《基于AT89C51單片機的測溫系統(tǒng)設(shè)計》6800字

基于AT89C51單片機的測溫系統(tǒng)設(shè)計摘要在科技技術(shù)飛速進步發(fā)展并廣泛得到應(yīng)用的今天，單片機技術(shù)的普及讓它已經(jīng)滲入到我們的日常生活、工作、實驗科研等各個重要的領(lǐng)域之中，可以說是已經(jīng)成為一項近乎成熟的科學(xué)技術(shù)。在人類的日常生活中，有著一種非常常見的并且十分重要的物理量，它就是溫度。甚至在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實驗中，它是一個不可忽視的參數(shù)，一個起到?jīng)Q定性作用的物理量。本文主要介紹并設(shè)計一款基于AT89C51單片機及DS18B20溫度傳感器的可數(shù)字顯示溫度測溫系統(tǒng)，并且可以通過手動設(shè)定溫度值實現(xiàn)實時報警，是一款使用起來十分方便，并且具有測溫進度高、量程范圍寬、體積小、功耗低等諸多優(yōu)點的溫度計，具有廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：單片機；溫度檢測；AT89C51；DS18B20目錄TOC\o"1-3"\h\u14352摘要 38050Abstract 489731緒論 7287171.1課題背景 7126491.2課題研究的目的和意義 888471.3設(shè)計的主要任務(wù) 8257202系統(tǒng)方案 97322.1設(shè)計方案概述 9201672.2設(shè)計方案框架圖 9152213器件功能簡介 10294543.1AT89C51單片機功能簡介 10180583.1.1AT89C51簡介 10173283.1.2引腳分布及功能說明 11292123.2DS18B20數(shù)字溫度傳感器的功能簡介 1238883.2.1DS18B20的簡介 12125763.2.2DS18B20的內(nèi)部與外部結(jié)構(gòu) 12187484系統(tǒng)硬件電路仿真設(shè)計方案 1427684.1溫度傳感器電路設(shè)計 14238824.2顯示電路設(shè)計 14167464.3按鍵電路設(shè)計 15242764.4報警電路設(shè)計 15214774.5單片機電路設(shè)計 16196375軟件編程設(shè)計 17231495.1主程序設(shè)計 1721065.2DS18B20程序設(shè)計 19316545.3顯示程序 20260765.4按鍵報警程序 22268756軟件仿真結(jié)果 24114656.1軟件介紹 246546.1.2keil軟件 24173106.2Proteus仿真結(jié)果 241924結(jié)論 271緒論溫度是一種物理量，通常我們使用它來表征物體及環(huán)境冷熱程度，是一種非常常見的物理量，然而這種看似很普通的物理量在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實驗中起著決定性的作用。在現(xiàn)代科技技術(shù)飛速發(fā)展并且不斷進步的今天，我們對于物理信息數(shù)據(jù)的采集、傳輸、和處理有著無比巨大的需求。本文主要介紹了一款以AT89C51單片機為基礎(chǔ)的可數(shù)字顯示的溫度測量儀器，并具備溫度報警功能和實現(xiàn)按鍵設(shè)置溫度報警范圍功能。而在本次設(shè)計產(chǎn)品中將會使用DS18B20溫度傳感器作為檢測元件,通過數(shù)碼管進行實時溫度顯示記錄并進行自動報警。1.1課題背景時代是不斷向前發(fā)展的，隨著各行各業(yè)的日益壯大，單片機技術(shù)作為工業(yè)生產(chǎn)、日常生活、科學(xué)研究中的重要應(yīng)用技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，并且單片機是一種有著體積小、集成度高、功能強等諸多特點的微型計算機，讓諸多行業(yè)的產(chǎn)品走向了智能化、小型化的道路，民眾的需求帶來了行業(yè)的發(fā)展，行業(yè)的發(fā)展必定會帶來技術(shù)的迅速發(fā)展和革新，單片機技術(shù)在這樣的大環(huán)境下得到了廣泛的開拓和學(xué)習(xí)。