单片机温度报警系统设计.docx

1、单片机温度报警系统设计毕业设计基于单片机的温度报警系统设计 学校： 专业： 班级; 姓名： 摘 要近年来随着计算机与控制技术的蓬勃发展与广泛应用，人们从中受益良多，生活中也随处可见电子产品，自动化，智能化成为发展趋势，而以单片机为核心的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测的日新月益。本设计论述了一种以STC89C51单片机为控制单元，以DS18B20为温度传感器的温度控制系统。该控制系统可以实时存储相关的温度数据并可设置温度上下限值，实现对环境温度测量并在超出范围的情况下发出警告。系统设计了相关的硬件电路和相关应用程序。硬件电路主要包括STC89C51单片机最小系统，测温电路、LCD液

2、晶显示电路以及报警电路等。系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，计算温度子程序、按键处理程序、LCD显示程序以及数据存储程序等。关键词：STC89C51单片机；DS18B20；LCD显示电路AbstractIn recent years, along with the computer and control technology of booming development and wide application, people benefit a lot from it, life also can be seen everywhere electronic products, aut

3、omation, intelligent become development trend, and with the single chip processor as the core application is continuously to the deepening, and push the traditional control examination on the new victims. This design is discussed in STC89C51 micro control is a control unit, with the temperature sens

4、or DS18B20 for the temperature control system. The control system can store related temperature data real-time and set up and down temperature limits, and to realize the environment temperature measurement and beyond the scope of the warning. The system design of the related hardware circuit and rel

5、ated applications. The hardware circuit STC89C51 mainly includes single chip minimize system, temperature measurement circuit, LCD display circuit, alarm circuit, etc. System program mainly includes the main program, read the temperature procedure, the calculation of temperature procedure, key proce

6、ssing program, LCD display procedures and data storage procedures, etc.key words：STC89C51 single-chip microcomputer ; DS18B20 ; LCD display circuit 1 绪论1.1 课题的背景及其意义 二十一世纪是科技高速发展的信息时代，电子技术、单片机技术更是得到广泛的应用，伴随着科学技术的发展，需要对仪器设备的各种参数进行测量。而温度涉及到生活生产的各个方面，应运而生温度测量控制也成为了生活生产中关注的热点，对温度的控制在各行各业中也发挥着重要的作用。例如在工业

7、生产之中，利用测量与控制温度来保证生产的正常运行；在农业中，用于保证蔬菜大棚的恒温生产；更具体点在生活中冰箱，空调等都需要对温度进行实时控制。温度是表征物体冷热程度的物理量，温度测量则是工农业生产过程中一个很重要而普遍的参数。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位。而且随着科学技术和生产的不断发展，温度传感器的种类还是在不断，从而满足生产生活中的各种需要。单片机温度测量控制系统中的关键是测量温度、控制温度，从而达到各种需求。因此，单片机温度测量则是对温度进行有效的测量，并

8、且能够在工业生产中得到了广泛的应用，尤其在电力工程、化工生产、机械制造、冶金工业、无线控制等重要工业领域中，扮演着重要角色。在日常生活中，也可广泛实用于空调器、电加热器等各种家居电器。1.2 课题研究的内容及要求 我的毕业设计的题目是基于单片机的温度控制报警系统设计。它是多种技术知识的结合，不仅涉及到硬件的设计，还需要软件编程，同时还要兼顾到精度、测量误差、稳定性等各种因素。电路板是从电子市场买来，要自己亲手焊接，这就要考虑如何布线，来达到外观美观，功能实现的目标。经过查阅资料发现许多应用场合原来就有测温仪器，只是随着对生产质量与生产需要的要求在不断地提高、升级。其中，有部分应用场合对精度提高

9、的幅度要求也不是特别高。因此，为了提高性价比，我所设计的系统提出在原有设计的基础上进行一些简单的修改，以此为出发点，主要阐述的是温度测量自动报警系统的实现方法。本文所要研究的课题是基于单片机的温度报警系统设计，主要是介绍了对环境温度的测量、显示、控制及报警，实现了动态温度的实时显示。温度控制部分，提出了用AT89C51单片机、DS18S20、及LCD显示的硬件电路完成对环境温度的实时检测及显示，利用DS18S20与单片机连接由软件与硬件电路配合来实现，超出设定的上下限温度，报警系统就自动报警。控制器是用89C51单片机，适合于应对多点的温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理，而

10、且每片DS18S20都有唯一的产品号，可以一并存入其ROM中，以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个DS18S20芯片。从DS18S20读出或写入DS18S20信息仅需要一根口线，其读写及其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DS18S20供电。同时DS18S20能提供九位温度读数，它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。而且利用本次的设计主要实现温度测试，温度显示，温度门限设定，超过设定的门限值时自动启动自动报警等功能。而且还要以单片机为主机，使温度传感器通过一根口线与单片机相连接，再加上温度控制部分和人机对话部分来共同实现温度的监测与控制。1.3 课题的研

11、究方案 温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统。温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，当今计算机控制技术在这方面的应用，已使温度控制系统达到自动化、智能化，比过去单纯采用电子线路进行PID调节的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。 本设计方案很简单，采用了STC89C51单片机系统来实现。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。单片机系统可以用液晶屏幕来显示环境温度的实际值，能用键盘输入设定上下线值。本方案选用了STC89C51芯片，本身存储器已够用，不需要外扩展存储器，可使系统整体结构大为简单从而大大提高了系统的智能化。2 电路设计的理论基础2.

