基于stc89c52的电子温度计的设计论文Word格式文档下载.docx
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智能温控器（数字温控器）是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结合，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种控制器，并且它是在硬件的基础上通过软件来实现控制功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平，现阶段正朝着高精度高质量的方向发展，相信以我国的实力，温控技术在不久的将来一定会位于世界前列！
因此，在这样的背下，设计出一种用普遍用于工业和生活中的新型高精度电子温度计，且数字温度计能快速准确的显示读数、携带方便和不会造成环境污染等特点。
它在稳定性方面比传统的温度计有着显著的优势，精度要求也能和传统的温度计相媲美。
1.2国内温度调节系统的的发展
目前，我国在温度等控制仪表业与国外的差距主要表面在以下几个方面：
（1）行业内企业的规模小，且较为分散，造成技术力量不集中，导致研发能力不强，制约了技术的发展。
（2）商品化产品以PID控制器为主，智能化仪表少，这方面同国外差距较大。
目前，国内企业复杂的及精度要求高的温度控制系统大多采用进口温度控制仪表。
（3）仪表控制用关键技术、相关算法及控制软件方面的研究较国外相对滞后。
例如：
在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品，但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自设定软件，控制参数大多靠人工经验及现场调试来确定。
我们所存在着的差距，必须努力克服。
1.3国外温度调节系统的发展
因为温度控制器环节已经被纳入分布式控制系统（DCS），个人电脑（PC）和可编程逻辑控制器（PLC）。
工业电子温度控制器全球市场的增长率在2003年为3.6%,2004年为3.5%，2005年为2.5%。
预计2006年全球市场的增长率为仅为1.2%，而预测2010年的综合年度增长率仅为0.7%。
欧洲和北美工业电子温度控制器市场受到这一趋势的影响最大。
这两个较大地区的市场预计将在2010年出现负增长。
然而，亚太市场，较小的美洲和其他地区的市场预计仍将保持增长。
中国作为一个主要的制造中心和工业电子温度控制器市场的崛起是这一增长的驱动因素。
OEM厂商以及众多的终端工业厂商已经开始转移到中国大陆，以获得低成本的劳动力和原料优势。
日本经济的复苏同样推动该地区走出停滞发展时期。
OEM厂家和主要终端工业公司将制造业务向中国的转移，以及温度控制器价格的下降，是欧洲和北美工业电子温度控制器市场预测下降的主要原因。
此外，许多位于欧洲和北美的工业电子温度控制器供应商已经表明一旦准备充分，他们将很快在中国展开他们的制造工业电子温度控制器业务。
通过在中国生产电子温度控制器，供应商不但可以获得更便宜的劳动力和原料的竞争优势，而且他们这样更能接近主要的发展市场。
1.4设计研究内容
温度自动控制系统主要由温度采集系统、显示系统、扬声器警报系统三部分组成。
本文重点对点系统的硬件、软件进行分析设计。
在硬件上对各部分电路一一进行了理论分析与方案论证进行了设计，介绍了DS18B20数字温度传感器在单片机下的硬件连接、显示电路的连接等，最终设计完成了该系统的硬件连接。
在软件设计上根据硬件电路和温度采集系统所需要实现的功能，经过反复的模拟运行、调试、修改，最终完成了系统的软件设计。
通过硬件与软件的密切配合，最终设计完成达到了题目所要求的功能。
本设计采用的是STC89C52单片机，对温度进行采集。
通过集成温度传感器DS18B20将温度值转换为电量输出。
通过按键设置温度的最大值，当温度高于设定的上限值时，单片机发出报警，同时点高红色发光二极管，当温度在设定的范围内，则点亮绿色发光二极管。
在软件上进行主程序和子程序的编程，使该温度控制系统实现智能化发展，精度更高。
1.5本文的内容与结构
本文的内容共分为六章。
第一章是绪论，概括了国内外温度控制系统发展情况概述、所面临的问题，本课题研究的背景与系统要求；
第二章介绍了关于本设计的方案的选择与论证，主要是针对温度传感器的选择，分别阐述了各自所具有的优缺点；
第三章是各个单元模块电路的介绍，其中包括晶体时钟电路、复位电路、报警电路、显示电路、温度检测电路和单片机系统电路，并给出了对应的硬件电路连接图。
第四章概述了单片机STC89C52的功能引脚及特性，DS18B20数字温度感器的引脚说明、读写时序、测温原理等特点；
第五章控制系统软件的实现，着重介绍了软件实验平台的结构、软件实现、各个子模块的程序流程图；
第六章结论，对本次设计的工作进行总结，并对今后系统的发展与展望提出建议。
2总体方案设计
本次设计采用STC89C52单片机为核心，通过一片STC89C52单片机控制外围电路，使得系统实现实时温度测量与显示功能。
根据系统要求，本设计可分为四个模块，分别为温度采集模块、STC89C52单片机控制模块、数码管显示模块和报警模块。