人類為了表達自己所感受到的物體的冷熱程度而發(fā)明了“溫度”這一詞語，理論上只要是人能看得見摸得著的物體都具有著一定的溫度，它每時每刻都會出現(xiàn)在我們的周圍給我們帶來對物體的不一樣的體會。溫度作為物體的物理屬性是時刻在影響著我們的，在日常生活中，周圍氣體溫度過高或過低會使我們的身體感到不適；在工業(yè)生產(chǎn)中，過高或過低的氣溫都會給工人帶來風(fēng)險；在科學(xué)實驗中，因為溫度的變化給研究帶來的影響是巨大的。在以前，溫度的測量一般使用溫度計來進行，測量精度受環(huán)境影響比較大，讀數(shù)比較麻煩，但是在現(xiàn)代科技技術(shù)水平的推動下，由單片機和溫度傳感器組裝成的一種簡單的測溫系統(tǒng)，再通過數(shù)碼管顯示的一系列數(shù)字化溫度檢測儀器順應(yīng)時代的響應(yīng)被設(shè)計發(fā)明出來，大幅度地改變了以往傳統(tǒng)溫度計讀數(shù)困難、環(huán)境影響大的眾多缺點。由于近兩年各個國家受到新冠肺炎病毒疫情的影響，數(shù)字溫度計是有著非常大的市場需求的，這些需求在醫(yī)院的主要體現(xiàn)為室內(nèi)溫度測量控制方面，病人身體溫度測量方面，醫(yī)院內(nèi)藥物儲存的合理溫度控制方面，醫(yī)學(xué)研究中高溫低溫病毒細菌活性的影響方面等，在普通家庭等公眾場合的主要體現(xiàn)為體溫測量和室溫控制方面了，而這些低成本、高實用性、多功能、的書準(zhǔn)確且容易的數(shù)字溫度計便具有了強大的競爭力。1.2課題研究的目的和意義本文主要介紹了51系列單片機在采集數(shù)據(jù)、檢測環(huán)境溫度方面中的應(yīng)用。本課題研究的目的在于充分認識AT89C51單片機的引腳功能和特性，學(xué)習(xí)溫度傳感器DS18B20的結(jié)構(gòu)、功能、工作原理。鞏固并加深平時對單片機的應(yīng)用知識，利用現(xiàn)有的知識對設(shè)計產(chǎn)品加以功能拓展，并解決問過程中出現(xiàn)的問題。培養(yǎng)良好的動手操作能力，通過參考文獻，教科書等資料實現(xiàn)系統(tǒng)的編程、運行、仿真，完成課題的研究，提升自己單片機與傳感器方面的知識水平能力。1.3設(shè)計的主要任務(wù)本論文主要設(shè)計研究的任務(wù)是制作一款基于51系列單片機的數(shù)字溫度測量系統(tǒng)，并通過編程實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)采集、顯示、限定溫度報警等功能。而本設(shè)計主要采用的傳感器型號為DS18B20，利用4位數(shù)碼管進行溫度的讀取。主要任務(wù)為：（1）.測試溫度量程的基本范圍。（2）.Led液晶顯示。（3）.可設(shè)定的溫度報警度數(shù)。（4）.蜂鳴器報警提示（5）.觀察并記錄實驗設(shè)計過程（6）.通過研究設(shè)計過程得到結(jié)論并記錄2系統(tǒng)方案2.1設(shè)計方案概述本設(shè)計介紹的數(shù)字溫度計系統(tǒng)計采用了數(shù)字溫度傳感器DS18B20模塊，和傳統(tǒng)的水銀等溫度計相比較，它具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫準(zhǔn)確等諸多優(yōu)點，并設(shè)計使用了自由設(shè)置特定值進行報警的功能。其輸出溫度采用LED數(shù)碼管顯示，主要用于對溫度測量精度需求比較準(zhǔn)確的各種場所。而本設(shè)計的主控制器使用的是51單片機AT89C51，AT89C51單片機在工業(yè)控制、測量、儀器儀表中應(yīng)用范圍十分廣泛。測溫傳感器使用的是DS18B20，溫度傳感器DS18B20是一種高精度數(shù)字式溫度傳感器。在電路系統(tǒng)中它可以直接輸出數(shù)字信號，省去了繁瑣的轉(zhuǎn)換步驟。并且由于它的各項優(yōu)秀特點，使得溫度測量電路變得簡單、精準(zhǔn)。對于溫度數(shù)據(jù)的顯示，則是使用4位共陰極LED數(shù)碼管實現(xiàn)，LED數(shù)碼管有著顯示數(shù)字清晰查看方便的優(yōu)點。