基于單片機的環(huán)境溫度測量系統(tǒng)設計

1、基于單片機的環(huán)境溫度測量系統(tǒng)設計一、緒論1.1 簡介隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，人們需要對各中加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐中溫度進行監(jiān)測和控制。采用單片機來對他們控制不僅具有控制方便，簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術指標，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質量和數(shù)量。在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常要用到溫度的檢測及控制，溫度是生產(chǎn)過程和科學實驗中普遍而且重要的物理參數(shù)之一。在生產(chǎn)過程中，為了高效地進行生產(chǎn)，必須對它的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量等進行有效的控制。溫度控制在生產(chǎn)過程中占有相當大的比例。溫度測量是溫度控制的基礎，技術已經(jīng)比較成熟。傳統(tǒng)的測溫元件有熱電偶和二電阻。而熱電偶和熱

2、電阻測出的一般都是電壓，再轉換成對應的溫度，這些方法相對比較復雜，需要比較多的外部硬件支持。我們用一種相對比較簡單的方式來測量。 我們采用美國DALLAS半導體公司繼DS18B20之后推出的一種改進型智能溫度傳感器DS18B20作為檢測元件，溫度范圍為-55125 ºC,最高分辨率可達0.0625 ºC。DS18B20可以直接讀出北側溫度值，而且采用三線制與單片機相連，減少了外部的硬件電路，具有低成本和易使用的特點。1.2 設計的市場現(xiàn)狀分析 縱觀市場，溫濕度檢測技術已經(jīng)比較成熟，已有的各種溫濕度檢測產(chǎn)品，五花八門，猶如八仙過海，各顯神通，如A2000家

3、用溫濕度報警表、YD-808A工業(yè)用溫濕度顯示器等產(chǎn)品。 從功能上分析這些產(chǎn)品可以看出，一個比較完整的環(huán)境溫濕度檢測系統(tǒng)應該具備以下主要的四個功能： （1）實時檢測出環(huán)境中的溫度和濕度參數(shù)； （2）檢測的參數(shù)值顯示在顯示設備上（如數(shù)碼管，液晶顯示器等）；  （3）根據(jù)環(huán)境要求，設定溫度濕度報警的上下限值，并實時報警；  （4）與上層監(jiān)控設備通信（如PC），實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸（雙向或單向）； 因此，本設計也應該具備這些功能，并且對每一個部分進行優(yōu)化設計，也可以擴展系統(tǒng)功能。 二、系統(tǒng)設計2.1 設計要求利用單片機

4、AT89C51作為控制器,以及用改進型智能溫度傳感器DS18B20作為溫度采集器,設計了一款數(shù)字溫度計,可以顯示環(huán)境的溫度以及測量人體的體溫。2.2 設計思想采用數(shù)字溫度芯片DS18B20 測量溫度，輸出信號全數(shù)字化。便于單片機處理及控制，省去傳統(tǒng)的測溫方法的很多外圍電路。且該芯片的物理化學性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件，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。DS18B20 的最大特點之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計DS18B20和微控制器AT89S51構成的溫度測量裝置,它直接輸出溫度的數(shù)字信號,可直接與計算機連接。這樣,測溫系統(tǒng)的結構就比較簡單,體積也不

5、大。采用51 單片機控制，軟件編程的自由度大，可通過編程實現(xiàn)各種各樣的算術算法和邏輯控制，而且體積小，硬件實現(xiàn)簡單，安裝方便。既可以單獨對多DS18B20控制工作，還可以與PC 機通信上傳數(shù)據(jù)，另外AT89S51 在工業(yè)控制上也有著廣泛的應用，編程技術及外圍功能電路的配合使用都很成熟。該系統(tǒng)利用AT89S51芯片控制溫度傳感器DS18B20進行實時溫度檢測并顯示，能夠實現(xiàn)快速測量環(huán)境溫度，并可以根據(jù)需要設定上下限報警溫度。該系統(tǒng)擴展性非常強，它可以在設計中加入時鐘芯片DS1302以獲取時間數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理同時顯示時間，并可以利用AT24C16芯片作為存儲器件，以此來對某些時間點的溫度數(shù)據(jù)進行存

6、儲，利用鍵盤來進行調時和溫度查詢，獲得的數(shù)據(jù)可以通過MAX232芯片與計算機的RS232接口進行串口通信，方便的采集和整理時間溫度數(shù)據(jù)。2.3系統(tǒng)設計原理利用溫度傳感器DS18B20可以直接讀取被測溫度值，進行轉換的特性，模擬溫度值經(jīng)過DS18B20處理后轉換為數(shù)字值，然后送到單片機中進行數(shù)據(jù)處理，并與設置的溫度報警限比較，超過限度后通過揚聲器報警。同時處理后的數(shù)據(jù)送到LED中顯示。2.4系統(tǒng)組成系統(tǒng)框圖主要由主控制器、單片機復位、報警按鍵設置、時鐘振蕩、LED顯示、溫度傳感器組成。系統(tǒng)框圖如圖所示：1. 主控制器單片機AT89C51具有低電壓供電和體積小等特點，四個端口只需要兩個口就能滿足電

