基于單片機的溫度檢測報警裝置

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. 摘要 隨著時代的進步和發(fā)展，單片機技術(shù)已經(jīng)普及到我們生活、工作、科研、各個領(lǐng)域，已經(jīng)成為一種比較成熟的技術(shù), 本文主要介紹了一個基于89C52單片機的測溫系統(tǒng)，詳細描述了利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20開發(fā)測溫系統(tǒng)的過程，重點對傳感器在單片機下的硬件連接，軟件編程以及各模塊系統(tǒng)流程進行了詳盡分析，對各部分的電路也一一進行了介紹,該系統(tǒng)可以方便的實現(xiàn)實現(xiàn)溫度采集和顯示，并可根據(jù)需要任意設(shè)定上下限報警溫度，它使用起來相當(dāng)方便，具有精度高、量程寬、靈敏度高、體積小、功耗低等優(yōu)點，適合于我們?nèi)粘Ｉ詈凸?、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫度測量，也可以當(dāng)作溫度處理模塊嵌入其它系統(tǒng)中，作為其他主系統(tǒng)的輔助擴展。DS18B20與AT89C52結(jié)合實現(xiàn)最簡溫度檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強，適合于惡劣環(huán)境下進行現(xiàn)場溫度測量，有廣泛的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：溫度測量；DS18B20；AT89C52 目錄 引言 1 1.設(shè)計背景 2 1.1課題背景 2 1.2設(shè)計內(nèi)容 2 2.數(shù)字溫度計系統(tǒng)簡介 3 2.1方案選擇 3 2.2系統(tǒng)設(shè)計原理 4 2.3系統(tǒng)組成 4 3.系統(tǒng)硬件設(shè)計 6 3.1主控制器選擇 6 3.2顯示電路 8 3.3溫度傳感器簡介 8 3.4 DS18B20溫度傳感器與單片機的接口電路 10 3.5 報警電路 3.6時鐘電路與復(fù)位電路 10 3.7系統(tǒng)總體電路圖 11 4.軟件設(shè)計簡介 13 4.1 C語言簡介 13 4.2程序設(shè)計 13 5. 電路仿真 14 5.1Proteus軟件介紹 14 5.2數(shù)字溫度計Ptoteus仿真 16 6. 總結(jié) 17 參考文獻 18 附錄：源程序代碼 19 . 引言 1.設(shè)計背景 1.1課題背景 本次設(shè)計可以應(yīng)用到許多我們用過的軟件設(shè)計，將前面所學(xué)的知識融匯在一起實現(xiàn)溫度監(jiān)測及其報警的功能，來提醒農(nóng)民當(dāng)前大棚內(nèi)溫度是否適合農(nóng)作物的生長。 電子技術(shù)是在十九世紀(jì)末、二十世紀(jì)初開始發(fā)展起來的新興技術(shù)，在二十世紀(jì)發(fā)展最迅速，應(yīng)用最廣泛，成為近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個重要標(biāo)志。 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子技術(shù)在日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，各類轉(zhuǎn)換電路的不斷推出以及電子產(chǎn)品的快速更新，電子技術(shù)已成為世界發(fā)展和人們生活中必不可少的工具。 本次課設(shè)應(yīng)用Protues軟件設(shè)計一個溫度檢測報警系統(tǒng)，用溫度傳感器DS18B20采集大棚內(nèi)的溫度，當(dāng)大棚內(nèi)的溫度高于30℃?；虻陀?5℃。時，電路發(fā)出報警信號并顯示當(dāng)前溫度，達到提醒農(nóng)民的效果。 本次課設(shè)要求設(shè)計一個溫度監(jiān)測報警顯示電路，要求溫度范圍：0℃--99℃；測量誤差為2℃；報警下限溫度為：15℃；報警上限溫度為：30℃。 1.2設(shè)計內(nèi)容 本設(shè)計主要是介紹了單片機控制下的溫度檢測系統(tǒng)，詳細介紹了其硬件和軟件設(shè)計，并對其各功能模塊做了詳細介紹，其主要功能和指標(biāo)如下： (1)利用溫度傳感器（DS18B20）測量某一點環(huán)境溫度; (2)測量范圍為0℃～＋99℃，精度為0.5℃; (3)用LED進行實際溫度值顯示。 2數(shù)字溫度計系統(tǒng)簡介 2.1方案選擇 方案一：基于AT89C52單片機通過讀取溫度傳感器DS18B20 測量溫度后存儲的數(shù)據(jù)，之后送去數(shù)碼管顯示。此方案DS18B20測量溫度范圍為0℃～+99℃，但由于本系統(tǒng)中DS18B20是用于測量水的實時溫度，僅需范圍為0~100℃，所以該系統(tǒng)可以采取這種方式,這種方案接線簡單易行。 方案二：采用51系列單片機作為整機的控制單元 將0-5V模擬電壓信號通過AD0808模數(shù)轉(zhuǎn)換成模擬溫度值0-255℃，然后通過數(shù)碼管顯示其溫度值。這種方式采用了AD0808模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，提高了測溫范圍，但是相比方案一來說，成本有所提高。 