基于89C51温度报警器的设计Word格式文档下载.doc

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参考文献 20

附录系统原理图 21

1.概述

1.1研究背景

温度是一个十分重要的物理量，对它的测量与控制有十分重要的意义。

随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高，人们也迫切需要检测与控制温度。

温度控制电路在工农业生产中有着广泛的应用。

日常生活中也可以见到，如电冰箱的自动制冷，空调器的自动控制等等。

1.2发展方向

现代信息技术的三大基础是信息采集控制（即传感器技术）、信息传输（通信技术）和信息处理（计算机技术）。

温度控制器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度控制器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量日渐上升。

进入21世纪后，温度控制器正朝着智能化、高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟温度控制器和网络温度控制器、研制单片测温控温系统等高科技的方向迅速发展。

在20世纪90年代中期最早推出的智能温度控制器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到2℃。

目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9～12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5～0.0625℃。

为了提高多通道智能温控器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。

新型温度控制器的测试功能也在不断增强。

另外，温度控制器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。

单片机系统是21世纪一项高新科技产品。

它是在芯片上集成一个系统或子系统，其集成度将高达108～109元件/片，这将给IC产业及IC应用带来划时代的进步。

目前，国际上一些著名的IC厂家已开始研制单片机测温系统，所以单片机控制下的温度控制器具有很好的发展空间。

随着电子技术的发展，特别是大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么单片机技术的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。

目前，单片机在工业控制系统诸多领域得到了极为广泛的应用。

特别是其中的C51系列单片机的出现，由于它具有极好的稳定性，更快和更准确的运算精度。

以往，在实际测控系统中，多采用热敏电阻器或热电偶测量温度。

这种温度采集电路有时需要冷端补偿电路，这样就增加了电路的复杂性；

而且电路易受干扰，使采集到的数据不准确。

把单片机应用于温度控制中，采用单片机做主控单元，无触点控制，可完成对温度的采集和控制的要求。

可以应用到电子仪表、家用电器和节能装置等诸多领域，使产品小型化、智能化、多功能化。

1.3设计思想及基本功能

本设计采用AT89C51单片机为主控制器、晶振电路、4*4矩阵键盘和DS18B20、LED数码管组成一个系统。

以实现对环境温度的实时检测（报警温度可以设置上下限）当温度高于或低于预设温度时可通过蜂鸣器进行报警。

2．总体方案设计

2.1方案选取

2.1.1方案一

由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，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，这种设计需要用到 

转换电路，其中还涉及到电阻与温度的对应值的计算，感温电路比较麻烦。

而且在对采集的信号进行放大时容易受温度的影响出现较大的偏差。

2.1.2 

方案二

进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器 

DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，电路简单，精度高，软硬件都以实现，而且使用单片机的接口便于系统的再扩展，满足设计要求。

从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，费用较低，可靠性高，软件设计也比较简单，故采用了方案二。

2.2系统框图

2.3总体方案选取

温度计电路设计总体设计方框图如图 

所示，控制器采用单片机AT89C51，温度传感器采用 

DS18B20，用 

4位 

LED 

数码管以串口传送数据实现温度显示。

3.硬件电路

3.1晶振电路

电路中的晶振即石英晶体震荡器。

由于石英晶体震荡器具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰的能力，所以，石英晶体震荡器是用来产生基准频率的。

通过基准频率来控制电路中的频率的准确性。

同时，它还可以产生振荡电流，向单片机发出时钟信号。

图3.1是单片机的晶振电路。

片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。

片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz～24MHz之间选取。

C1、C2是反馈电容，其值在20pF～100pF之间选取，典型值为30pF。

本电路选用的电容为30pF，晶振频率为12MHz。

振荡周期＝1us；

机器周期=12us

指令周期＝24us。

XTAL1接外部晶体的一个引脚，XTAL2接外晶体的另一端。

在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。

采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振。

在石英晶体的两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。

一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。

但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。

这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。

石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便使MCS-51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。

通常，OSC的输出时钟频率fOSC为0.5MHz-16MHz，典型值为12MHz或者11.0592MHz。

电容C1和C2可以帮助起振，典型值为30pF，调节它们可以达到微调fOSC的目的。

图3-1晶振电路

3.2复位电路

复位操作是为了完成单片机内部电路的初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。

当AT89C51单片机的复位引脚RST出现2个机器周期以上，单片机就完成了复位操作。

如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态[1]。

复位通常有2种基本形式：

上电复位和开关复位。

上电复位要求要求接通电源后，自动实现复位操作。

开关复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。

本次采用的是常用的上电且开关复位电路，电路如3-2所示：

图3-2复位电路

上电后，由于电容充电，使RST持续一段高电平时间。

当单片机已在运行之中时，按下复位键也能使RST持续一段时间的高电平，从而实现上电且开关复位的操作。

通常选择C=10~30μF，R=10~1000Ω。

复位操作使单片机进入初始化过程，其中包括使程序计数器PC=0000H，P0~P3=FFH,SP=07H,其它寄存器处于零。

3.3键盘电路

键盘在由单片机控制的温度报警器系统中的主要作用是通过按键向单片机输入指令，其中主要是输入控制温度的上下限，是人工控制单片机的主要手段。

在此温度报警系统设计中的键盘采用的是4×

4矩阵键盘。

由于按键比较多，单独设置按键会增加总体设计的复杂性，而且为了减少所占用的端口，可以将按键组成一个矩阵，如图3-3所示。

图3-3键盘电路

3.4DS18B20温度检测电路

使用美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820,支持“一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。

全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

“一线总线”独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。

使你可以充分发挥“一线总线”的优点。

同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°

C～+125°

C，在-10～+85°

C范围内，精度为±

0.5°

C。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

适合于恶劣环境的现场温度测量，如：

环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

与前一代产品不同，新的产品支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。

而且新一代产品更便宜，体积更小

DS18B20产品的特点:

（1）、只要求一个端口即可实现通信。

（2）、在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。

（3）、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。

（4）、测量温度范围在－55。

C到＋125。

C之间。

（5）、数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。

（6）、内部有温度上、下限告警设置。

DS18B20内部结构[2]如图3所示：

存储和控制逻辑

高速暂存器

温度传感器

高温触发器TH

低温触发器TL

配置寄存器

8位CRC生成器

64位ROM和一线端口

供电方式

图3DS18B20内部结构

表1DS18B20功能命令表

命令

功能描述

代码

CONVERT

启动温度转换

44H

READSCRATCHPAD

读取温度寄存器

BEH

READROM

读DS18B20的序列号

33H

WRITESCRATPAD

将数据写入暂存器的第2、3字节中

4EH

MATCHROM

匹配ROM

55H

SEARCHROM

搜索ROM

F0H

ALARMSEARCH

报警搜索

ECH

SKIPROM

跳过读序列号的操作

CCH

READPOWERSUPPLY

读电源供给方式，0寄生，1外部电源

B4H

由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，所以有严格的时隙概念，读写时序很重要。

系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。

操作协议为:

初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。

其电路简图如3-4。

图3-4温度检测电路

3.5显示电路

显示电路主要是用于显示时间。

采用LED数码管进行显示是因为LED数码管具有以下几个优点：

（1）能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、ITL电路兼容。

（2）发光响应时间极短（<

0.1μs），高频特性好，单色性好，亮度高。

（3）体积小，重量轻，抗冲击性能好。

数码管