基于单片机的环境温度测量系统设计

基于单片机的环境温度测量系统设计

一、绪论

1.1 简介

随着国民经济的发展，人们需要对各中加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制。采用单片机来对他们控制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。

在日常生活及工业生产过程中，经常要用到温度的检测及控制，温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。在生产过程中，为了高效地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。温度控制在生产过程中占有相当大的比例。温度测量是温度控制的基础，技术已经比较成熟。传统的测温元件有热电偶和二电阻。而热电偶和热电阻测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，这些方法相对比较复杂，需要比较多的外部硬件支持。我们用一种相对比较简单的方式来测量。

我们采用美国DALLAS半导体公司继DS18B20之后推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件，温度范围为-55~125 oC,最高分辨率可达0.0625 oC。DS18B20可以直接读出北侧温度值，而且采用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。

1.2 设计的市场现状分析

纵观市场，温湿度检测技术已经比较成熟，已有的各种温湿度检测产品，五花八门，犹如八仙过海，各显神通，如A2000家用温湿度报警表、YD-808A工业用温湿度显示器等产品。

从功能上分析这些产品可以看出，一个比较完整的环境温湿度检测系统应该具备以下主要的四个功能：

（1）实时检测出环境中的温度和湿度参数；

（2）检测的参数值显示在显示设备上（如数码管，液晶显示器等）；

（3）根据环境要求，设定温度湿度报警的上下限值，并实时报警；

（4）与上层监控设备通信（如PC），实现数据传输（双向或单向）；

因此，本设计也应该具备这些功能，并且对每一个部分进行优化设计，也可

以扩展系统功能。

二、系统设计

2.1 设计要求

利用单片机AT89C51作为控制器,以及用改进型智能温度传感器DS18B20作为温度采集器,设计了一款数字温度计,可以显示环境的温度以及测量人体的体温。

2.2 设计思想

采用数字温度芯片DS18B20 测量温度，输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。在0—100 摄氏度时，最大线形偏差小于1 摄氏度。DS18B20 的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和微控制器AT89S51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大。采用51 单片机控制，软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便。既可以单独对多DS18B20控制工作，还可以与PC 机通信上传数据，另外AT89S51 在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。

该系统利用AT89S51芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限报警温度。该系统扩展性非常强，它可以在设计中加入时钟芯片DS1302以获取时间数据，在数据处理同时显示时间，并可以利用AT24C16芯片作为存储器件，以此来对某些时间点的温度数据进行存储，利用键盘来进行调时和温度查询，获得的数据可以通过MAX232芯片与计算机的RS232接口进行串口通信，方便的采集和整理时间温度数据。

单

片机

数码管

报警电路

测温电路

晶振电路

复位电路

ADC0809

按键防抖动

2.3系统设计原理

利用温度传感器DS18B20可以直接读取被测温度值，进行转换的特性，模拟温度值经过DS18B20处理后转换为数字值，然后送到单片机中进行数据处理，并与设置的温度报警限比较，超过限度后通过扬声器报警。同时处理后的数据送到LED中显示。

2.4系统组成

系统框图主要由主控制器、单片机复位、报警按键设置、时钟振荡、LED显示、温度传感器组成。系统框图如图所示：

主控制器LED 显示温度传感器

单片机复位

报警按键设置

时钟振荡

1.主控制器

单片机AT89C51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。

2.显示电路

显示电路采用LED液晶显示数码管，从P3口RXD,TXD串口输出段码。显示电路是使用的串口显示，这种显示最大的优点就是使用口资源比较少，只用p3口的RXD,和TXD,串口的发送和接收，四只数码管采用74LS164右移寄存器驱动，显示比较清晰。

3.温度传感器

温度传感器采用美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20温度传感器。DS18B20输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，在0—100 摄氏度时，最大线形偏差小于1 摄氏度，采用单总线的数据传输，可直接与计算机连接。

用AT89S51芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限报警温度。获得的数据可以通过MAX232芯片与计算机的RS232接口进行串口通信，方便的采集和整理时间温度数据。

2.5 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路

DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图3-3 所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。【2】

当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。

三、系统硬件设计

3.1 80C51单片机

80C51有40个引脚，4个8位并行I/O口，1个全双工异步串行口，同时内含5个中断源，2个优先级，2个16位定时/计数器。80C51的存储器系统由4K 的程序存储器(掩膜ROM)，和128B的数据存储器(RAM)组成。

80C51单片机的基本组成框图见图:

