基于单片机设计的温度报警系统

1 单片机设计的温度报警器单片机设计的温度报警器 2 摘要2 1、引言3 2 设计内容及性能指标4 3 系统方案比较、设计与论证4 3.1 主控制器模块5 3.2 温度测量5 3.3 设置温度6 3.3 显示模块6 3.4 电源选取7 4 系统器件选择7 5 硬件实现及单元电路设计8 5.1 主控制模块8 5.2 显示模块电路9 5.3 数码管显示驱动电路10 图 6 驱动电路.10 5.4 温度传感器(DS18B20)电路10 5.4.1 DS18B20 基本介绍.10 5.4.2 DS18B20 控制方法.11 5.4.3 DS18B20 供电方式.11 5.6 蜂鸣器、发光二极管报警电路12 6 系统软件设计13 6.1 程序结构分析13 6.2 系统程序流图13 6.2.1 DS18B20 初始化程序流程图.14 6.2.2 读温度子程序流程图15 7 系统的安装与调试15 7.1 安装步骤15 7.2 电路的调试16 7.3 本章小结16 结 论16 参考文献16 附录 1 整体电路原理图.17 附录 2 部分源程序.18 3 摘要摘要 随着时代的进步和发展，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, 本文主要介绍了一个基于 STC89C52 单片机的温度报警系统，详细描述了利用温度传感器 DS18B20 开发测温系统的 过程，重点对传感器在单片机下的硬件连接，软件编程以及各模块系统流程进 行了详尽分析，对各部分的电路也一一进行了介绍,该系统可以方便的实现温度 采集和显示，并可根据需要任意设定报警温度，它使用起来相当方便，具有精 度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点，适合于我们日常生活和工、 农业生产中的温度控制，也可以当作温度处理模块嵌入其它系统中，作为其他 主系统的辅助扩展。DS18B20 与 STC89C52 结合实现最简温度控制系统，该系统 结构简单，抗干扰能力强，适合于恶劣环境下进行现场温度的控制，有广泛的 应用前景。 关键词：关键词：单片机；温度控制；STC89C52；DS18B20； 4 1 1、引言、引言 随着科技的不断发展，现代社会对各种信息参数的准确度和精确度的要求 都有了几何级的增长，而如何准确而又迅速的获得这些参数就需要受制于现代 信息基础的发展水平。在三大信息信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技 术)和信息处理(计算机技术)中，传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是 温度传感器技术，在我国各领域已经引用的非常广泛，可以说是渗透到社会的 每一个领域，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时 测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和温 度报警装置具有重要的意义。 测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段： 传统的分立式温度传感器 模拟集成温度传感器 智能集成温度传感器。 目前的智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在 20 世纪 90 年代中期问世的， 它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶，特点是能输出温度 数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)。社会的发展使人们对传感 器的要求也越来越高，现在的温度传感器正在基于单片机的基础上从模拟式向 数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展，并朝着高精度、多功能、 总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测 温系统等高科技的方向迅速发展，本文将介绍智能集成温度传感器 DS18B20 的 结构特征及控制方法，并对以此传感器，STC89C52 单片机为控制器构成的数字 温度控制装置的工作原理及程序设计作了详细的介绍。其具有读数方便，方便 控制，输出温度采用数字显示，主要用于对温度控制要求比较准确的场所，或 科研实验室使用。该设计控制器使用 STC89C52 单片机，测温传感器使用 DALLAS 公司 DS18B20，用数码管来实现温度显示。 5 2 设计内容及性能指标 本设计主要是介绍了单片机控制下的温度报警系统，详细介绍了其硬件和 软件设计，并对其各功能模块做了详细介绍，其主要功能和指标如下： 单片机实时检测温度传感器 DS18B20 的状态，并将 DS18820 得到的数据进行处 理。上电后数码管显示当前的环境温度，通过按键可设置高低温报警值，当检 测到的温度高于设置的报警值的时候，蜂鸣器报警同时报警灯闪烁，温度检测 精确到 0.1 度。并具有掉电保存功能，数据保存在单片机内部 EEPOM 中，进入 设置界面后如果没有键按下系统会在 15 秒后自动退出设置界面。 3 系统方案比较、设计与论证 该系统主要由温度测量和温度设置及系统状态显示三部分电路组成，下面 介绍实现此系统功能的方案。 3.1 主控制器模块 方案方案 1 1： 采用可编程逻辑器件 CPLD 作为控制器。