基于单片机的温度测量及报警系统设计与实现.docx
《基于单片机的温度测量及报警系统设计与实现.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的温度测量及报警系统设计与实现.docx（27页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于单片机的温度测量及报警系统设计与实现
基于单片机的温度测量及报警系统设计与实现
摘要
随着时代的进步和发展，人们生活水平的不断提高，单片机控制无疑是人们追求的目标之一，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术，伴随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AT89S52单片机为控制单元，以DS18B20为温度传感器的温度控制系统。
温度测量范围0到99.9摄氏度，精度为0.1摄氏度，可见测量温度的范围广，精度高的特点。
要测的环境温度是通过一线温度传感器DS18B20采集，然后通过单片机处理并在数码管上显示，当温度高于上限温度时，蜂鸣器报警，当温度低于下限温度时，蜂鸣器报警，温度的上下限可自行设定，并可保存，掉电不丢失，能通过按键设置上下限温度，更加智能化。
单片机所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。
关键词：
单片机，温度控制，蜂鸣器，DS18B20，AT89S52
DesignandImplementationofTestandAlarmSystemforTemperatureBasedonSingleChipMicrocomputer
Abstract
Withtheeraofprogressanddevelopment,continuousimprovementofpeople'slivingstandard,single-chipcontrolisundoubtedlyoneofthepursuitofthegoal,chiptechnologyhasspreadintoourlife,workandresearchinvariousfields,hasbecomearelativelymaturetechnology,withthecomputerandcontroltechnologyandtherapiddevelopmentofawiderangeofapplications,whichbenefitedthepeopleandlifeareeverywhereelectronics,automation,intelligentbecomeatrend,andamicrocontrollerasthecoreoftheapplicationisconstantlydeepening,whiledrivingtraditioncontrollinginterestinthedetectionofthenewmoon.
DiscussesthedesignofacontrolunitwithSTC89C52microcontrollertoDS18B20temperaturecontrolsystemtemperaturesensor.Temperaturemeasurementrangefrom0to99.9degreesCelsius,anaccuracyof0.1degreesCelsius,showingawidetemperaturemeasurementrange,highaccuracy.TheambienttemperatureistobemeasuredbyatemperaturesensorDS18B20lineacquisition,andthenprocessedbythemicrocontrolleranddisplayedonthedigitalcontrol,whenthetemperatureishigherthantheupperlimitofthetemperature,thebuzzeralarmwhenthetemperaturefallsbelowthelowertemperature,thebuzzeralarm.Uppertemperaturelimitcanbeset,canbesaved,non-volatile.Buttonsetbyupperandlowertemperature,moreintelligent.
SCMconveniencebroughtbygivingalsoundeniable,whereinthedigitalthermometerisatypicalexample,butitspeoplehavebecomeincreasinglydemanding,ToprovidebetterandmoreconvenientmodernfacilitiesyouneedfromseveralSCMtechnicalaspect,everythingtowarddigitalcontrol,intelligentcontroldirection.