報警系統(tǒng)將采用蜂鳴器，以便于實現(xiàn)測量溫度超過設(shè)定的值時的報警功能。2.2設(shè)計方案框架圖溫度計電路設(shè)計總體設(shè)計框圖如圖2-1所示，控制器采用單片機AT89S52，溫度傳感器采用DS18B20，顯示則采用4位LED數(shù)碼管，報警采用蜂鳴器報警，按鍵實現(xiàn)設(shè)定報警溫度。圖2-1溫度計電路總體設(shè)計框圖3器件功能簡介3.1AT89C51單片機功能簡介3.1.1AT89C51簡介AT89C51單片機是由美國公司ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗、高性能的8位CMOS微型計算機，簡稱單片機。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)8051指令系統(tǒng)及引腳。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程的Flash，使得AT89C51為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89C51的特性：（1）4K字節(jié)可編程Flash存儲器（2）可與MCD-51兼容（3）1000次可擦/寫壽命（4）數(shù)據(jù)可保留時間：10年（5）全靜態(tài)工作范圍：0Hz-24MHz（6）128x8字節(jié)內(nèi)部RAM

（7）32個8位可編程I/O線（8）兩個16位定時器計/數(shù)器（9）5個中斷源（10）可編程串行UART通道（11）低功耗閑置和掉電模式3.1.2引腳分布及功能說明AT89C51的引腳排列方式如圖3-1所示。圖3-1AT89C51引腳排列圖AT89C51單片機一共有40個引腳，圖中隱藏了VCC（電源）引腳和GND（接地）。引腳P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口。當(dāng)P0口的引腳第一次寫1時，P0口被定義為高阻輸入，同時，P0口也是地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。P1、P2、P3口都是內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，當(dāng)這三個引腳寫入1時，管腳內(nèi)部上拉，電阻拉高，并都可作為輸入。工作電壓為4.0-5.5V。同時，P3口也可以作為特殊功能口使用例如：P3.0：RXD（串行輸入口）；P3.1：TXD（串行輸出口）；P3.2：(外中斷0)；P3.3：(外中斷1)；P3.4：T0(定時/計數(shù)器0)；P3.5：T1(定時/計數(shù)器1)；P3.6：(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)；P3.7：(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)；RST：復(fù)位端。時鐘電路正常工作時，當(dāng)該端信號連續(xù)兩個機器周期信號以上置為1，則主控芯片進行復(fù)位操作。3.2DS18B20數(shù)字溫度傳感器的功能簡介3.2.1DS18B20的簡介DS18B20溫度傳感器是美國半導(dǎo)體公司DALLAS推出的一款改良型智能溫度傳感器，它對比傳統(tǒng)熱敏電阻有著可直接讀出被測物體溫度的優(yōu)點，并可根據(jù)用戶要求通過簡單編程實現(xiàn)9至12位的讀數(shù)方式。DS18B20具有以下幾點特性：（1）它擁有獨特的單線接口，在與單片機連接時僅僅需要一個端口引腳進行通信操作（2）測溫范圍廣（3）支持多點組網(wǎng)功能（4）溫度測量結(jié)果以9~12位二進制數(shù)字表示（5）工作電源電壓范圍為3.0~5.5V，并且可通過數(shù)據(jù)線通電工作（6）適用于各種狹小的空間3.2.2DS18B20的內(nèi)部與外部結(jié)構(gòu)DS18B20采用3腳TO－92封裝或8腳SO或μSOP封裝，其其封裝形式如圖3-2所示。圖2-2DS18B20的封裝形式DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一共有四個部分，為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及配置寄存器，TH與TL的拷貝是容易丟失的，每次上電復(fù)位時刷新。