基于51单片机的智能水温监控系统

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毕业设计(论文)

基于51单片机的智能水温监控系统Intelligent Temperature Monitoring System

Base on 51 SCM

学生学号

学生姓名

学院名称信电工程学院

专业名称电子信息工程技术

指导教师

年月日

摘要

本文介绍了一种基于51单片机，利用DS18B20对温度的采集，并进行温度的检测与控制，通过LCD液晶显示出来的智能水温监控系统。该智能水温监控系统使用AT89S52控制器和DS18B20温度传感器，实现温度的检测和显示功能，它能设置上下限温度，当温度超出预设温度范围时报警，并且能够对被控现场的温度进行智能调节，以保持被控现场温度基本不变。

关键词单片机；温度检测；DS18B20；智能监控；

Abstract

This paper introduces a kind of based on 51 SCM, the use of the collection of temperature DS18B20, and temperature measurement and control of, through the LCD display of intelligent water temperature monitoring system. The intelligent water temperature monitoring system using AT89S52 devices controller and the temperature sensor DS18B20, realize temperature testing and display function, it can set the lower temperature, when the temperature is beyond the scope of temperature alarm, and for the accused the temperature of the intelligent adjustment, to keep the temperature accused basically unchanged.

Keywords Single chip microcomputer; Temperature detection; DS18B20; Intelligent monitoring;

目录

1 绪论 (1)

1.1 设计的背景及意义 (1)

1.2 设计的内容 (1)

2 监控系统的控制原理及主要器件 (2)

2.1 智能水温控制系统原理 (2)

2.2 AT89S52单片机的组成结构及功能 (2)

2.2.1 AT89S52单片机的主要功能 (2)

2.2.2 AT59S52单片机的封装及其引脚功能说明 (3)

2.2.3 外接晶振或外部振荡器引脚 (4)

2.2.4 AT89S52复位 (5)

2.3 温度测量传感器DS18B20介绍 (5)

2.3.1 DS18B20简介 (5)

2.3.2 DS18B20的引脚、封装和结构 (5)

2.3.3 寄生电源 (7)

2.3.4 温度测量原理 (7)

2.4 LCD1602液晶 (8)

3 系统控制电路原理 (10)

3.1 单片机最小系统 (10)

3.2 输入模块 (11)

3.3显示模块 (11)

3.4温度控制模块 (11)

4 控制系统软件设计 (12)

4.1控制系统主程序 (12)

4.2 DS18B20控制程序 (13)

4.2.1 DS18B20复位 (13)

4.2.2 DS18B20写数据 (14)

4.2.3 DS18B20读数据 (15)

4.3温度读取及转换程序 (16)

4.4温度控制程序 (17)

4.5 LCD1602控制程序 (18)

4.5.1 LCD1602写指令程序 (18)

4.5.2 LCD1602写数据程序 (19)

4.5.3 LCD1602初始化程序 (20)

4.6 温度显示程序 (21)

4.6.1 实际温度值显示程序 (21)

4.6.2 显示设定温度值程序 (23)

结论 (25)

致谢 (26)

参考文献 (27)

附录 (28)

附录1 (28)

附录2 (29)

1 绪论

1.1 设计的背景及意义

温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学变化都与温度密切相关。通过对温度的监控可以判断设备的工作情况，从而使工作人员做出正确的判断和操作，因此温度监控是工业生产自动化的重要任务。

温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。从17世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量。真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，就是后来的热电偶传感器。

温度监控是工业生产中的一个重要环节，尤其在环境及其恶劣和复杂的工业现场，温度监控更是起着不可替代的作用。因此，工业现场温度网络监控系统就应运而生了。本课题使用AT89S52单片机结合DS18B20温度控制系统设计方案。要求该系统能够合理有效的管理和控制外部硬件，达到实时检测、监测和控制温度的目的，形成一套智能化温度控制系统。此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，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，该设计控制器使用单片机AT89S52，测温传感器使用DS18B20，用4位共阳极LED数码管以并口传送数据,实现温度显示,能准确达到以上要求。

1.2 设计的内容

本题目是设计制作一个水温监测系统，基本功能是能够检测出现场的水温，并能够显示温度；温度超过预设范围时能够报警。

主要技术参数：

1）温度检测范围：-55—+125℃

测量精度：+0.5℃

2 监控系统的控制原理及主要器件

2.1 智能水温控制系统原理

智能水温控制系统的结构框图如图2-1所示

图2-1 智能水温控制系统结构

该控制系统采用以AT89S52单片机为控制中心的单片机控制系统，尤其对于温度控制，它可达到模拟控制所达不到的控制效果，还可以实现显示、键盘设定等多种功能，且易于扩展，大大提高了系统的智能化，也使得系统测量结果的精度大大提高。