本設(shè)計采用第一種方案。直接用AT89C52單片機通過讀取溫度傳感器DS18B20 ,此種方案簡單易行，大大降低了裝置的成本。 2.2系統(tǒng)設(shè)計原理 1.單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計 單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。本次課程設(shè)計中選用AT89C52式單片機，其最小系統(tǒng)主要由電復(fù)位、振蕩電路組成。 。 2.溫度采集電路的設(shè)計 溫度采集電路部分，采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20進行溫度采集。DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3個引腳；溫度側(cè)量范圍為-55℃—+125℃，測量精度為0.5℃；被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出；CPU只需用一個端口線就可以與DS18B20通信。 3.LED顯示報警電路的設(shè)計 LED數(shù)碼管與單片機的P0口相連，單片機將采集到的溫度值轉(zhuǎn)化為與數(shù)碼管對應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過P0口輸出顯示。即信號通過譯碼管的端口a、b、c、d、e、f、g 、dp 端來控制每段譯碼管的亮滅與否，同時通過端口1、2、3、4 四個端口來控制四個譯碼管。在本次設(shè)計中，用集成芯片74HC245驅(qū)動數(shù)碼管。同時當(dāng)采集到的溫度值超過所設(shè)置的范圍時，單片機會輸出一信號，通過三極管放大后驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出報警信號。LED數(shù)碼管報警電路 2.3系統(tǒng)組成 AT89C52單片機 數(shù)字溫度傳感器 報警系統(tǒng) 譯碼顯示電路 3.系統(tǒng)硬件設(shè)計 3.1主控制器選擇 單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。 AT89C52單片機使用12MHZ的晶振最為振蕩源，由于單片機內(nèi)部有振蕩電路，所以外部只要連接一個晶振和兩個電容即可，電容一般在15pF至50pF之間。外部晶振結(jié)合單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機所需的時鐘頻率。AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可為您提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合。 AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程,但不可以在線編程(S系列的才支持在線編程)。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。兼容MCS51指令系統(tǒng)、8k可反復(fù)擦寫(>1000次）Flash ROM、32個雙向I/O口、256x8bit內(nèi)部RAM、3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷。時鐘頻率0-24MHz、2個串行中斷?？删幊蘒ART串行通道、2個外部中斷源 。共6個中斷源 、2個讀寫中斷口線、3級加密位、低功耗空閑和掉電模式 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能。 本次課程設(shè)計中選用AT89C52式單片機，其最小系統(tǒng)主要由電復(fù)位、振蕩電路組成。單片機的最小系統(tǒng)如圖2-3所示。單片機的復(fù)位電路原理是在單片機的復(fù)位引腳RST上電阻和電容，實現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個時鐘周期以上時復(fù)位有效。復(fù)位電路由按鍵復(fù)位和上電復(fù)位兩部分組成，上電復(fù)位是在復(fù)位引腳上連接一個電容到VCC，再連接一個電阻到GND；按鍵復(fù)位是在復(fù)位電容上并聯(lián)一個開關(guān)，當(dāng)開關(guān)按下時電容被放電、RST也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會保持一段時間的高電平來使單片機復(fù)位。 圖2-3 單片機最小系統(tǒng) 3.2顯示電路 LED數(shù)碼管與單片機的P0口相連，單片機將采集到的溫度值轉(zhuǎn)化為與數(shù)碼管對應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過P0口輸出顯示。即信號通過譯碼管的端口a、b、c、d、e、f、g 、dp 端來控制每段譯碼管的亮滅與否，同時通過端口1、2、3、4 四個端口來控制四個譯碼管。在本次設(shè)計中，用集成芯片74HC245驅(qū)動數(shù)碼管。同時當(dāng)采集到的溫度值超過所設(shè)置的范圍時，單片機會輸出一信號，通過三極管放大后驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出報警信號。