Keywords:
Microcontroller,TemperatureControl,Buzzer,DS18B20,AT89S52
第1章 绪论
1.1单片机研究背景
温度收集系统的开发在很大意义上提高了生产的需求，是工业出产和自动操控中最常见的技能参数之一，方便了在生产过程中对温度的操控，大大的提高了生产质量。
外围电路比较简单，测量精度较高，分辨力高，使用方便。
温度检测是现代检测技能的重要组成部分，在确保产品质量、节约能源和安全出产等方面起着重要的效果。
当前，单片机正朝着高性能和多种类方向发展趋势，它将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低报价和外围电路内装化等几个方面开展。
单片机使用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的操控体系规划思维和规划办法。
早年必须由模仿电路或数字电路完成的大多数功能，如今已能用单片机经过软件办法来完成了，这种软件替代硬件的操控技能也称为微操控技能，是传统操控技能的一次革新。
单片机模块中最常见之一的是传感器，温度显示报警体系是一种根据单片机的用数字电路技能完成温湿度操控的设备，在实习社会生产中具有广泛的使用。
1.2单片机研究内容
随着社会的发展，人们对时间和环境中的温度及湿度的要求越来越高，尤其在日常的生活中和人们的生活和健康有着紧密的联系，特别是当人们乘坐公共交通工具时，温湿度以及实时时间和人们的出行都有着密切的联系。
温度控制在平常日子中运用比较普遍, 如各种仪器控制箱，温室或生产车间的温度湿度控制，空调列车车厢，空气环境的控制等。
单片机模块中最常见之一的是传感器，温度报警系统是一种基于单片机技术实现温度控制的装置，在日常生活中比较常见。
常见的低端产品多采用机械指针式或水银柱式温度计体积小、质量轻、价格低、安装简便，但是此类产品测量精度低，没有LED 显示屏，不能向智能化方向发展，不利于进行功能扩展，如不能自动报警。
目前，虽然在工业生产中和科研实验中通过对温湿度测量来进行自动控制的设备越来越普及，应用场合也越来越多。
可是，随之而来的问题是怎么可以测得准确的温度，来以保证主动操控设备可以正确地宣布操控指令操控出产过程，另一方面，假如温度过高过低能够会对一些设备中的一些半导体元器件形成损坏。
因而，根据单片机温度显示报警体系规划，关于主动温度报警的需要也在逐渐添加，温度操控在平常日子中运用比较普遍，本文基于以上方面的考虑，研究并设计了一种基于单片机的自动温度显示与报警系统。
通常温度控制系统中的温度测量均选用热敏电阻与湿敏电容，这种传统的模拟式温度传感器通常都需要规划信号，调度电路并通过杂乱的校准和标定进程，测量精度难以确保，且在线性、重复性、互换性等方面也存在必定疑问，这种传感器只合适那些测量点数较少，对精度要求不高的场合。
因此，设计出一款基于单片机的精度高、稳定性好、成本低的温度显示报警系统具有重要实际意义。
1.3单片机研究现状
单片机（SingleChipMicrocomputer）国际上又称为微控制器，它是一种集成电路芯片。
它选用超大规模技术将具有数据处理才能的微处理器（CPU）、存储器（程序存储器ROM和数据存储器RAM）、输入、输出接口电路（I/O接口）集成在同一块芯片上，构成一个既细巧又很完善的计算机硬件体系，在单片机程序的操控下能精确、敏捷、高效的完成程序设计者事先规定的任务，所以说，一个单片机芯片就具有了组成计算机的全部功能，随着SCM在技术上、体系上的不断进步，使其控制功能不断扩展，它的主要作用已经不是计算功能，而是控制功能了。
（1）国外温度测控系统研究
国外对温度控制技术研究较早，始于20世纪70年代。
先是选用模拟式的组合外表，收集现场信息并进行指示、记录和操控。
80时代末呈现了分布式操控系统，当前正开发和研发计算机数据收集操控系统的多因子归纳操控系统，如今世界各国的温度测控技术发展很快，一些国家在完成自动化的基础上正向彻底自动化、无人操作化的方向发展。
（2）国内温度测控系统研究
中国关于温度测控技能的研讨较晚，始于20世纪80时代。
中国工程技能人员在吸收发达国家温度测控技能的基础上，才把握了温度室内微机操控技能，该技能仅限于对温度的单项环境因子的操控。
中国温度测控设备计算机使用，在总体上正从消化吸收，简单使用期间向实用化，归纳性使用期间过渡和发展。
在技能上，以单片机操控的单参数单回路体系居多，尚无真实意义上的多参数归纳操控体系，与发达国家比较，存在较大距离。