7、路系統(tǒng)的設計需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設計使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。2. 顯示電路顯示電路采用LED液晶顯示數(shù)碼管，從P3口RXD,TXD串口輸出段碼。顯示電路是使用的串口顯示，這種顯示最大的優(yōu)點就是使用口資源比較少，只用p3口的RXD,和TXD,串口的發(fā)送和接收，四只數(shù)碼管采用74LS164右移寄存器驅動，顯示比較清晰。3. 溫度傳感器溫度傳感器采用美國DALLAS半導體公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器。DS18B20輸出信號全數(shù)字化。便于單片機處理及控制，在0100 攝氏度時，最大線形偏差小于1 攝氏度，采用單總線的數(shù)據(jù)傳輸，可直接與計算機連接。用AT89S51芯片控制溫度傳感器DS1

8、8B20進行實時溫度檢測并顯示，能夠實現(xiàn)快速測量環(huán)境溫度，并可以根據(jù)需要設定上下限報警溫度。獲得的數(shù)據(jù)可以通過MAX232芯片與計算機的RS232接口進行串口通信，方便的采集和整理時間溫度數(shù)據(jù)。2.5 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3-3 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

9、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。3、 系統(tǒng)硬件設計3.1 80C51單片機80C51有40個引腳，4個8位并行I/O口，1個全雙工異步串行口，同時內含5個中斷源，2個優(yōu)先級，2個16位定時/計數(shù)器。80C51的存儲器系統(tǒng)由4K的程序存儲器(掩膜ROM)，和128B的數(shù)據(jù)存儲器(RAM)組成。 80C51單片機的基本組成框圖見圖: 80C51單片機的中斷系統(tǒng)80C51系列單片機的中斷系統(tǒng)有5個中斷源，2個優(yōu)先級，可以實現(xiàn)二級中斷服務嵌套。由片內特殊功能寄存器中的中斷允許寄存器IE控制CPU是否響應中斷請求；由中

10、斷優(yōu)先級寄存器IP安排各中斷源的優(yōu)先級；同一優(yōu)先級內各中斷同時提出中斷請求時，由內部的查詢邏輯確定其響應次序。 80C51單片機的定時/計數(shù)器在單片機應用系統(tǒng)中，常常會有定時控制需求，如定時輸出、定時檢測、定時掃描等；也經(jīng)常要對外部事件進行計數(shù)。80C51單片機內集成有兩個可編程的定時/計數(shù)器：T0和T1，它們既可以工作于定時模式，也可以工作于外部事件計數(shù)模式，此外，T1還可以作為串行口的波特率發(fā)生器。3.2 LCD液晶顯示器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

11、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，液晶模塊處于內部模式，不響應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中和5*10點陣字符32種.8位字符編碼和字符的對應關系，可以查看參

12、考文獻（30）中的表4.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但愿，LM016L液晶模塊的引腳圖如圖所示：液晶顯示部分與89C51的接口 用89C51的P2口作為數(shù)據(jù)線，用P3.2、P3.1、P3.0分別作為LCD的E、R/W、RS。其中E是下降沿觸發(fā)的片選信號，R/W是讀寫信號，RS是寄存器選擇信號本模塊設計要點如下：顯示模塊初始化：首先清屏，再設置接口數(shù)據(jù)位為8位，顯示行數(shù)為1行，字型為5&#

13、215;7點陣，然后設置為整體顯示，取消光標和字體閃爍,最后設置為正向增量方式且不移位。向LCD的顯示緩沖區(qū)中送字符，程序中采用2個字符數(shù)組，一個顯示字符，另一個顯示電壓數(shù)據(jù)，要顯示的字符或數(shù)據(jù)被送到相應的數(shù)組中，完成后再統(tǒng)一顯示.首先取一個要顯示的字符或數(shù)據(jù)送到LCD的顯示緩沖區(qū)，程序延時2.5ms,判斷是否夠顯示的個數(shù)，不夠則地址加一取下一個要顯示的字符或數(shù)據(jù)。3.3通訊模塊80C51內部已集成通信接口URT，只需擴展一片MAX232芯片將輸出信號轉換成RS-232協(xié)議規(guī)定的電平標準,  MAX232 是 一 種 雙 組 驅 動 器 / 接 收 器 ，每個接收器將EIA/TIA-

14、232-E電平輸入轉換為5V  TTL/CMOS電平。 每個驅動器將TTL/CMOS輸入電平轉換 為 EIA/TIA-232-E電平。即EIA接口，就是把5V轉換為-8V到-15V電位0V轉換為8V到15V再經(jīng)RXD輸出，接收時由RXD輸入，把-8V到-15V電位轉換為5V，8V到15V轉換為0V。MAX232的工作電壓只需5V，內部有振蕩電路產(chǎn)生正負9V電位。MAX232引腳圖如圖所示：四、系統(tǒng)軟件設計4.1主程序設計整個系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實現(xiàn)的，當硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來了。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

