单片机温度控制系统

单片机课程设计报告

一、引言

随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。

作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步，其应用领域较广泛。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。

为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本设计系统包括单片机，温度采集模块，显示模块，按键控制模块，报警和指示模块五个部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。整个系统的核心是进行温度监控，完成了课题所有要求。

二、实验目的和要求

2.1学习DS18B20温度传感芯片的结构和工作原理。

2.2掌握LED数码管显示的原理及编程方法。

2.3掌握独立式键盘的原理及使用方法。

2.4掌握51系列单片机数据采集及处理的方法。

三、方案设计

总体设计方案采用AT89C52单片机作控制器，温度传感器选用DS18B20来设计数字温度计，系统由5个模块组成：主控制器、测温电路、显示电路、控制电路、报警及指示电路。主控制器由单片机AT89C52实现，测温电路由DS18B20温度传感器实现，显示电路由4位LED数码管直读显示,，报警指示电路由蜂鸣器和发光二级管构成，控制电路由按键构成。本设计所使用的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确等特点，其输出温度采用数字显示，主要用于对温度的精度要求较高的场所，或科研实验室使用，并且加有报警装置，超过限制温度可发出报警信号，还可以调整报警上下限温度。该设计控制器使用单片机AT89C52，测温传感器使用DS18B20，用4位共阳极LED数码管以I/O口传送数据，实现温度显示，能准确达到以上要求。

四、实验原理

利用温度传感器芯片监测环境温度，将温度信号转换为数字信号传送到单片机内部，单片机通过对温度数据进行处理，利用四位八段数码管显示环境温度，并利用蜂鸣器和发光二极管发出超限警报信号。通过按键操作可以改变报警温度的上下限。

五、材料清单

序号名称型号/规格数量备注

1 单片机STC89C52RC 1 U1

2 温度传感器DS18B20 1 U2

3

电阻3KΩ 5 R1,R2,R3,R4,R12

4 100Ω 4 R5,R6,R7,R8

5 10KΩ 4 R9,R13,R14,R15

6 200Ω 1 R10

7 1KΩ 1 R11

8 排阻10K 1 RP1

9 电容30pF 2 C1,C2

10 电解电容22uF 1 C3

11

三极管9013(NPN) 4 Q1,Q2,Q3,Q4

12 8550(PNP) 1 Q5

13

发光二极管黄色 1 D1

14 红色 1 D2

15 绿色 2 D3,D4

16 蜂鸣器 1 BUZ1

17 按键 4 S1,S2,S3,S4

18 晶振11.0592MHz 1 X1

19 四位八段数码管XD3941BR-ST 1 显示

六、基本芯片及其原理

6.1单片机

89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS 产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于80C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM 定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。89C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。

本次课程设计所使用的单片机为STC89C52单片机，是深圳宏晶科技生产的完全兼容INTEL公司MCS-51系列的单片机。

6.2温度传感器及其原理

传感器DS18B20具有体积小、精度高、适用电压宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。

美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。“一线总线”独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。使用户可以充分发挥“一线总线”的优点。同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C～+125°C，在-10～+85°C范围内，精度为±0.5°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。

6.2.1 DS18B20的特性

（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，寄生电源方式下可由数据线供电。

（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。

（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

（5）温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃。

（6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。

（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。

（8）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。

（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

6.2.2 DS18B20内部结构及DS18B20的管脚排列

64位光刻ROM是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列号。不同的器件地址序列号不同。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM，温度传感器，非挥发的温度报警触发器TH和TL，高速暂存器。

DS18B20的引脚定义：

图一DS18B20引脚定义

(1)DQ为数字信号输入/输出端。

(2)GND为电源地。

(3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

6.2.3 DS18B20的编程

（1）DS18B20的初始化：

①先将数据线置高电平“1”。

②延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点）

③数据线拉到低电平“0”。

④延时750us（该时间的时间范围可以从480us到960us）。

⑤数据线拉到高电平“1”。

⑥延时等待（如果初始化成功则在15到60毫秒时间之内产生一个由DS18B20所返回的低电平“0”。据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。

⑦若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第（5）步的时间算起）最少要480微秒。

⑧将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。

初始化程序代码如下：

void ds_reset(void)

{

char presence=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的写操作：

①数据线先置低电平“0”。

②延时确定的时间为15us。

③按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）。

④延时时间为45us。

⑤将数据线拉到高电平。

⑥重复上（1）到（6）的操作直到所有的字节全部发送完为止。

⑦最后将数据线拉高。

写操作程序代码如下：

void ds_write(uchar ds_wrdata)

{

uchar i;

for(i=8;i>0;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的读操作：

①将数据线拉高“1”。

②延时2us。

③将数据线拉低“0”。

④延时15us。

⑤将数据线拉高“1”。

⑥延时15us。

⑦读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理。

⑧延时30us。

读操作程序代码如下：

uchar ds_read(void)

{

uchar i;

uchar value=0;

for(i=8;i>0;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传感器的温度数据关系：

图二温度传感器的温度数据关系

6.2.5 DS18B20的外部电源供电方式：

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。

图三 外部电源供电连接图

七、系统框图

本系统设计由5个模块组成：主控制器（单片机）、温度采集模块、温度显示模块、控制电路模块、报警及指示模块。主控制器由单片机AT89C52实现，测温电路由DS18B20温度传感器实现，显示电路由4位LED 数码管直读显示，报警指示电路由蜂鸣器和发光二级管构成，控制电路由按键构成。

系统框图如下：

图四 系统框图

温度显示

温度采集 控制按键 报警指示

P1.0 P1.3~P1.7

P0.0~P0.7 P2.0~P2.3

P3.0~P3.3

单

片机

八、工作流程图

8.1主程序流程图

图五 主要功能流程图

开始

初始化显示

for(i=0;i<200;i++)

状态指示、报警

显示

按键扫描

读取温度

是

否

图六 指示、报警模块流程图

图七 读取温度值模块流程图

开始 采样当前温度

大于上限？ 小于下限？

高温警报

低温警报

温度正常指示 结束

开始

传感器初始化

发跳过读序列号指发温度转换指令 读温度值低字节 读温度值高字节 高低字节合并 返回温度值 开始

九、硬件电路图

图八显示模块

图十报警、指示电路

图十一温度传感器连接图

图十二 整体硬件电路图

十、总结

通过做本课题，使我们了解传感器的基本理论知识，更深入的了解单片机的开发应用和PC编程控制。为以后从事单片机软硬件产品的设计开发、PC软件开发打下了良好的基础，树立独立从事产品研发的信心。同时也培养了我们认真的做事态度。

从得到题目到查找资料，从对题目的研究设定到电路图的设计，电路图的设计到程序设计……在这一个充满挑战伴随挫折，充满热情伴随打击的过程中，我们感触颇深，它是对我们的钻研精神，创新精神，面对困难的心态，做事的毅力和耐心的考验。我们在这个过程中深刻的感受到了做设计的意义所在，和我们一样真正投入了身心去做的人也一定会有同样的感触。

本课题的重点、难点是：

●初步接触温度传感器，要对传感器的原理、结构、应用等各方面从头开

始琢磨。

●考究调整电路的实现过程以及怎么样通过单片机来间接的控制。

●从仿真电路到实际电路的调试。

十一、参考文献

[1] 倪云峰.单片机原理及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009.

[2] 刘娟.单片机C语言与protues. 北京:中国电力出版社，2010.7

[3] 张齐.单片机原理与应用系统设计.北京：电子工业出版社，2010.2

十二、附件

附件一：软件源代码