CPLD 可以实现各种复杂的逻辑功 能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO 资源丰富、易于进行功能扩展。 采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统 的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不 是非常高。且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。 方案方案 2 2： 采用 STC89C52 单片机作为整个系统的核心，用其控制温度报警功能，以实 现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现温度的自动显示 并报警功能，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势控制简单、方便、 快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能 及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。STC89C52 单片机具有功能强大的位操 作指令，I/O 口均可按位寻址，程序空间多达 8K，对于本设计也绰绰有余，更 6 可贵的是 STC89C52 单片机价格非常低廉。 3.2 温度测量 方案方案 1 1： 采用数字温度芯片 DS18B20 测量实际温度，输出信号全数字化。便于单片 机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性 很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。在 0100 摄氏度时，最 大线形偏差小于 1 摄氏度。DS18B20 的最大特点之一采用了单总线的数据传输， 由数字温度计 DS18B20 和微控制器 STC89C52 构成的温度测量装置,它直接输出 温度的数字信号,可直接与计算机连接。这样,测温系统的结构就比较简单,体积 也不大。采用 51 单片机控制，软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各 样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便。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 STC89C52 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。 方案方案 2:2: 采用热电偶温差电路测温，温度检测部分可以使用低温热偶，热电偶由两 个焊接在一起的异金属导线所组成（如下图） ，热电偶产生的热电势由两种金属 的接触电势和单一导体的温差电势组成。通过将参考结点保持在已知温度并测 量该电压，便可推断出检测结点的温度。数据采集部分则使用带有 A/D 通道的 单片机，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行 A/D 转换后，就可 以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来。热 电偶的优点是工作温度范围非常宽，且体积小，但是它们也存在着输出电压小、 容易遭受来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺点，并且这种设计需要用 到 A/D 转换电路，感温电路比较麻烦。 图 1 热电偶电路图 7 从以上两种方案，容易看出方案二的测温装置可测温度范围宽、体积小，但是 线性误差较大。方案一的测温装置电路简单、精确度较高、实现方便、软件设 计也比较简单，故本次设计采用了方案一。 3.3 设置温度 方案方案 1 1： 采用键盘输入设置温度，键盘则可以用 4 个按键，一个复位键，一个功能 设定键，一个加减一个减键。四个键比较常用，而且用到的接口得到了极好的 利用，仅需要 4 个接口。 方案方案 2:2: 可采用 4*4 矩阵键盘，该键盘需要 8 个接口，而我们不需这么多键。 综上所述，我们选择第一种方案。 3.3 显示模块 方案方案 1 1： 用数码管进行显示。数码管由于显示速度快，使用简单，显示效果简洁明 了而得到了广泛应用。 方案方案 2 2： 用 LCD 液晶进行显示。LCD 由于其显示清晰，显示内容丰富、清晰，显示 信息量大，使用方便，显示快速而得到了广泛的应用。单对于此系统我们不需 要显示丰富的内容，而且 LCD 液晶价格贵，因此我们选择了此方案。 综上所述我们选择方案 1 3.4 电源选取 由于本系统采用电池供电，我们考虑了如下几种方案为系统供电。 方案方案 1 1： 采用 5V 蓄电池为系统供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电 压输出性能。但是蓄电池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便。 因此我们放弃了此方案。 方案方案 2 2： 采用 3 节 1.5 V 干电池共 4.5V 做电源，经过实验验证系统工作时，单片机、 传感器的工作电压稳定能够满足系统的要求，而且电池更换方便。 综上所述采用方案 2 8 4 系统器件选择 1.