2.2 AT89S52单片机的组成结构及功能

2.2.1 AT89S52单片机的主要功能

（1）8位字长CPU ；

（2）振荡器和时钟电路，全静态操作：0~33MHz ； （3）8KB 系统内可编程Flash 存储器； （4）256B 内部RAM ； （5）4个I/O 端口共32线； （6）3个16位定时/计数器； （7）全双工（UART ）串行口通道； （8）ISP 端口；

（9）定时监视器（看门狗）；

按键设定

温度传感器电路

单片机 主控制器

报警电路

辅助控制

显示电路

2.2.2 AT59S52单片机的封装及其引脚功能说明

图2-2 AT89S52单片机的封装图

（1）VCC：电源电压+5V

（2）GND：接地

（3）P0口：P0口是8位漏极开路型双向I/O口，其既可作为地址/数据总线复用口，又可作为通用I/O口使用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，该口分时转换低8位地址和数据总线，在访问期间激活内部上拉电阻。在作为通用I/O口使用时：作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，在驱动NMOS电路时,需外接上拉电阻。作为输入端口用时，要先向锁存器写l，这时输出级2个FET均截止,可用作可作为高阻抗输入。

（4）P1口：Pl是一个带内部上拉电阻的8位双向I／O口，Pl的输出缓冲级可驱动（接收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

（5）P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，该口的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

（6）P3口：P3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端口时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I／0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：

端口引脚第二功能

P3.0 RXD 串行输入口

P3.1 TXD 串行输出口

P3.2 INT0 外部中断0

P3.3 INT1 外部中断1

P3.4 T0 定时／计数器0外部输入

P3.5 T1 定时／计数器1外部输入

P3.6 WR 写选通

P3.6 RD 读选通

（7）EA/VPP：外部访问允许端。EA端保持低电平时，CPU访问外部程序存储器；EA端保持高电平时，CPU则执行内部程序存储器中的指令。F1ash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。

（8）RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

（9）ALE／PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1／6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

(10)XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

(11) XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2没有十分严格的要求，如果使用石英晶体，推荐电容值为30pF±10pF。

2.2.3 外接晶振或外部振荡器引脚

XTALl：当外接晶振时（图2-3），接外部晶体的一个引脚。片内振荡器由一个单级反相器组成，XTALl 为反相器的输入。当外部振荡器提供时钟信号时，则由XTALl 段输入。

XTAL2：接外部晶体的另一个引脚。片内为单级反相器的输出。当由外部时钟源提供时钟信号时，则本引脚浮空。

图2-3 晶振电路

2.2.4 AT89S52复位

复位是单片机的初始化操作（图2-4）。其主要功能是把PC初始化为0000H，使CPU 从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。

MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位操作的两种基本形式为上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作；上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。上电后，由于电容C的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作.

图2-4复位电路

2.3 温度测量传感器DS18B20介绍

2.3.1 DS18B20简介

本文所采用的温度传感器是美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器DS18B20，具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，特别适合于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理，而且每片DS18B20都有唯一的产品号并可存入其ROM中，以使在构成大型温度测控系统时在单线上挂任意多个DS18B20芯片。从DS18B20读出或写入DS18B20信息仅需要一根口线，共读写及温度变换功率来源于数据总线，该总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。DS18B20能提供九到十二位温度读数，它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。

2.3.2 DS18B20的引脚、封装和结构

DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装，管脚排列如图2-5。

图2-5 DS18B20引脚排列

图中GND为地；I/O为数据输入/输出端（即单线总线），该脚为漏极开路输出，常态下呈高电平；VDD是外部+5V电源端，不用时应接地；NC为空脚。

DS18B20主要性能如下：

（1）零待机功耗；

（2）无须外部器件；

（3）温度以9到12位数字量读出；

（4）独特的单线接口仅需要一个端口进行通信；

（5）用户可定义的非易失性温度报警设置；

（6）多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网；

（7）可通过数据线供电，电压范围为3.0～5.5V；

（8）报警搜索命令识别标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；

（9）负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

图2-6所示为DS18B20的内部框图，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL解发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。

图2-6 DS18B20方框图

2.3.3 寄生电源

寄生电源由二极管VD1、VD2和寄生电容C组成。电源检测电路用于判定供电方式。寄生电源供电时，VDD端接地，器件从单线总线上获取电源。在I/O线呈低电平时，改由C上的电压Vc继续向器件供电。该寄生电源有两个优点：第一，检测远程温度时无需本地电源；第二，缺少正常电源时也能读ROM。若采用外部电源VDD，则通过VD2向器件供电。