LED數(shù)碼管報警電路如圖5所示。 3.3溫度傳感器簡介 溫度采集電路部分，采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20進行溫度采集。DS18B20具有3個引腳；溫度側(cè)量范圍為-55℃—+125℃，測量精度為0.5℃；被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出；CPU只需用一個端口線就可以與DS18B20通信。 溫度傳感器是DS18B20的核心部分，該功能部件可完成對溫度的測量通過軟件編程可將-55~125℃范圍內(nèi)的溫度值按9位、10位、11位、12位的分辨率進行量化，以上的分辨率都包括一個符號位，因此對應(yīng)的溫度量化值分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃，即最高分辨率為0.0625℃。芯片出廠時默認為12位的轉(zhuǎn)換精度。當(dāng)接收到溫度轉(zhuǎn)換命令（44H）后，開始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后的溫度以16位帶符號擴展的的二進制補碼形式表示，存儲在高速緩存器RAM的第0，1字節(jié)中，二進制數(shù)的前5位是符號位。如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測得的數(shù)值乘上0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測得的數(shù)值需要取反加1再乘上0.0625即可得到實際溫度。 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如2-4所示。 64位ROM 和 單 線 接 口 存儲和控制邏輯 高速緩存器 溫度傳感器 高溫觸發(fā)器TH 低溫觸發(fā)器TL 匹配寄存器 8位CRC發(fā)生器 電源檢 測 C DQ VDD 內(nèi)部電源VDD 圖2-4 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20的主要性能指標(biāo)如下： 1、適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。 2、獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。 3、DS18B20支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。 4、DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。 5、溫范圍－55℃～＋125℃，在-10～+85℃時精度為0.5℃。 6、可編程分辨率為9～12位，對應(yīng)的可分辨溫度為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實現(xiàn)高精度測溫。 7、在9位分辨率時最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。 8、測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。 9、負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 DS18B20接線圖的電路接線圖如2-5所示： 圖2-5 DS18B20接線圖 3.4 DS18B20溫度傳感器與單片機的接口電路 S18B20接線圖的電路接線圖如2-5所示： 圖2-5 DS18B20接線圖 3.5 報警電路 3.6時鐘電路與復(fù)位電路 3.7系統(tǒng)總體電路圖 4.軟件設(shè)計簡介 4.1 C語言簡介 以前計算機的系統(tǒng)軟件都是有匯編語言編寫，對于單片機系統(tǒng)來說更是如此，由于匯編語言的可讀性和可移植性差，采用匯編語言寫的單片機程序周期長，而且調(diào)試麻煩，為了學(xué)習(xí)和提高，最好使用C語言編程，C語言具有如下優(yōu)點 1語言簡單，使用方便靈活 2可移植性，表達性能強 3可進行結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計 4可直接操作計算機硬件 5生成的目標(biāo)代碼質(zhì)量高 4.2程序設(shè)計 主程序中對單片機做了初始化的設(shè)計，包含溫度的讀取、數(shù)碼管顯示、報警三個子系統(tǒng)，運行時由主程序先調(diào)用DS18B20讀取溫度的子函數(shù)進行溫度采集，再將數(shù)據(jù)送入數(shù)碼管顯示。同時判斷所采集的數(shù)據(jù)是否超出所設(shè)置的溫度范圍。如果超出，調(diào)用報警子系統(tǒng)；未超出，程序自動返回。主程序流程圖如圖6所示。 圖6 主程序流程圖 5. 電路仿真 5.1Proteus軟件介紹 Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。 功能特點 Proteus軟件具有其它EDA工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能是： 1．原理布圖 2．PCB自動或人工布線 3．SPICE電路仿真 革命性的特點 1．互動的電路仿真 用戶甚至可以實時采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。 