温度传感器的选择 由于传统的热敏电阻等测温元件测出的一般都是电压，再转换成对应的温 度，需要比较多的外部元件支持，且硬件电路复杂，制作成本相对较高。这里 采用 DALLAS 公司的数字温度传感器 DS18B20 作为测温元件。 图 2 外部封装形式 图 3 传感器电路图 9 5 硬件实现及单元电路设计硬件实现及单元电路设计 5.1 主控制模块 主控制最系统电路如图 4 所示。 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 RST 9 (RXD)P3.0 10 (TXD)P3.1 11 (INT0)P3.2 12 (INT1)P3.3 13 (T0)P3.4 14 (T1)P3.5 15 (WR)P3.6 16 (RD)P3.7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN 29 ALE/PROG 30 EA/VPP 31 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 VCC 40 U1 U1 Y1 12M C20.1uF C30.1uF VCC GND R11 10K C110uF VCC 1 2 3 4 J1 VCC S1 R1100 R3100 R4100 R5100 R6100 R7100 R8100 R9100 A B C D E F G DP R151K R141K R131K R121K S2S3S4 GND P24 P25 P34 P35 P36 P37 图 4 单片主控电路 5.25.2 显示模块电路显示模块电路 显示采用四位数码管显示，当位选打开时，送入相应的段码，则相应的数 码管打开，关掉位选，打开另一个位选，送入相应的段码，则数码管打开，而 每次打开关掉相应的位选时，时间间隔低于 20ms，从人类视觉的角度上看，就 仿佛是全部数码管同时显示的一样。显示电路如图 5 10 图 5 数码管显示 5.3 数码管显示驱动电路 三极管 8550 来驱动 4 位数码管，不仅简单，而且价格便宜。 图 6 驱动电路 11 5.4 温度传感器(DS18B20)电路 5.4.15.4.1 DS18B20DS18B20 基本介绍基本介绍 DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的 温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器 等优点，可直接将温度转化成串行数字信号处理器处理。 DS18B20 进行精确的温度转换，I/O 线必须保证在温度转换期间提供足够的 能量，由于每个 DS18B20 在温度转换期间工作电流达到 1mA，当几个温度传感 器挂在同一根 I/O 线上进行多点测温时，只靠 4.7K 上拉电阻就无法提供足够的 能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。 因此，下图电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不适宜采用电 池供电系统中。并且工作电源 VCC 必须保证在 5V，当电源电压下降时，寄生电 源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。 图 7 温度传感器电路引脚图 5.4.25.4.2 DS18B20DS18B20 控制方法控制方法 DS18B20 有六条控制命令： 温度转换 44H 启动 DS18B20 进行温度转换 读暂存器 BEH 读暂存器 9 个字节内容 写暂存器 4EH 将数据写入暂存器的 TH、TL 字节 复制暂存器 48H 把暂存器的 TH、TL 字节写到 E2RAM 中 12 重新调 E2RAM B8H 把 E2RAM 中的 TH、TL 字节写到暂存器 TH、TL 字节 读电源供电方式 B4H 启动 DS18B20 发送电源供电方式的信号给主 CPU 5.4.35.4.3 DS18B20DS18B20 供电方式供电方式 DS18B20 可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时 DS18B20 的 1 脚接地，2 脚作为信号线，3 脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图 3.1 所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的 DS18B20 时钟周期内提供足 够的电流，可用一个三极管来完成对总线的上拉。本设计采用电源供电方式， P2.2 口接单线总线为保证在有效的 DS18B20 时钟周期内提供足够的电流，可用 一个上拉电阻和 STC89C52 的 P2.2 来完成对总线的上拉。当 DS18B20 处于写存 储器操作和温度 A/D 变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大 为 10 s。采用寄生电源供电方式是 VDD 和 GND 端均接地。由于单线制只有一 根线，因此发送接收口必须是三状态的。主机控制 DS18B20 完成温度转换必须 经过 3 个步骤： 初始化。 ROM 操作指令。 存储器操作指令。 5.65.6 蜂鸣器、发光二极管报警电路蜂鸣器、发光二极管报警电路 电路如图 8 主要是用来设定温度报警温度的、有高温和低温报警。 