并且在DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器中，有著一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EEPRAM。且高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。、圖2-3DS18B20的高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，溫度便被A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器，接著單片機可以通過單線接口直接讀出該數(shù)據(jù)，并且單片機在讀數(shù)據(jù)時低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625℃／LSB形式表示。當(dāng)符號位s＝0時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當(dāng)符號位s＝1時，表示測得的溫度值為負值，這時需要先將補碼變成原碼，再計算十進制數(shù)值。輸出的二進制數(shù)的高5位是符號位，最后4位是溫度小數(shù)點位，中間7位是溫度整數(shù)位。表2-2是部分溫度值對應(yīng)的二進制溫度數(shù)據(jù)。表2-2DS18B20輸出的溫度值溫度值二進制輸出十六進制輸出+125℃000001111101000007D0h+85℃00000101010100000550h+25.0625℃00000001100100010191h+10.125℃000000001010001000A2h+0.5℃00000000000010000008h0℃00000000000000000000h-0.5℃1111111111111000FFF8h-10.125℃1111111101011110FF5Eh-25.0625℃1111111001101111FF6Fh-55℃1111110010010000FC90h當(dāng)DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就會將測試得到的溫度值與RAM中的TH、TL字節(jié)內(nèi)容做比較，當(dāng)T<TL或者T>TH時，則為報警標(biāo)志位置，并對主機發(fā)出報警命令使主機做出響應(yīng)。4系統(tǒng)硬件電路仿真設(shè)計方案4.1溫度傳感器電路設(shè)計DS18B20溫度傳感器是單總線器件與單片機的接口電路，采用電源供電方式。電源供電方式如圖4-1所示，此時DS18B20的引腳1接地，引腳2為信號線接通芯片，引腳3與電源連接。圖4-1DS18B20電源供電方式4.2顯示電路設(shè)計顯示電路是由四位的共陰數(shù)碼管進行顯示讀數(shù)的，設(shè)計圖如圖4-2所示。圖4-2顯示電路設(shè)計圖4.3按鍵電路設(shè)計按鍵電路的設(shè)計采用四個按鍵k1、k2、k3以及一個消音用按鍵來實現(xiàn)調(diào)節(jié)設(shè)定報警溫度的上下限，并且可查看上下限報警溫度的功能。電路設(shè)計圖如圖4-3所示。圖4-3按鍵電路設(shè)計圖4.4報警電路設(shè)計報警電路是用于測量溫度大于上限或小于下限時提供報警功能的電路。該電路是由蜂鳴器和紅色的發(fā)光二極管組成，電路如圖4-4所示。圖2-9報警電路設(shè)計圖4.5單片機電路設(shè)計單片機電路是由晶振電路，上電復(fù)位、按鍵復(fù)位電路組成。設(shè)計圖如圖4-5所示。圖4-5單片機系統(tǒng)設(shè)計圖5軟件編程設(shè)計本章節(jié)描述了溫度測量儀器的軟件編程和功能實現(xiàn)5.1主程序設(shè)計系統(tǒng)接上電源以后單片機程序開始初始化，之后進入循環(huán)，讀取溫度報警的量程，主控芯片給DS18B20信號，開始讀取溫度并判斷溫度是否在設(shè)定范圍內(nèi)，是的話將輸入的溫度值經(jīng)過轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，轉(zhuǎn)換結(jié)束后將其存入到主控芯片的內(nèi)存中。