中国温度测量操控现状还远远没有到达工厂化的程度，出产实际中依然有许多问题，存在着装备配套能力差，产业化程度低，环境操控水平落后，软硬件资本不能同享和可靠性差等缺陷。
第2章开发软件的介绍
2.1Keil软件
2.1.1Keil介绍
Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列单片机兼容C语言软件开发系统，与汇编软件相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用，用过汇编语言后再使用C软件来开发，体会更加深刻。
其封面图如下图2.1所示。
图2.1Keil
KeilC51软件是集成开发调试东西，可以供应丰盛的库函数和功用，具有健壮的Windows界面，还有其重要的一点，只需看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil生成的政策代码功率非常之高，大多语句生成的汇编代码很紧凑，简单知道，在开发大型软件时更能表现高级言语的优势。
KeilC51软件是一个根据32位Windows环境的应用程序，撑持C语言和汇编语言编程，其6.0以上的版别将编译和仿真软件一致为μVision（一般称为μV2）。
Keil提供包含C编译器、宏汇编、衔接器、库办理和一个功能强大的仿真调试器，在内部的完整开发计划中，由以下几部分构成：
μVision IDE集成开发环境C51编译器、A51汇编器、LIB51库办理器、BL51衔接/定位器、OH51目标文件生成器以及 Monitor-51、RTX51实时操作系统。
2.1.2Keil的简单应用
在Keil开发软件模拟使用第一步：
编写源程序并保留建设和提高项目的编译源文件集的集合、链路、仿真文件和程序调试。
应用“Keil软件”的概念，而不是一个单一的源代码，编译仿真文件，装配，调试等操作，从建立到设置编译器/汇编器和凝聚力工程，发生的仿真文件的方法很容易掌握。
首先选择菜单文件，然后单击“File-New”，汇编语言或C语言源代码，输入到编辑或选择文件并单击“打开”，将已用其它编辑器编辑好的源程序文档直接翻开并保留，注意保留时必须在文件名后加上扩展名.asm（.a51）或.c；然后选择菜单并单击“Project-New”，创建一个新的项目并保留（保留时无需扩展）；工程保留马上会弹出一个对话框来选择设备的选型，选择CPU后，回到主界面。
工程管理窗口的文件页（Files）将显示“Target1”，前面的+打开，然后选择“Source Group1”，右键弹出快捷菜单，选择“Add File to Group Source Group1”，呈现一个对话框，需求参与其中的源文件（在源文件中，对话框将看不到，而是等候持续参加其它文件）。
在关闭文件返回主界面，打开“Source Group1”中前面的+号，你会看到文件，双击该文件名，打开源文件，然后设置项目的选择，项目管理窗口“Target1”，然后选择项目并单击“Project-Option for Target1”，或者点右键弹出方便菜单再挑选“Option for TargetTarget1”选项，翻开工程特点后设置对话框，可以看到有八个选项可供选择，第一组是包含在调试实验仿真板中，在目标标签设定振荡器频率，如要写片，在“Creat Hex Fi”选项的输出标签要求，这时我们需要选择，通常标签内容是取默认值的，项目设置后按下F7键，单击工具栏上的图标对应的编译器编译/汇编，衔接及产生的仿真文件。
编译链接组件成功后，进入程序调试状况，选择菜单调试启动/停止会话，或按Ctrl+F5键进入，Keil提供了对程序模仿调试的功能，内建一个功用强劲的仿真处理器来模仿履行程序。
Keil能以单步履行（按F11或挑选Debug-Step）、进程单步履行（按F10或挑选Debug-Step Over）、全速履行等多种运转方式进行程序调试。
假如发现程序有错，可以使用在线汇编函数进行在线修正的程序（调试内联安装），不执行先退出调试环境，源代码，编译和修正衔接，然后再进入调试状态。
必须满足在一定的条件下，才可以执行下一步骤，不过很难用单步履行方式调试程序，可采用断点的解决方案（插入/移除断点或调试，调试断点）。
在调试器的仿真后，需要经过编程器将.hex仿真文件写入单片机，才可观察仿真的运行状态。
2.2 Proteus软件
由广州风标电子技术有限公司（中国区Labcenter electronics总代理）代理的英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件Proteus除了具有其它EDA工具的仿真功能之外，还可以对单片机及外围器件进行仿真，是目前最好的外围器件和仿真单片机。