13 图 8 蜂鸣器、发光二极管驱动引脚图 6 6 系统软件设计系统软件设计 6.1 程序结构分析 主程序调用了3 个子程序，分别是数码管显示程序、温度信号处理程序、 按键设定报警温度程序。温度信号处理程序：对温度芯片送过来的数据进行处 理，进行判断和显示。数码管显示程序：向数码管的显示送数，控制系统的显 示部分。按键设定程序：可以设定低温和高温报警可精确到0.1 度。 14 6.2 系统程序流图 主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20 的测量的当 前温度值，温度测量每1s 进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度， 主程序的主要功能是负责温度的实时显示，读出并处理 DS18B20 的当前温度值， 与设定的报警温度比较，其程序流程见图9 所示。 通过调用读温度子程序把存入内存储中的整数部分与小数部分开分存放在 不的的两个单元中，然后通过调用显示子程序显示出来。 15 图 9 DS18B20 温度流程图 6.2.1 DS1 发复位命令 发跳过 ROM 命令 初始化成功 结束 8B20初始化程序流程图 在 DS18B20 工作之前需要进行初始化，流程图如下： 调用显示子程序 初始化 1s 到？ 初次上电 发温度转换开始命令 读出温度值 温度计算处理 显示数据刷新 16 图10 初始化程序流程图 6.2.2 读温度子程序流程图 读温度子程序的主要功能是从DS18B20中读出温度数据，移入温度暂存器保 存。其程序流程图如下： 发复位命令 发跳过 ROM 命令 发读取温度命令 移入温度暂存器 结束 图11 温度子程序流程图 7 系统的安装与调试 7.17.1 安装步骤安装步骤 1.检查元件的好坏 按电路图买好元件后首先检查买回元件的好坏，按各元件的检测方法分别 进行检测，一定要仔细认真。而且要认真核对原理图是否一致，在检查好后才 可上件、焊件，防止出现错误焊件后不便改正。 2.放置、焊接各元件 按原理图的位置放置各元件，在放置过程中要先放置、焊接较低的元件， 后焊较高的和要求较高的元件。特别是容易损坏的元件要后焊，在焊集成芯片 时连续焊接时间不要超过 10s，注意芯片的安装方向。 7.27.2 电路的调试电路的调试 17 首先烧入显示程序，看显示正不正常。在调试程序时，发现有的指令用的 不正确，导致电路功能不能完全实现，另外软件程序中的延时有的过长、有的 过短。类似的现象还有很多就不一一列举了。 7.37.3 本章小结本章小结 本章的主要内容是电路的测试和调试注意事项 结 论 本温度报警器，通过单片机实时检测温度传感器 DS18B20的状态，并将 DS18820 得到的数据进行处理。上电后数码管显示当前的环境温度，通过按键可设置高 低温报警值，当检测到的温度高于设置的报警值的时候，蜂鸣器报警同时报警 灯闪烁，温度检测精确到0.1度。并具有掉电保存功能，数据保存在单片机内部 EEPOM 中，进入设置界面后如果没有键按下系统会在15秒后自动退出设置界面。 由于采用了4节干电池供电使系统的抗干扰性得到加强。在软件上，充分利用了 STC89C52的系统资源，系统运行流畅。 本设计结构简单，调试方便，系统反映快速灵活，经实验测试，该温度报 警系统设计方案正确、可行，各项指标稳定、可靠。 参考文献 1 曹巧媛主编. 单片机原理及应用(第二版). 北京:电子工业出版社,2002 2 全国大学生电子设计竞赛组委会编.第五届全国大学生电子设计竞赛获奖作品 选编(2001), 北京:北京理工大学出版社，2003 3 何力民编. 单片机高级教程. 北京:北京航空大学出版社,2000 4 金发庆等编. 传感器技术与应用.北京机械工业出版社,2002 5 刘坤、宋戈、赵洪波、张宪栋编51 单片机 C 语言应用开发技术大全，北京： 人民邮电出版社，2008 6 谭浩强著C 程序设计北京：清华大学出版社，2007； 7 王忠飞，胥芳MCS-51 单片机原理及嵌入式系统应用M西安：西安电子 科技大学出版社，2007P268-273 8 Peter Van Der Linden 著，徐波译.C 专家编程，人民邮电出版社，2003 18 附录 1 整体电路原理图 19 附录 2 部分源程序 #include #include “eepom52.h“ #define uchar unsigned char #define uint unsigned int /数码管段选定义 0 1 2 3 4 56 7 8 9 uchar code smg_du=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90, 0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xff; /断码 /数码管位选定义 uchar code smg_we=0xef,0xdf,0xbf,0x7f; uchar dis_smg8 = 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8; uchar smg_i = 3; /显示数码管的个位数 sbit dq = P24;/18b20 IO 口的定义 sbit beep = P25; /蜂鸣器 IO 口定义 uchar a_a; uint temperature ; / bit flag_300ms ; uchar key_can; /按键值的变量 uchar menu_1; /菜单设计的变量 uint t_high = 300,t_low = 100; bit flag_lj_en; /按键连加使能 bit flag_lj_3_en; /按键连 3 次连加后使能 加的数就越大了 uchar key_time,flag_value; /用做连加的中间变量 bit key_500ms ; uchar flag_clock; uchar zd_break_en,zd_break_value; /自动退出设置界面 20 /*1ms 延时函数*/ void delay_1ms(uint q) uint i,j; for(i=0;i= 1; /*读取 18b20 内的数据*/ uchar read_18b20() uchar i,value; 22 for(i=0;i= 1; /读数据是低位开始 dq = 1; /释放总线 if(dq = 1) /开始读写数据 value |= 0x80; delay_uint(5); /60us读一个时间隙最少要保持 60us 的时间 return value; /返回数据 /*读取温度的值 读出来的是小数*/ uint read_temp() uint value; uchar low; /在读取温度的时候如果中断的太频繁了，就应该把中断给 关了，否则会影响到 18b20 的时序 init_18b20(); /初始化 18b20 write_18b20(0xcc); /跳过 64 位 ROM write_18b20(0x44); /启动一次温度转换命令 delay_uint(50); /500us init_18b20(); /初始化 18b20 write_18b20(0xcc); /跳过 64 位 ROM write_18b20(0xbe); /发出读取暂存器命令 EA = 0; low = read_18b20(); /读温度低字节 value = read_18b20(); /读温度高字节 EA = 1; value = 10) write_eepom(); key_value = 0; key_new = 1; flag_lj_en = 0;/关闭连加使能 flag_lj_3_en = 0;/关闭 3 秒后使能 flag_value = 0;/清零 else if(P2 /按键按下的时候 else key_value = 0; if(key_value = 7) key_value = 0; key_new = 0; flag_lj_en = 1; /连加使能 zd_break_en = 1; /自动退出设置界使能 zd_break_value = 0; /自动退出设置界变量清零 key_can = 20; if(key_500ms = 1) key_500ms = 0; zd_break_en = 1; /自动退出设置界使能 zd_break_value = 0; /自动退出设置界变量清零 24 key_new = 0; key_old = 1; if(key_new = 0) break; /得到 k1 键值 case 0x0d: key_can = 3; break; /得到 k2 键值 case 0x0b: key_can = 2; break; /得到 k3 键值 case 0x07: key_can = 1; break; /得到 k4 键值 key_old = key_new; /*按键处理数码管显示函数*/ void key_with() if(key_can = 4) menu_1 +; if(menu_1 = 3) menu_1 = 0; if(menu_1 = 0) dis_smg0 = smg_dutemperature % 10; /取温度的小数显示 dis_smg1 = smg_dutemperature / 10 % 10 /取温度的个位显示 dis_smg2 = smg_dutemperature / 100 % 10 ; /取温度的十位显示 smg_i = 3; if(menu_1 = 1) dis_smg0 = smg_dut_high % 10; /取小数显示 dis_smg1 = smg_dut_high / 10 % 10 /取个位显示 dis_smg2 = smg_dut_high / 100 % 10 ; /取 low 十位显示 dis_smg3 = 0x89; smg_i = 4; if(menu_1 = 2) dis_smg0 = smg_dut_low % 10; /取 low 小数显示 25 dis_smg1 = smg_dut_low / 10 % 10 /取个位显示 dis_smg2 = smg_dut_low / 100 % 10 ; /取十位显示 dis_smg3 = 0xc7; smg_i = 4; if(menu_1 = 1)/设置高温报警 if(key_can = 3) if(flag_lj_3_en = 0) t_high + ;/按键按下未松开自动加三次 else t_high += 10; /按键按下未松开自动加三次之后每次自动加 10 if(t_high 990) t_high = 990; dis_smg0 = smg_dut_high % 10; /取小数显示 dis_smg1 = smg_dut_high / 10 % 10 /取个位显示 dis_smg2 = smg_dut_high / 100 % 10 ; /取十位显示 dis_smg3 = 0x89; /H if(key_can = 1) if(flag_lj_3_en = 0) t_high - ;/按键按下