2.3.4 温度测量原理

DS18B20通过使用在板（on-board）温度测量专利技术来测量温度。测量电路的方框图如图2-7所示。

图2-7温度测量电路

DS18B20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。当计数门打开时，DS18B20对f0计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以被偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应为9位（符号点1位），可精确0.5℃，但因符号位扩展成高8位，故以16位被码形式读出，表2-1给出了温度和数字量的关系。

表2-1 DS18B20温度数字对应关系

温度℃ 数据输出（二进制） 数据输出（十六进制） +125

00000000 11111010

00FA

+25 00000000 00110010

0032

+1/2 00000000 00000001

0001

0 00000000 00000000

0000

-1/2 11111111 11111111

FFFF

-25 11111111 11001110

FFCE

-55 11111111 10010010

FF92

2.4 LCD1602液晶

显示输出方式可采用LED 数码管串行显示、LED 数码管并行动态显示以及LCD 液晶显示等方式。因为需要实时观察温度变化值，所以该系统使用LCD1602液晶（图2-8）显示方式显示当前温度值以及所设定的温度值。LCD 具有无炫光，不刺激人眼，不会引起眼睛疲劳，易于彩色化以及无电磁辐射等优点。

图2-8 LCD1602

管脚功能：

1602采用标准的16脚接口，其中：

第1脚：VSS为电源地

第2脚：VDD接5V电源正极

第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。

第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。

第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。

第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。

第15～16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。

LCD1602特性：

（1）+5V电压，对比度可调

（2）内含复位电路

（3）提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能

（4）有80字节显示数据存储器DDRAM

（5）内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM

3 系统控制电路原理

智能水温控制系统包括单片机最小系统、按键输入模块、温度传感器模块、LCD显示输出模块等。控制电路总图（如图3-1）

图3-1 智能水温监控系统电路图

3.1 单片机最小系统

单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，时钟信号通常用两种电路形式得到:内部振荡和外部振荡。MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是此放大电器的输入端和输出端，由于采用内部方式时，电路简单，所得的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式，在其外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器就构成了内部振荡方式，片内高增益反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起可构成一个自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。

图3-2 单片机最小系统

3.2 输入模块

由于独立式按键可直接用I/O口构成单个按键电路，接口电路配置灵活、软件结构简单。所以该系统采用独立式按键输入所需温度值，即恒温值。

3.3显示模块

因为需要实时观察温度变化值，所以该系统使用LCD1602液晶（图9）显示方式显示当前温度值以及所设定的温度值。LCD具有无炫光，不刺激人眼，不会引起眼睛疲劳，易于彩色化以及无电磁辐射等优点。

3.4温度控制模块

温度控制电路主要用单片机AT89S52作为主控制器件，与继电器共同组成控制现场通断电的电路。

温度传感器DS18B20将检测到的温度数据由单片机的P1.7口送入。由单片机AT89S52进行运算，换算出测量温度，即水温。将其与设定温度相比较，来确定单片机P3.7口的电平高低，从而控制继电器的通断以及报警系统的开闭。当水温高于预设温度时，P1.7口输出高电平，三极管截止，继电器断开，电热丝断电停止给水加热。当水温低于设定温度时，P1.7口输出低电平，三极管导通，继电器闭合，电热丝通电给水加热。

4 控制系统软件设计

4.1控制系统主程序

控制模块的主程序流程图如图4-1

开始

中断设置

开中断

LCD显示设置

读取当前温度

显示当前温度

设定温度值

温度控制

结束

图4-1 控制模块主程序流程图

控制模块程序如下：

void main()

{

TMOD=0x01; //PT0=1

IE0=1;

EX0=1; //外部中断0用于紧急情况

IT0=1;

EX1=1;

IT1=1; //外部中断1用于设定等待时间PX0=1; //外部中断0的优先级

PX1=1; //外部中断1的优先级

reset();

while(1)

{

read_temp(); //读取实际温度值

dsl802disp(); //显示读取的温度值

set(); //显示设定的温度值

control(); //温度控制

}

}

4.2 DS18B20控制程序

DS18B20控制程序包括DS18B20复位、DS18B20写数据以及DS18B20读数据。

4.2.1 DS18B20复位

DS18B20复位程序流程图如图4-2

开始

DQ=1

延时

DQ=0

延时（延时大于480us）

DQ=1

延时

结束

图4-2 DS18B20复位程序流程图

DS18B20写数据程序流程图如图4-3

开始

循环控制变量i=8

i=0?

DQ=wdata&0x01

延时

DQ=1

Wdata>>=1

结束

图4-3 DS18B20写数据程序流程图

DS18B20读数据程序流程图如图4-4所示。

开始

循环控制变量i=8

i=0?

DQ=0;DAT>>1;DQ=1

DQ=1?

dat|=0x80

延时

返回dat值

结束

图4-4 DS18B20读数据程序流程图