时钟电路ROM/EPROM/Flash 4KB

RAM128B

SFR 21个

定时个/计数器2

CPU

总线控制中断系统

5个中断源

2个优先级

串行口

全双工1个

4个并行口

XTAL2XTAL1

RST EA

ALE

PSEN

P0P1P2P3

Vss Vcc

80C51单片机的中断系统

80C51系列单片机的中断系统有5个中断源，2个优先级，可以实现二级中断服务嵌套。由片内特殊功能寄存器中的中断允许寄存器IE控制CPU是否响应中断请求；由中断优先级寄存器IP安排各中断源的优先级；同一优先级内各中断同时提出中断请求时，由内部的查询逻辑确定其响应次序。

80C51单片机的定时/计数器

在单片机应用系统中，常常会有定时控制需求，如定时输出、定时检测、定时扫描等；也经常要对外部事件进行计数。80C51单片机内集成有两个可编程的定时/计数器：T0和T1，它们既可以工作于定时模式，也可以工作于外部事件计数模式，此外，T1还可以作为串行口的波特率发生器。

3.2 LCD液晶显示器

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中和5*10点阵字符32种.8位

字符编码和字符的对应关系，可以查看参考文献（30）中的表4. 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但愿，LM016L 液晶模块的引脚图如图所示：

液晶显示部分与89C51的接口

用89C51的P2口作为数据线，用P3.2、P3.1、P3.0分别作为LCD的E、R/W、RS。其中E是下降沿触发的片选信号，R/W是读写信号，RS是寄存器选择信号本模块设计要点如下：显示模块初始化：首先清屏，再设置接口数据位为8位，显示行数为1行，字型为5×7点阵，然后设置为整体显示，取消光标和字体闪烁,最后设置为正向增量方式且不移位。向LCD的显示缓冲区中送字符，程序中采用2个字符数组，一个显示字符，另一个显示电压数据，要显示的字符或数据被送到相应的数组中，完成后再统一显示.首先取一个要显示的字符或数据送到LCD 的显示缓冲区，程序延时 2.5ms,判断是否够显示的个数，不够则地址加一取下一个要显示的字符或数据。

3.3通讯模块

80C51内部已集成通信接口URT，只需扩展一片MAX232芯片将输出信号转换成RS-232协议规定的电平标准, MAX232 是一种双组驱动器 / 接收器，每个接收器将EIA/TIA-232-E电平输入转换为5V TTL/CMOS电平。每个驱动器将TTL/CMOS输入电平转换为 EIA/TIA-232-E电平。即EIA接口，就是把5V转换为-8V到-15V电位0V转换为8V到15V再经RXD输出，接收时由RXD 输入，把-8V到-15V电位转换为5V，8V到15V转换为0V。MAX232的工作电压只需5V，内部有振荡电路产生正负9V电位。

MAX232引脚图如图所示：

四、系统软件设计

4.1主程序设计

整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件基本定型后，软件的功能也就基本定下来了。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。每一个执行软件也就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。

MCU 初始化DS18B20初始

化

判定温度是否在设定范围内

灯灭显示温度

结束

黄灯亮绿灯亮

大于某一值

小于某一值

开始

4.2 DS18B20初始化

18B20初始化流程图见图：

C51寄存器初始

化

温度转换命令

18B20存在？

读取温度

温度数据处理

温度显示

报警

温度比较超出范围？

开始

Y

N

Y N

4.3数据测试

将温度传感器与冰水混合物接触，经过充分搅拌达到热平衡后调节系统，使显示读数为0.00(标定0℃)；利用气压计读出当时当地的大气压强，并根据大气压强和当地重力加速度计算出当时的实际压强；根据沸点与压强的关系查出沸点温度。把温度传感器放入沸水中，待显示读数稳定后重新调节，使显示器显示读数等于当地当时沸点温度后工作结束。该温度计的量程为0℃～100℃，读数精度为0.1℃，实际使用一般在0℃～100℃。采用0℃～50℃和50℃～100℃的精密水银温度计作检验标准，对设计的温度计进行测试，其结果表明能达到该精度要求。