15、系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調各執(zhí)行模塊和操作者的關系。二是執(zhí)行軟件（子程序），它是用來完成各種實質性的功能如測量、計算、顯示、通訊等。每一個執(zhí)行軟件也就是一個小的功能執(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)控程序結構，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)行模塊之間地調度關系。4.2 DS18B20初始化18B20初始化流程圖見圖：4.3數(shù)據(jù)測試將溫度傳感器與冰水混合物接觸，經(jīng)過充分攪拌達到熱平衡后調節(jié)系統(tǒng)，使顯示讀數(shù)為0.00(標定0)；利用氣壓計讀出當時當?shù)氐拇髿鈮?/p>

16、強，并根據(jù)大氣壓強和當?shù)刂亓铀俣扔嬎愠霎敃r的實際壓強；根據(jù)沸點與壓強的關系查出沸點溫度。把溫度傳感器放入沸水中，待顯示讀數(shù)穩(wěn)定后重新調節(jié)，使顯示器顯示讀數(shù)等于當?shù)禺敃r沸點溫度后工作結束。該溫度計的量程為0100，讀數(shù)精度為0.1，實際使用一般在0100。采用050和50100的精密水銀溫度計作檢驗標準，對設計的溫度計進行測試，其結果表明能達到該精度要求。五、仿真結果設置溫度上限為37度，溫度下限為10度。1.如圖所示，此時溫度時43度，超出上限溫度，黃燈亮，實現(xiàn)報警。2.如圖所示，此時溫度為5度，低于下限溫度，綠燈亮，實現(xiàn)報警。 3.如圖所示，此時溫度為20度，在所設范圍內，兩燈都沒亮，說明

17、溫度正常。6、 總結本文介紹了基于80C51單片機的數(shù)字溫度計控制系統(tǒng)的設計，對整個硬件電路和軟件程序設計做了分析，學習了數(shù)字溫度傳感器DS18B20，設計軟件仿真，更直觀的反應設計的正確性。并對其中的一些基本原理也做了簡要的概述。其實本篇論文，僅僅是對數(shù)字溫度計控制系統(tǒng)做出了一個簡單的設計方案，數(shù)字溫度計科利用在很多領域，在一些人不能直接進入的場所，利用單片機控制的數(shù)字溫度計，可以設置并控制其中的溫度，數(shù)字溫度計還可以利用在溫室中，這樣就可以方便的控制溫室中的溫度，當溫度超過所要求的溫度時，可發(fā)生報警。總之數(shù)字溫度計利用在很多領域。本課題只是單片機控制數(shù)字溫度計系統(tǒng)得一種設計方法。附錄：系統(tǒng)

18、程序清單#include<reg51.h>#define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar i;sbit lcdrs=P30;sbit lcdrw=P31;sbit lcden=P32;sbit d1=P10;sbit d2=P11;uchar code t0="the temperature "uchar code t1=" is "uchar code wendu="0123456789" /利用一個溫度表解決溫度顯示亂碼sbit DQ = P37;

19、/定義ds18B20總線IO/液晶顯示模塊void delay(uint z)uint x,y;for(x=100;x>1;x-)for(y=z;y>1;y-);void write_com(uchar com)lcdrs=0;P2=com;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void write_date(uchar date)lcdrs=1;P2=date;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void init_lcd()lcden=0;lcdrw=0;write_com(0x38);write_com(0x01)

20、;write_com(0x0c);write_com(0x06);write_com(0x80);for(i=0;i<16;i+)write_date(t0i);delay(0);write_com(0x80+0x40);for(i=0;i<16;i+)write_date(t1i);delay(0);/溫度采集模塊void tmpDelay(int num)/延時函數(shù)while(num-) ;/*/void Init_DS18B20()/初始化ds1820unsigned char x=0;DQ = 1; /DQ復位tmpDelay(8); /稍做延時DQ = 0; /單片機將D

21、Q拉低tmpDelay(80); /精確延時 大于 480usDQ = 1; /拉高總線tmpDelay(14);x=DQ; /稍做延時后 如果x=0則初始化成功 x=1則初始化失敗tmpDelay(20); unsigned char ReadOneChar()/讀一個字節(jié)unsigned char i=0;unsigned char dat = 0;for (i=8;i>0;i-)DQ = 0; / 給脈沖信號dat>>=1;DQ = 1; / 給脈沖信號if(DQ)dat|=0x80;tmpDelay(4);return(dat);void WriteOneChar(u

22、nsigned char dat)/寫一個字節(jié)unsigned char i=0;for (i=8; i>0; i-)DQ = 0;DQ = dat&0x01;tmpDelay(5);DQ = 1;dat>>=1; unsigned int Readtemp()/讀取溫度unsigned char a=0;unsigned char b=0;unsigned int t=0;float tt=0;Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); / 跳過讀序號列號的操作WriteOneChar(0x44); / 啟動溫度轉換Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); /跳過讀序號列號的操作WriteOneChar(0xBE); /讀取溫度寄存器a=ReadOneChar(); /連續(xù)