2．仿真處理器及其外圍電路 可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型 上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設(shè)計開發(fā)環(huán)境. 5.2數(shù)字溫度計Ptoteus仿真 在PROTUES軟件中，連接好電路圖后將在Keil中生成的“溫度監(jiān)測.HEX”程序文件導(dǎo)入單片機中。由于DS18B20系統(tǒng)中設(shè)置的溫度初值為85℃，所以當(dāng)開始仿真時報警器會報警，數(shù)碼管顯示也為85。4至5秒后數(shù)字溫度傳感器會顯示當(dāng)前溫度，數(shù)碼管也相應(yīng)顯示其數(shù)值。在PROTUES軟件仿真中，調(diào)節(jié)DS18B20的左右按鈕可是溫度值對應(yīng)加減，數(shù)碼管會顯示當(dāng)前值。當(dāng)減到15℃以下或加到30℃以上時，報警器會報警。調(diào)節(jié)數(shù)字溫度傳感器DS18B20使其溫度減到14℃，此時報警器報警，數(shù)碼管顯示14。14℃時的電路仿真如圖10所示。 6. 總結(jié) 本次課程設(shè)計是一次綜合性的應(yīng)用，全方位考察了我們對所學(xué)軟件的理解與掌握。通過本學(xué)期對單片機課程和傳感器課程的學(xué)習(xí)我們不但對以前學(xué)過的知識點有了更深一步的掌握，同時還學(xué)到了更多書本中所沒有涉及到的東西。從開始做期末作品后就不斷地去圖書館借書查找相關(guān)資料、上網(wǎng)搜索信息、與同組同學(xué)討論方案。在我們的共同努力下，在本周成功的完成了軟件的設(shè)計。因為實驗室要為電子競賽準(zhǔn)備，所以不能能打印PCB版做出實物，這也是本次作品遺憾的地方。 雖然在設(shè)計的過程中遇到各種各樣的困難，但最終在老師和同學(xué)的幫助下完成了設(shè)計。極大的培養(yǎng)了我們的科研精神，激發(fā)了我們的專業(yè)興趣，積累了實踐經(jīng)驗，為將來的繼續(xù)學(xué)習(xí)和工作打下了基礎(chǔ)。雖然這是我們在期末前的最后一個簡單的課程設(shè)計，但卻讓我們學(xué)到了很多。所以希望學(xué)院能夠多安排一些類似的實踐訓(xùn)練，能讓我們有更多的機會接觸具有現(xiàn)實意義的項目，能接觸更多的硬件，更好的提升自己的實踐能力和綜合能力 參考文獻 [1] 孫涵芳.MCS-51/96系列 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DQ=1;_nop_();_nop_(); DQ=0; delay(50); DQ=1; delay(6); presence=DQ; } delay(45); presence=~DQ; } DQ=1; } void write_byte(uchar val) //DS18B20寫一個字節(jié) { uchar i; for(i=8;i>0;i--) { DQ=1;_nop_();_nop_(); DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); DQ=val&0x01; delay(6); val=val>>1; } DQ=1; _nop_(); } uchar read_byte(void) //DS18B20讀一個字節(jié) { 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); } void read_temp() //從DS18B20讀取溫度值 { uchar ch1,ch2; reset(); write_byte(0xcc); write_byte(0x44); reset(); write_byte(0xcc); write_byte(0xbe); ch1=read_byte(); //DS18B20的溫度數(shù)值是16位的二進制，精度高，最后四位是溫度的小數(shù)部分，最高五位為符號位（即正負溫度） ch2=read_byte(); num=(ch2<<4)|(ch1>>4); //只取溫度值的中間八位，小數(shù)部分舍去，符號位舍去四位。 tempH=num/10; //溫度的十位 tempL=num-tempH*10; //溫度的個位 } void LED_display() //顯示檢測的溫度 { P2=0x0; P2=2; P0=table[tempL]; delay(50); P2=0x0; P2=1; P0=table[tempH]; delay(50); P2=0x0; } void alarm() //報警 { if(setValue_low<=num && setValue_high>=num) beep=1; //在溫度允許范圍，不報警 else beep=~beep; } 參考文獻 [1]孫育才.《單片微型計算機及其應(yīng)用》. 南京：東南大學(xué)出版社.2004 [2]潘新民 王燕芳.《微型計算機控制技術(shù)》. 北京：電子工業(yè)出版社2003 [4]李群芳.《單片機原理及接口技術(shù)》.北京：電子工業(yè)出版社，2008 [5]李光飛.《單片機課程設(shè)計實例指導(dǎo)》.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004 附錄：源程序代碼