算溫度流程圖 圖11顯示數據刷新流程圖3.5 顯示數據刷新子程序顯示數據刷新子程序主要是對顯示緩沖器中的顯示數據進行刷新操作，當最高顯示位

20、為0時將符號顯示位移入下一位。程序流程圖如圖11。4 總結與體會 經過將近三周的單片機課程設計，終于完成了我的數字溫度報警器的設計，雖然沒有完全達到設計要求，但從心底里說，還是高興的，畢竟這次設計把實物都做了出來，高興之余不得不深思呀！在本次設計的過程中，我發(fā)現很多的問題，雖然以前還做過這樣的設計但這次設計真的讓我長進了很多，單片機課程設計重點就在于軟件算法的設計，需要有很巧妙的程序算法，雖然以前寫過幾次程序，但我覺的寫好一個程序并不是一件簡單的事，舉個例子，以前寫的那幾次，數據加減時，我用的都是BCD碼，這一次，我全部用的都是16進制的數直接加減，顯示處理時在用除法去刪分,感覺效果比較好，有

21、好多的東西，只有我們去試著做了，才能真正的掌握，只學習理論有些東西是很難理解的，更談不上掌握。從這次的課程設計中，我真真正正的意識到，在以后的學習中，要理論聯系實際，把我們所學的理論知識用到實際當中，學習單機片機更是如此，程序只有在經常的寫與讀的過程中才能提高，這就是我在這次課程設計中的最大收獲。參考文獻1李朝青.單片機原理及接口技術（簡明修訂版）.杭州：北京航空航天大學出版社，19982李廣弟.單片機基礎.北京：北京航空航天大學出版社，19943閻石.數字電子技術基礎（第三版）. 北京：高等教育出版社，19894廖常初.現場總線概述J.電工技術，1999.附錄：程序/*-/*-溫度控制器V1

22、.5顯示為三個共陽極LED溫度傳感器用單總線DS18B20CPU為2051，四個按鍵，分別為UP，DOWN，SET溫度調節(jié)上限為125度，下限為-55度只能用于單只18B20-*/#include<reg52.h>#include <intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intcode unsigned char seg7code=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92, 0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff,0xbf; /不帶小數點的共陽數碼管段碼code

23、unsigned char seg7codeB=0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12, 0x02,0x78,0x00,0x10,0xff,0xbf; /帶小數點的共陽數碼管段碼sbit Key_UP=P16; /上調溫度sbit Key_DOWN=P17; /下調溫度sbit Key_SET=P15; /設定鍵（溫度設定，長按開電源） sbit LEDOneC=P26; /LED DS1控制（百位）sbit LEDTwoC=P25; /LED DS2控制（十位）sbit LEDThreeC=P24; /LED DS3控制（個位）sbit DATA=P20; /DS18B2

24、0接入口sbit Bell=P37;/Bell蜂鳴器輸出sbit Hled=P35;sbit Lled=P36;unsigned int shangxian=38; /上限報警溫度，默認值為38unsigned int xiaxian=5; /下限報警溫度，默認值為5uchar data wendu3;uchar user_set4;unsigned char fg=0,fg1;unsigned int temp,num,i;int tvalue;/存放溫度數值float tt;/溫度處理的中間變量void delay(uint num)/延時函數 while(num-); void Init

25、_DS18B20(void)/初始化DS18B20溫度傳感器uchar DQ=0;DATA=1; /DS18B20函數復位delay(10); /稍做延時DATA=0; /單片機將DQ拉低delay(80); /精確延時大于480毫秒DATA=1; /拉高總線delay(20); DQ=DATA; /稍做延時后 如果X=0則初始化成功，X=1則初始化失敗delay(30);Readonuchar(void)/讀一個字節(jié)uchar i=0;uchar dat=0;for(i=8;i>0;i-)DATA=0; /給脈沖信號dat>>=1; /將dat中高位移出去，同時這句其延時的

26、作用DATA=1; /給脈沖信號if(DATA) /讀走一位dat|=0x80; delay(8);return(dat); void writeonechar(uchar dat)/寫一個字節(jié)uchar i=0;for(i=8;i>0;i-)DATA=0;DATA=dat&0x01; delay(10);DATA=1;dat>>=1;delay(8); int ReadTemperature(void) /讀取溫度uchar a=0;uchar b=0; Init_DS18B20(); writeonechar(0xCC);/跳過讀序列號操作 writeonecha

27、r(0x44);/啟動轉換溫度 Init_DS18B20(); writeonechar(0xCC);/跳過讀序列號操作 writeonechar(0xBE); /讀取溫度寄存器（共可讀9個寄存器）前兩個技術溫度 a=Readonuchar(); /低位 b=Readonuchar(); /高位 tvalue=b; /高位賦給int型變量 tvalue<<=8; /高位左移八位 tvalue=tvalue|a; /兩個char型變量組合一個int型變量 tt=tvalue*(0.625); /最低位是 0.625 tvalue=tt;/ return(tvalue);/返回數值tv

28、alue /*顯示函數*void Wendu_display(void) LEDOneC=0; P0=seg7codetemp%1000/100; delay(500); LEDOneC=1; P0=0xff; LEDTwoC=0; P0=seg7codeBtemp%100/10; delay(500); LEDTwoC=1; P0=0xff; LEDThreeC=0; P0=seg7codetemp%10; delay(500); LEDThreeC=1; P0=0xff; /*進入設置顯示畫面*/void Xiaxian_disp(void) /下限設置界面 LEDOneC=0; P0=0

29、xc7; delay(50); LEDOneC=1; P0=0xff; LEDTwoC=0; P0=seg7codexiaxian/10; delay(50); LEDTwoC=1; P0=0xff; LEDThreeC=0; P0=seg7codexiaxian%10; delay(50); LEDThreeC=1; P0=0xff; void Shangxian_disp(void) /上限設置界面 LEDOneC=0; P0=0x89; delay(50); LEDOneC=1; P0=0xff; LEDTwoC=0; P0=seg7codeshangxian/10; delay(50); LEDTwoC=1; P0=0xff; LEDThreeC=0; P0=seg7codeshangxian%10; delay(50); LEDThreeC=1; P0=0xff; /*中斷按鍵掃描*/void Timer0(void) interrupt 1 TH0=0X53; TL0=0X32; if(Key_SET=0) delay(200); if(Key_SET=0) fg+; if(fg=3) fg=0; while(K