而针对温度的采集有很多的温度传感器可供选择，如采用热敏电阻、热电偶、温度传感器，其具体采用何种温度传感器对温度进行采集，在后面的方案比较和方案论证中得到具体的分析。
下面我们首先来了解温度传感器的分类。
2.1温度传感器的分类
温度传感器按不同的方法分，就有不同的类别。
下面将从被测对象温度、使用方式、温度的高低来进行分类。
1、按照被测对象温度的不同分类
可以将被测对象温度分为超低温、低温、中温、高温和超高温温度测量。
超低温一般是指0.10K，低温指10.800K，中温指800K—1900K，高温指1900K—2800K的温度，2800K以上被认为是超高温。
2、按照传感器的使用方式分类
根据温度传感器的使用方式，通常分为直接接触测温法与非直接接触式测温法两类，其特性如下表2.1所示。
表2.1两种测温法的特性
项目
直接接触测温法
非直接接触测温法
特点
测量热容量小的物体有困难，测量移动物体有困难，可测量任何部位的温度，便于多点集中测量和自动控制
不改变被测介质温场，可测量移动物件的温度，通常测量表面温度
测量条件
测量元件与被测对象很好的接触，接触元件不要使被测对象的温度变化
由被测对象发出的辐射能充分照射到检测元件，被测对象的有效发射率要准确知道，或者具有重视的可能性
测温范围
容易测量1000℃以下的温度，测量1200以上的温度有困难
测量1000℃以上的温度较准确，测量1000℃以下的温度误差较大
准确定
通常为0，依据测量条件可达0.5%—1%
通常为20℃左右，条件好可达5—10℃
响应速度
通常较慢，约为1-3min
通常较快，约2-3S，即使迟缓的也在10S内
3、按温度的高低分类
通常可以分为低温测量、中温测量、中高温测量。
（1）低温测量
利用电阻随温度变化的特性制成的传感器叫做热电阻传感器，按热电阻的性质可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，前者通常简称为热电阻，后者称为热敏电阻。
电阻温度传感器广泛用于中、低温范围内温度测量，电阻温度传感器的主要优点是：
1）测量精度高，对非温度量不敏感；
2）有较大的测量范围，灵敏度高；
3）线性度好，便于自动测量。
（2）中低温测量
集成温度传感器常用来进行中低温度的测量，尤其适用于室温环境中。
（3）中高温测量
热电偶传感器是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器，在工业用温度传感器中占有极其重要的地位，具有结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远距离传输等特点，而且自身能产生电压，不需要外加驱动电源。
2.2方案比较
上面对温度传感器的分类作了详细介绍，按不同方式分类得到不同类型的温度传感器，下文将对本次设计所用温度传感器的选择作阐述与分析。
方案一：
采用LM35温度传感器
LM35是NationalSemiconductor公司生产的集成温度传感器，其输出电压与摄氏温标呈线性关系，0时输出为0V，每升高1℃，输出电压增加10mV。
LM35有多种不同封装型式，如：
TO-46金属罐形封装、TO-220塑料封装、TO-92封装、SO-8IC式封装。
本方案中LM35集成温度传感器采用的是TO-92封装，运用LM35DZ温度进行采集。
在常温下，LM35不需要额外的校准处理即可达到
±
1/4℃的准确率。
其电源供应模式有单电源与正负双电源。
本方案主要采用LM35DZ温度传感器对温度进行检测，将检测到的温度模拟信号经放大电路部分放大，再由A/D转换器（模数转换）将其放大后的温度模拟信号转换成为数字信号，经处理后由单片机控制进行温度的显示。
其设计框图如2.1所示：
图2.1LM35的设计框图
方案二：
热敏电阻
热敏电阻是利用半导体的阻值随温度变化这一特性而制成的，分为NTC（负温度系数）热敏电阻、PTC（正温度系数）热敏电阻两大类。
PTC热敏电阻电阻值随温度的升高而增大，NTC热敏电阻电阻值随温度的升高而降低。
正温度系数热敏电阻其电阻值随着PTC热敏电阻本体温度的升高呈现出阶跃性的增加，温度越高，电阻值越大。
负温度系数热敏电阻其电阻值随着NTC热敏电阻本体温度的升高呈现出阶跃性的减小，温度越高，电阻值越小。
NTC是NegativeTemperatureCoefficient的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件。
通常我们提到的NTC是指负温度系数热敏电阻，简称NTC热敏电阻。
PTC是PositiveTemperatureCoefficient的缩写，意思是正的温度系数，泛指正温度系数很大的半导体材料或元器件。
通常我们提到的PTC是指正温度系数热敏电阻，简称PTC热敏电阻。
采用热敏电阻来对温度进行采集，它主要根据热敏电阻的阻值与温度的关系为：
RT=R0e-B（1/T0-1/T），其中RT—NTC在热力学温度为T时的电阻值，R0—NTC在热力学温度为T0时的电阻值，多数厂商将T0设定在298.15K（25℃），B是热敏电阻的常数，它代表的是热敏电阻的灵敏度（即对温度的敏感程度），与热敏电阻的制造材料有很大的关系。
热敏电阻隔R0与常数B的关系如下表2.2所示：