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理調(diào)用顯示函數(shù)將其顯示在顯示器上。同時循環(huán)這個過程；如果輸入溫度值不在溫度設(shè)定范圍內(nèi)，大于或小于設(shè)定溫度值時報警，蜂鳴器響應(yīng)。系統(tǒng)主流程圖如圖5-1所示。圖5-1主程序流程圖主程序代碼**************************/#include<AT89C51.h> #include<intrins.h> #defineuintunsignedint #defineucharunsignedchar ucharmax=0x00,min=0x00; //max是上限報警溫度，min是下限報警溫度bits=0; //s是調(diào)整上下限溫度時溫度閃爍的標(biāo)志位，s=0不顯示200ms，s=1顯示1s左右bits1=0; //s1標(biāo)志位用于上下限查看時的顯示voiddisplay1(uintz); #include"ds18b20.h" #include"keyscan.h" #include"display.h" /*************主函數(shù)************/voidmain(){beer=1; //關(guān)閉蜂鳴器 led=1; //關(guān)閉LED燈 timer1_init(0); //初始化定時器1（未啟動定時器1） get_temperature(1); //首次啟動DS18B20獲取溫度 while(1) { keyscan(); //按鍵掃描函數(shù) get_temperature(0); //獲取溫度函數(shù) keyscan(); //按鍵掃描函數(shù) display(temp,temp_d*0.625);//顯示函數(shù) alarm(); //報警函數(shù) keyscan(); //按鍵掃描函數(shù) }}5.2DS18B20程序設(shè)計DS18B20獲取電源后進行初始化，收到溫度數(shù)值轉(zhuǎn)化命令后，對溫度進行讀取，而后對將溫度數(shù)據(jù)進行處理，將溫度值轉(zhuǎn)化為數(shù)字值并顯示。最后對已儲存的數(shù)值進行判斷，判斷其是否處于設(shè)定的溫度值之間，如超出最高值或低于溫度最低值范圍便報警處理。如圖5-2所示。圖5-2DS18B20程序流程圖詳細DS18B20程序代碼見附錄。5.3顯示程序顯示電路是由四位一體的共陰極數(shù)碼管來實現(xiàn)的。由于單片機的I/O口有限，所以將采用動態(tài)掃描數(shù)碼管的方式來進行顯示。程序流程圖如圖5-3所示。圖5-3顯示程序流程圖顯示程序代碼/***********顯示程序主函數(shù)*************/voiddisplay(uchart,uchart_d) //用于實測溫度、上限溫度的顯示{uchari;for(i=0;i<4;i++) //依次從左至右選通數(shù)碼管顯示，實現(xiàn)動態(tài)顯示{ switch(i) { case0: //選通第一個數(shù)碼管 if(a==0){selsct_1(f,t);}//若a=0則在第一個數(shù)碼管上顯示測量溫度的百位或‘-’ if(a==1) { P0=temperature3[3];//若a=1則在第一個數(shù)碼管上顯示‘H’ } if(a==2) { P0=temperature3[4];//若a=2則在第一個數(shù)碼管上顯示‘L’ } wei2=0; //關(guān)第二個數(shù)碼管 wei3=0; //關(guān)第三個數(shù)碼管 wei4=0; //關(guān)第四個數(shù)碼管 wei1=1; //開第一個數(shù)碼管 break; case1: //選通第二個數(shù)碼管 if(a==0){selsct_2(f,t);}//若a=0則在第二個數(shù)碼管上顯示測量溫度的十位或‘-’ if(a==1) //若a=1則在第二個數(shù)碼管上顯示上限報警溫度的百位或‘-’ { if(s==0)selsct_1(f_max,max);//若s=0則顯示第二個數(shù)碼管，否則不顯示 elseP0=temperature3[0]; //通過s標(biāo)志位的變化實現(xiàn)調(diào)節(jié)上下限報警溫度時數(shù)碼管的閃爍 if(s1==1)selsct_1(f_max,max);//若s1=1則顯示第二個數(shù)碼管（s1標(biāo)志位用于上下限查看時的顯示） } if(a==2) //若a=2則在第二個數(shù)碼管上顯示下限報警溫度的百位或‘-’ { if(s==0)selsct_1(f_min,min); elseP0=temperature3[0]; if(s1==1)selsct_1(f_min,min); } wei1=0;wei3=0;wei4=0;wei2=1;break; case2: //選通第三個數(shù)碼管 if(a==0){P0=temperature2[t%10];}//若a=0則在第三個數(shù)碼管上顯示測量溫度的個位 if(a==1) //若a=1則在第三個數(shù)碼管上顯示上限報警溫度的十位或‘-’ { if(s==0)selsct_2(f_max,max);//若s=0則顯示第三個數(shù)碼管，否則不顯示 elseP0=temperature3[0]; if(s1==1)selsct_2(f_max,max);//若s1=1則顯示第三個數(shù)碼管 } if(a==2) //若a=2則在第三個數(shù)碼管上顯示下限報警溫度的十位或‘-’ { if(s==0)selsct_2(f_min,min); elseP0=temperature3[0]; if(s1==1)selsct_2(f_min,min); } wei1=0;wei2=0;wei4=0; wei3=1; break; case3: //選通第四個數(shù)碼管 if(a==0){P0=temperature1[t_d];}//若a=0則在第四個數(shù)碼管上顯示測量溫度的小數(shù)位 if(a==1) //若a=1則在第四個數(shù)碼管上顯示上限報警溫度的個位 { if(s==0)P0=temperature1[max%10];//若s=0則顯示第四個數(shù)碼管，否則不顯示 elseP0=temperature3[0]; if(s1==1)P0=temperature1[max%10];//若s1=1則顯示第四個數(shù)碼管 } if(a==2) //若a=2則在第四個數(shù)碼管上顯示下限報警溫度的個位 { if(s==0)P0=temperature1[min%10]; elseP0=temperature3[0]; if(s1==1)P0=temperature1[min%10]; } wei1=0;wei2=0; wei3=0;wei4=1;break; } display_delay(3); //每個數(shù)碼管顯示3ms左右 }}5.4按鍵報警程序按鍵報警程序的設(shè)定以三個按鍵k1，k2，k3實現(xiàn)上下限報警溫度。按下k1進入上下限調(diào)節(jié)模式，再次按下k2進入下限調(diào)節(jié)模式。在正常模式下，首次按下k2進入查看上限溫度模式，顯示1s左右自動退出；首次按下k3進入查看下限溫度模式，顯示1s左右自動退出；首次按下K4消除按鍵音，再次按下啟動按鍵音。在調(diào)具體流程圖如5-4所示。圖5-4按鍵程序流程圖按鍵程序源代碼見附錄6軟件仿真結(jié)果本章節(jié)主要介紹了對于已經(jīng)寫好的代碼進行軟件整體編譯，并且對編譯完成的代碼實現(xiàn)軟件仿真。6.1軟件介紹本設(shè)計中索引用到的兩種軟件工具為仿真軟件Proteus軟件以及軟件編寫程序Keil軟件，本章將對兩個在研究設(shè)計中最廣泛使用的軟件進行簡單的介紹。6.1.1Proteus軟件Proteus軟件是由英國公司LabCenterElectronics公司出版的一款使用范圍最廣的仿真工具軟件之一。它具有強大的EDA仿真功能，并可以對單片機及其外圍的器件進行仿真。同時它在編譯方面支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器，軟件仿真測試效果幾乎和實物產(chǎn)品測試效果相同，是一款功能強大的仿真軟件。6.1.2keil軟件