目前国内推广刚起步，但受到不少单片机爱好者、高校研究所从事单片机教学、科研的老师以及致力于单片机开发使用工程师的喜爱。
其封面图如下图2.2所示。
图2.2 Proteus图标及界面
2.2.1Proteus介绍
Proteus是世界上闻名的EDA软件（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB规划，真实完成了从概念到商品的完好规划，它是世界上唯一的电路仿真软件，PCB编程软件和虚拟仿真软件三合一的软件规划渠道，其处理器模型有8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
变形特点：
①在具有模拟电路、数字电路仿真及51系列、AVR、PIG等各种单片机及其外围电路（如LCD、RAM、ROM、键盘、LED、A/D、D/A）构成的体系仿真的基础上并完成了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。
②很容易得到了示波器、逻辑分析仪、信号发生器等多种虚拟仪器便利地调试解决方案。
③具有强壮的原理图制作功用。
④支持第三方的软件编译及调试环境的功能（软件调试环境便利），如Keil等软件。
Proteus与其它单片机仿真软件不一样的是，它不仅能仿真单片机CPU的作业情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的作业情况。
因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些句子执行时单片机寄存器和存储器内容的改动，而是从工程的视点直接看程序运转和电路作业的进程和成果，关于这样的仿真试验，从某种意义上讲，是弥补了试验和工程使用的对立。
然而，当硬件调试成功后，使用Proteus ARES软件，很简单获得其PCB图，为往后的制作供给了便利。
2.2.2Proteus功能模块
ISIS原理图具有丰富的器件库，里面有超过二万七多种元器件，其特点可以便捷的建立新的元件。
智能器件的搜索是可以定位的、它是通过模糊搜索器件来完成的，ISIS具有自动连接的功能，它的连接非常简单并且可以缩短所用的时间来完成绘图。
电路的设计支持总线结构、总线器件和总线布线能电路简洁明晰并且可以提供高质量的图纸，设置为个性化还能生成图纸，印刷质量的BMP可以提供Word、Powerpoint等多种文档的使用。
模拟电路是一个完美的系统，PROSPICE是在SPICE3F5标准的工业基础上，可以实现一种混合的模拟和数字电路仿真，仿真装置有27000多种，它们是制造商使用SPICE文件或通过内部机制来进行仿真，Labcenter公司也是在不断的发展可以导入第三方的仿真器件。
激励信号源包括DC，脉冲，正弦，分段线性脉冲，音频（WAV文件），指数信号，单频，双频率和数字时钟，信号输入文件格式也与支持。
具有13种虚拟仪器并且面板操作逼真，例如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电流、交流电压、数字图案发生器、计数器、逻辑探头、虚拟终端、调试器等。
仿真结果表明为数字电平引脚，不同颜色的线表示电压的大小，具有动态器件，例如电机，显示装置，使用按钮，他们可以使模拟更加生动和清晰。
图形仿真功能是建立在图标基础上，它们可以是多个指标的电路，包括准确分析，瞬时频率，传输特性，噪声和失真分析。
其类型有ARM7、8052、AVR、PIC16、PIC18、dsPIC33、HC11、BasicStamp、MSP430等，随着版本的不断提高，CPU的类型也在不断的增加，我相信不久的将来会支持CORTEX、DSP处理器的。
通用的模型也可支持，例如字符模块、图形模块、LED点阵、LED七段显示模块、键盘/按键、RS232虚拟终端、电子温度计等，其COMPIM（COM口物理接口模型）还能使仿真电路实现双向异步串行通信，它们是通过PC机串口和外部电路来实现的，它们还支持实时UART仿真、中断仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真。
最后的编译及调试有单片机汇编语言的编辑源码级，内部带有8051、AVR、PIC的汇编编译器，还可以与第三方的集成编译环境相结合，如源级仿真和调试IAR高科技先进的语言。
第3章 系统设计