表2.2热敏电阻R0与常数B的关系
使用温度范围
标准电阻值R0
标准常数B
-50℃～100℃
6（T0=0℃）
3390
0℃～150℃
30（0℃）
3450
50℃～200℃
3（100℃）
3894
100℃～250℃
0.55（200℃）
4300
150℃～300℃
4（200℃）
5133
250℃～300℃
8（200℃）
5559
本方案的设计框图如图2.2所示：
图2.2热敏电阻设计框图
该方案主要是利用热敏电阻对温度进行感应，然后通过公式计算出当前的温度值，再到显示部分显示当前温度值，同时检测该温度值是否超出预设温度的范围，若超过了其规定的范围，则启动报警系统进行报警提示，最后启动控制电路进动作；
否则准备下一次的温度测量。
方案三：
DS18B20数字温度传感器
DS18B20数字温度传感器是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。
因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。
其具体电路连接如图2.3所示：
图2.3DS18B20设计框图
在温度检测模块中，由于DS18B20的芯片的测温是数字集成温度测量，它的外接电路非常简单，只有三只管脚，一根电源Vcc，一根接地，另外一根接STC89C52的T0端（P3.4），它的温度测量数字转换及单片机的控制，是通过复杂的编程实现的。
2.3方案论证与选择
综合上述三种方案，均可实现温度的采集与温度处理。
针对第一种方案采用LM35温度传感器，在进行温度检测后需经放大电路将模拟信号放大，再经A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，最终传送到显示电路部分进行温度的显示。
该方案在硬件设计上较为复杂，需要的电路部分较多，而且LM35传感器的一个缺点是无法指示低至零的温度。
第二种方案利用热敏电阻，但其精度、重复性、可靠性较差，测温范围较窄、互换性差等。
第三种方案采用数字温度传感器DS18B20，它具有线性好、精度高、灵敏度高、体积小、使用方便，且电路设计简单等特点。
因此，通过比较本次设计选择采用第三种方案来实现系统功能。
对于系统的显示部分，在方案的设计中没有对显示模块具体的分析，采用LCD液晶显示还是采用数码管显示温度。
液晶显示器（LCD）是现在十分普遍的显示器。
它具有体积小、重量轻、省电、辐射低、易于携带等优点。
液晶显示器（LCD）的原理与阴极射线管显示器（CRT）大不相同。
LCD是基于液晶电光效应的显示器件。
包括段显示方式的字符段显示器件；
矩阵显示方式的字符、图形、图像显示器件；
矩阵显示方式的大屏幕液晶投影电视液晶屏等。
液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；
不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过。
但液晶显示的亮度不够，比较模糊；
数码管不仅价格便宜而且容易驱动，亮度好且比较稳定。
因此，比较分析考虑选择利用数码管进行显示，具体的详细介绍将在第三章中说明。
3各单元模块设计
本设计的整体电路是由单片机系统模块、晶振时钟电路模块、复位电路模块、温度检测系统模块、显示电路模块、报警系统模块、键盘控制模块和电源电路模块组成。
各部分电路共同作用，完成系统的温度检测及显示。
3.1单片机系统电路
MCS-51单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。
因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
常用的时钟电路设计有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种方式为外部时钟方式。
1、内部时钟方式
MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益的反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XATL1，输出端为引脚XTAL2。
这两个引脚跨接石英晶振荡器（简称晶振）和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器，图3.1是MCS-51内部时钟方式的振荡器电路。
图3.1内部时钟方式电路
电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30pF左右。
对外接电容的值虽然没有严格要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。
晶振的振荡频率的范围通常是在1.2MHz～12MHz之间。
晶振的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。
但反过来运行速度快对存储器的速度要求也就相对高，对印制电路板（也称印刷电路板）的工艺要求也高，即要求线间的寄生电容要小；
晶振和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作。