12、1 系统设计的框架本课题设计的是一种以STC89C51单片机为主控制单元，以DS18B20为温度传感器的温度控制报警系统。该控制系统可以实时存储相关的温度数据。其主要包括：电源电路、温度采集电路、按键处理电路、LCD显示电路、报警电路以及单片机基本电路。下图（图2-1）为设计框架图。 2.2 单片机发展史 单片机根据其基本操作处理的二进制位数主要分为：4位单片机、8位单片机、16位单片机和32位单片机。单片机的发展史可大致分为4个阶段。 第一阶段（1974年-1976年）：单片机初级阶段。因工艺限制，单片机采用双片的形式而且功能比较简单。1974年12月，仙童公司推出了8位的F8单片机，实际上

13、只包括了8位CPU、64和2个并行口。： 第二阶段（1976年-1978年）：低性能单片机阶段。1976年，Intel公司推出的MCS-48单片机（8位单片机）极大地促进了单片机的变革和发展；1977年，GI公司推出了PIC1650，但这个阶段的单片机仍然处于低性能阶段第三阶段（1978年-1983年）：高性能单片机阶段。1978年，Zilog公司推出了Z8单片机；1980年，Intel公司在MCS-48单片机的基础上推出了MCS-51系列，Motorola公司推出了6801单片机，这些产品使单片机的性能及应用跃上了一个新的台阶。此后，各公司的8位单片机迅速发展起来。这个阶段推出的单片机普遍带

14、有串行I/O口、多级中断系统、16位定时器/定时器，片内ROM、RAM容量加大，且寻址范围可达64KB,有的片内还带有A/D转换器。由于这类单片机的性能价格比高，所以被广泛应用，是目前应用数量最多的单片机。第四阶段（1983年-现在）：8位单片机巩固、发展及16位单片机和32位单片机推出阶段。16位单片机的典型产品为Intel公司生产的MCS-96系列单片机。而32位单片机除了具有更高的集成度外，其数据处理速度比16位单片机提高许多，性能比8位、16位单片机更加优越。20世纪90年代是单片机制造业大发展的时期，这个时期的Motorola、Intel、ATMEL、德州仪器（TI）、三菱、日立、P

15、hilips、LG等公司也开发了一大批性能优越的单片机，极大地单片机的应用。近年来，又有不少新型的高集成度的单片机产品涌现出来，出现了单片机丰富多彩的局面。目前，除了8位单片机得到广泛用用上的展表明，80C51可能最终形成事实上的标准MCU芯片。2.3 STC89C51系列单片机介绍2.3.1 STC89C51特性STC89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMflash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。而AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的

16、单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。STC89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32位可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 2.3.2 STC89C51系列引脚功能 STC89C51有40引脚双列直插（DIP）形式。其逻辑引脚

17、图如图2-2。 图2-2 STC89C51引脚图各引脚功能叙述如下：1电源和晶振VCC（40脚）接+5V电源GND（20脚）接数字地XTAL1（19脚）片内震荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端XTAL2（18脚）片内震荡器反相放大器的输出端2I/O（4个口，32根）P0口P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口P1口是一个内部提供上拉电阻的8位

18、双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时， P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储

19、器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 同时，P3口也可作为STC89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能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（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部

20、输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。3控制线(共4根)RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，

21、ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。3 硬件电路设计3.1 电源电路工作

22、原理：220V交流市电经过电源变压器变换成交流低电压，再经过桥式整流电路D2D5和滤波电容C5的整流和滤波，在三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过LM7805的稳压和C7的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源的集成电路，其具有体积小、成本低、性能好、工作可靠、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。电源电路图如图3-1。 图3-

23、1 电源电路LM7805简介：LM7805是一种常用的三端稳压器，一般使用的是TO-220封装，能提供DC 5V的输出电压，应用范围极广，内含过流过热及调整管的保护电路和过载保护电路。带散热片时能持续提供1A的电流。电子制作中经常采用。但当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。 其外形引脚如图3-2。 图3-2 LM7805引脚图（管脚图） 3.2 温度传感器电路 DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，使用方便，封装形式

24、多样，适用于各种狭小空间设备的数字测温和控制领域。 DS18B20温度传感器是美国达拉斯(DALLAS)半导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器。该器件将半导体温敏器件、A/D转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上。超小的体积，超低的硬件开销，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得DS18B20更受欢迎，DS18B20的优势更是我们学习单片机技术和开发温度相关小制作不二的选择，其技术性能描述为： 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。 测温范围 55+125，固有测温分辨率0.5。 支持多点组网功能，多个DS1