3.1DS18B20的编程语言
因为DS1820与微处理器间选用串行数据传送，因而，在对DS1820进行读写编程时，有必要严厉的保证读写时序，否则将无法读取测温成果。
在运用PL/M、C等高档语言进行系统程序设计时，对DS1820操作有些最佳选用汇编语言完成。
DS18B20的读写时序和测温原理与单线数字温度传感器相同，只是DS18B20由于分辨率和DS1820相比不同而不同，且DS1820温度转换时的延时时间需要2s而DS18B20则为750ms。
DS18B20测量温度的原理为：
如果需要让竞争的振荡频率受温度影响小则需要比较低的温度，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度晶振的变化率随温度的变化其改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入，计数器1和温度寄存器被预置在－50℃所对应的一个基数值，计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
DS18B20功能特点：
①采用单总线技术，与单片机通信只需要一根I/O线，在一根线上可以挂接多个DS18B20。
②每个DS18B20的有一个64位的独一无二的序列号，独特的序列号来访问相应的器件。
③低电压供电，供电范围从3~5V，向本地供电，也可以使用寄生电源（即直接从数据线窃电）。
④编辑数据为8~11位，转换10位温度时间为700ms（最大）。
⑤测温范围为-50℃~+120℃,在-15℃~75℃范围内误差为在±0.5℃内。
⑥报警温度范围由用户可自决设定。
⑦若器件的温度超出预定值，则报警搜索命令可进行寻址和识别。
⑧DS18B20的分辩率由用户通过EEPROM设置为9~12位。
⑨DS18B20可将检测到温度值直接转化为数字量，并通过串行通信的方式与主控制器进行数据通信。
3.2DS18B20传感器介绍
DS18B20是一个高精度数字温度传感器，其内部是两个温度系数不一样的温敏振动器，低温度系数振荡器是相当于标尺，高的振动温度系数相当于温度测量元件，经过不断对比两个温敏振动器的振动周期得到两个温敏振动器在丈量温度下的振动频率比值，依据频率比值和温度的对应曲线得到相应的温度值。
这种方法避免了测温过程中的A/D转换，提高了温度测量的精度。
在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环，这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。
选用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化，易于处理和控制单片机的传统测量方法，消除许多外围电路，且该芯片的物理化学性很安稳，它能用做工业测温元件，此元件线形较好，在0-100摄氏度，最大线性误差不超过1摄氏度。
DS18B20的单总线的数据传输最为突出，它们的温度测量设备是由DS18B20和AT89C52构成的，它们是既可以输出温度数字信号又可以与计算机衔接。
因此，比较简单，体积结构体系不大。
采用51单片机控制，软件编程的范围比较广，可实现算术算法和逻辑控制，它们是利用到编程系统，而且它们的实现比较简单，体积小和安装便捷。
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。
该体系使用AT89S52芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显现，能够完成疾速测量环境温度，并能够根据需要设定上下限报警温度。
该体系扩展性十分强，它能够在设计中加入时钟芯片DS1302以获取时刻数据，在数据处理同时显现时刻，并能够使用AT24C16芯片作为存储器材，以此来对某时刻点的温度数据进行存储，使用键盘来进行调时和温度查询，取得的数据能够经过MAX232芯片与计算机的RS232接口进行串口通讯，便利的收集时刻温度数据。
3.3系统设计流程
3.3.1系统设计框图
本系统的软件设计是依据实践的技术需求进行编写的，能够将DS18B20温度传感器所收集到的温度值实时送到单片机中去，再由单片机将温度值由数码管驱动芯片HD7279A送到数码管显现器上，实时显现当时的温度值，并依据预置的温度上限，当实时温度高于上限值时宣布报警信号。
这套温度采集、控制系统可以方便地实现温度测量、温度显示等功能，并通过与单片机连接的键盘可以随时设定测控
升级会员 