为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性能好的电容。
MCS-51常选择振荡频率6MHz或12MHz的石英晶体。
随着集成电路制造工艺技术的发展，单片机的时钟频率也在逐步提高，现在某些高速单片机芯片的时钟频率已达40MHz。
实际应用中通常采用外接晶振的内部时钟方式，晶振的频率高一些时可以提高指令的执行速度，但相应的功耗和噪声也会增加，在满足系统功能的前提下，应选择低一些的晶振频率。
当系统要与PC机通信时，应选择11.0592MHz的晶振，这样便于将波特率设定为标称值。
2、复位电路
MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现的。
复位是使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态。
单片机的工作就是从复位开始的。
当89C52的RST引脚加高电平复位信号（保持2个以上机器周期）时，单片机内部就执行复位操作。
复位信号变低时，单片机开始执行程序。
复位电路通常采用两种基本形式：
一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位，如图3.2所示。
本系统电路设计中采用的上电与按键复位电路。
图3.2单片机复位电路
上电自动复位是通过外部复位电路的电容来实现的。
当电源接通时只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电位。
当时钟频率选用6MHz时，C取22uF，R取1K。
除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
通常实际运用中大都采用的是按键与上电复位电路，电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。
在单片机运行期间，还可以利用按键完成复位操作。
实际应用中如果单片机断电后，有可能在较短的时间内再次加电，可以在R1上并接一个放电二极管，这样可以有效的提高此种情况下复位的可能性。
3.2温度采集电路
图3.3温度采集电路
温度传感器DS18B20芯片的数据端连接到单片机的P3_4端，向单片机传送温度信号，它的1引脚接地，3引脚和数据端之间接一个电阻后接电源VCC，这样实现对温度的检测。
3.3显示电路
系统采用4个八段数码管对温度进行显示。
4个数码管拼接成4位的LED数码管显示器，它们有公共的段选线（a,b,c,d,e,f,g,dp），每一位数码管有各一个位选线，控制该LED显示位的亮与暗。
具体的显示电路如图3.4所示。
由下图可知，4位LED数码管的段选线是由STC89C52的P0口控制，又因为LED显示段码时至少需要20mA，所以在段选线与单片机引脚之间加上拉电阻驱动数码管的段。
同时，LED显示器的位选线是由PNP三极管来控制，其中三极管充当的是开关作用，它主要是工作在饱和区和截止区。
三极管的基极接到单片机的I/O口，集电极连接数码管的位选端，基极接Vcc。
图3.4显示电路
3.4报警电路
系统设定有一定的温度范围，当系统检测到的温度不在预设的范围时，则需要发出警报，警报系统由PNP三极管和扬声器组成。
虽然扬声器的控制和LED的控制对于单片机是一样的，但是在外围硬件电路上却有所不同，因为扬声器是一个感性负载，一般不建议用单片机的I/O口直接对它进行操作，所以最好加一个驱动三极管，在要求较高的场合还会加上反相保护二极管，在本设计中对扬声器的要求并不高，所以没有加反相的二极管保护，硬件电路原理如图3.5所示。
图3.5报警电路
由上图可知，电路中三极管采用的是PNP型，我们选用常用的低功率三极管9012，如图所示，要让扬声器发出警报只要给单片机的P1.0置电平，三极管集电极正偏，发射极反偏，三极管导通，从而驱动扬声器使其发出警报，在使用时可以给扬声器一定频率的脉冲使其发同一定的频率的警报。
3.5继电器电路
在各种自动控制设备中，都存在一个低压的自动控制电路与高压电气电路的互相连接问题，一方面要使低压的电子电路的控制信号能够控制高压电气电路的执行元件，如电动机、电磁体、电灯等；
另一方面又要为电子线路的电气电路提供良好的电隔离，以保护电子电路和人身的安全，电磁式继电器便能完成这一桥梁作用。
电磁继电器是在输入电路内电流的作用下，由机械部件的相对运动产生预定响应的一种继电器。
它包括直流电磁继电器、交流电磁继电器、磁保持继电器、极化继电器、舌簧继电器，节能功率继电器。
（1）直流电磁继电器：
输入电路中的控制电流为直流的电磁继电器。
（2）交流电磁继电器：
输入电路中的控制电流为交流的电磁继电器。
（3）磁保持继电器：
将磁钢引入磁回路，继电器线圈断电后，继电器的衔铁仍能保持在线圈通电时的状态，具有两个稳定状态。
（4）极化继电器：
状态的改变取决于输入激励量极性的一种直流继电器。
（5）舌簧继电器：
利用密封在管内，具有触点簧片和衔铁磁路双重作用的舌簧的动作来开、闭或转换电路的继电器。
（6）节能功率继电器：
输入电路中的控制电流为交流
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