25、8B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个,实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。 工作电源: 35V/DC 在使用中不需要任何外围元件 测量结果以912位数字量方式串行传送 温度数字量转换时间200ms(典型值） 用户可定义的非易失性温度报警设置 其外形如图3-3所示。 图3-3 传感器外形图 本设计采用一线制数字温度传感器DS18B20来作为本课题的温度传感器。传感器信号经4.7K的上拉电阻直接接到单片机的P2.0管脚上。DS18B20温度传感器只有三根外接线：单线数据传输总线DQ ，外供电源线VDD，共用地线GND。DS18B20有两种供电方式

26、：一种为数据线供电方式，此时VDD接地，它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量，来完成温度的转换，相应的完成温度转换所需时间也较长。这种情况下，用单片机的一个I/O口来完成对DS18B20总线的上拉。另外一种是外部供电方式(VDD接+5V)，相应的完成温度测量的时间会较短。 工作原理及其应用：DS18B20温度检测与数字数据的传输集成于一个芯片之上。其工作一个周期可以分为二个部分，即温度检测与数据处理。18B20有三种形态的存储资源，分别是ROM，RAM，EEPROM。 ROM 只读存储器，共64位，用于存放DS18B20ID编码，其前八位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H），后面

27、48位是芯片唯一的序列号，最后的八位是以上56位的CRC（冗余校验码）。其数据在出厂时设置，不由用户更改。 RAM 数据暂存器，用于数据计算和数据存取，数据在掉电后消失，DS18B20共9个字节的RAM，每个字节为八位，第1，2字节是温度转换后的数据值信息，第3，4字节是用户EEPROM（常用于温度报警值的存储）的镜像。在上电复位时，其值将被刷新。第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。第6，7，8个字节则是计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是温度转换、计算的暂存单元，第9个字节是前八个字节的CRC码。 EEPROM是非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上

28、下限温度报警值和校验数据。DS18B20共3位EEPROM，并在RAM上都存在镜像，以方便用户操作。 我们在读温度之前都必须进行复杂的且精准的时序处理，因为DS18B20硬件简单，从而导致软件的巨大开销，也是尽力减少有形资产化为无形资产的投入。控制器对DS18B20的操作流程: 1复位 ：首先我们必须对DS18B20进行复位，复位就是由控制器给DS18B20单总线至少480us的低电平信号，当DS18B20接到此复位信号后，回发一个芯片的存在脉冲。 2存在脉冲 ：在复位电平结束之后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于在15-60us后接受存在脉冲，存在脉冲为一个60-240us的低电平信号。至

29、此，通信双方已达成了基本的协议，接下来将会是控制器与DS18B20的数据通信，如果复位低电平的时间不足或是单总线断路都不会接收到存在脉冲。 3控制器发送ROM指令：双方打完招呼后就要进行交流了，ROM指令共5条，每一个工作周期只能发送一条，ROM指令分别是读ROM数据，指定匹配芯片，跳跃ROM，芯片搜索，报警芯片搜索。ROM指令为八位长度，功能是对片内的64位光刻ROM进行操作。其主要目的是为了分别总线上挂接的多个器件并做处理，一般情况下，直挂一个DS18B20的就跳过ROM指令，此处并不是不发送ROM指令，而是用一条特有的一条“跳过指令”。 4控制器发送存储器操作指令：在发送ROM指令之后，

30、接着就发送存储器操作指令。操作指令同样为八位，共六条，分别为写RAM数据，读RAM数据，将RAM数据复制到EEPROM，温度转换，将EEPROM中报警值复制到RAM，工作方式切换。存储器操作指令是命令DS18B20做什么样的工作，是芯片控制的关键。 5执行或数据读写：这个操作要视存储器操作指令而定。在本设计中采用外部供电方式实现DS18B20传感器与单片机的连接，其接口电路如图3-4所示。 图3-4 温度传感器电路3.3 显示电路 1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线其各引脚介绍如表3-1。 表3-1 LCD引脚说明引脚符号功 能 说 明1V

31、SS接 地2VDD接 电 源 （+5 V）3V0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，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度4RSRS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5RWR/W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6E使 能 端7D0双 向 数 据 总 线8D1双 向 数 据 总 线9D2双 向 数 据 总 线10D3双 向 数 据 总 线11D4双 向 数 据 总 线12D5双 向 数 据 总 线13D6双 向 数 据 总 线14D7双 向 数 据 总 线15BL+背 光 电 源 正 极16BL-背 光 电 源 负 极本设计显示电路采用1602液晶显示，其电路图如下（图3-5）： 图3-5 显示电路3.4 报警电路 报警电路采用简单的发光二极管与蜂鸣器组合电路，当温度超出上下门限值时，二极管发光，同时蜂鸣器鸣响。其电路图如图3-6： 图3-6 报警电路3.5 复位电路 本设计所用复位电