五、仿真结果

设置温度上限为37度，温度下限为10度。

1.如图所示，此时温度时43度，超出上限温度，黄灯亮，实现报警。

2.如图所示，此时温度为5度，低于下限温度，绿灯亮，实现报警。

3.如图所示，此时温度为20度，在所设范围内，两灯都没亮，说明温度正常。

六、总结

本文介绍了基于80C51单片机的数字温度计控制系统的设计，对整个硬件电路和软件程序设计做了分析，学习了数字温度传感器DS18B20，设计软件仿真，更直观的反应设计的正确性。并对其中的一些基本原理也做了简要的概述。其实本篇论文，仅仅是对数字温度计控制系统做出了一个简单的设计方案，数字温度计科利用在很多领域，在一些人不能直接进入的场所，利用单片机控制的数字温度计，可以设置并控制其中的温度，数字温度计还可以利用在温室中，这样就可以方便的控制温室中的温度，当温度超过所要求的温度时，可发生报警。总之数字温度计利用在很多领域。本课题只是单片机控制数字温度计系统得一种设计方法。

附录：系统程序清单

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

uchar i;

sbit lcdrs=P3^0;

sbit lcdrw=P3^1;

sbit lcden=P3^2;

sbit d1=P1^0;

sbit d2=P1^1;

uchar code t0[]="the temperature ";

uchar code t1[]=" is ";

uchar code wendu[]="0123456789"; //利用一个温度表解决温度显示乱码sbit DQ = P3^7;//定义ds18B20总线IO

//液晶显示模块

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);

write_com(0x0c);

write_com(0x06);

write_com(0x80);

for(i=0;i<16;i++)

{

write_date(t0[i]);

delay(0);

}

write_com(0x80+0x40);

for(i=0;i<16;i++)

{

write_date(t1[i]);

delay(0);

}

}

//温度采集模块

void tmpDelay(int num)//延时函数

{

while(num--) ;

}

/************************************************************************** ****/

void Init_DS18B20()//初始化ds1820

{

unsigned char x=0;

DQ = 1; //DQ复位

tmpDelay(8); //稍做延时

DQ = 0; //单片机将DQ拉低

tmpDelay(80); //精确延时大于480us

DQ = 1; //拉高总线

tmpDelay(14);

x=DQ; //稍做延时后如果x=0则初始化成功x=1则初始化失败

tmpDelay(20);

}

unsigned char ReadOneChar()//读一个字节

{

unsigned char i=0;

unsigned char dat = 0;

for (i=8;i>0;i--)

{

DQ = 0; // 给脉冲信号

dat>>=1;

DQ = 1; // 给脉冲信号

if(DQ)

dat|=0x80;

tmpDelay(4);

}

return(dat);

}

void WriteOneChar(unsigned char dat)//写一个字节

{

unsigned char i=0;

for (i=8; i>0; i--)

{

DQ = 0;

DQ = dat&0x01;

tmpDelay(5);

DQ = 1;

dat>>=1;

}

}

unsigned int Readtemp()//读取温度

{

unsigned char a=0;

unsigned char b=0;

unsigned int t=0;

float tt=0;

Init_DS18B20();

WriteOneChar(0xCC); // 跳过读序号列号的操作

WriteOneChar(0x44); // 启动温度转换

Init_DS18B20();

WriteOneChar(0xCC); //跳过读序号列号的操作

WriteOneChar(0xBE); //读取温度寄存器

a=ReadOneChar(); //连续读两个字节数据//读低8位

b=ReadOneChar(); //读高8位

t=b;

t<<=8;

t=t|a; //两字节合成一个整型变量。

tt=t*0.0625; //得到真实十进制温度值，因为DS18B20可以精确到0.0625度，所以读回数据的最低位代表的是0.0625度

t= tt*10+0.5; //放大十倍，这样做的目的将小数点后第一位也转换为可显示数字，同时进行一个四舍五入操作。

return(t);

}

void display()

{

unsigned int num,num1; //定义的时候用uchar宏定义就会出错

unsigned int shi,ge,xiaoshu; //这里的num,shi,ge,xiaoshu 必须用unsigned int无符号整数来表示，用unshigned char 字符型则显示错误

num=Readtemp();

num1=num/10;

if(num1>37)

{d1=0;d2=1;delay(500);}

if(num1<10)

{d1=1;d2=0;delay(500);}

else

{d1=1;d2=1;}

shi=num/100;

ge=num/10%10;

xiaoshu=num%10;

write_com(0x80+0x40+5);

write_date(wendu[shi]);

write_com(0x80+0x40+6);

write_date(wendu[ge]);

write_com(0x80+0x40+7);

write_date(0x2e);

write_com(0x80+0x40+8);

write_date(wendu[xiaoshu]);

}

void main()

{

init_lcd();

while(1)

{

display();

delay(10);

}

}