基于单片机的实时温度监控系统设计外文翻译毕业设计论文.docx

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基于单片机的实时温度监控系统设计外文翻译毕业设计论文

安徽建筑工业学院

毕业设计（论文）

专业电气工程及其自动化

班级07电气

（1）

课题基于单片机的实时温度监控系统设计

基于单片机的实时温度监控系统设计

摘要

本文所介绍的是一种采用单总线数字式的温度传感器DS18B20与AT89S52单片机组成的新型温度测量系统，并使用LED数码管显示器将所测温度显示出来。

该系统以AT89S52单片机为控制核心，利用新型一线制温度传感器DS18B20测量温度值，实现环境温度的检测和报警。

系统测温范围为-40℃—+85℃，测量精度为0.5℃。

用户可以自定义报警上、下限，一旦温度超过极限值，单片机便启动声光报警系统。

该系统精度高、测温范围广、报警及时，可广泛应用于基于单片机的温报警场合。

关键词：

AT89S52单片机；温度测量；DS18B20；声光报警；数码管显示

DesignofReal-timeTemperatureMonitoringSystemBasedonSingleChipMicrocomputer

Abstract

Describedinthispaperisasingle-busdigitaltemperaturesensorDS18B20AT89S52singlechipwithanewtemperaturemeasuringsystem，andusetheLEDdigitaldisplaywilldisplaythemeasuredtemperature.TheAT89S52microcontrollerforthecontrolsystemtothecore，Temperaturesensorsystemusinganewfirst-linetemperaturemeasurementDS18B20，achieveenvironmentaltemperaturedetectionandalarm.Temperaturemeasurementrangeis-40℃-+85℃,measurementaccuracyof0.5℃.Userscancustomizethealarm,thelowerlimit，Oncethetemperatureexceedsthelimit,themicrocontrollerwillstartthesoundandlightalarmsystem.Thesystemofhighprecision,widetemperaturerange,thealarmintime,canbewidelyusedinmicrocontroller-basedtemperaturealarmoccasions.

Keywords:

AT89S52microcontroller;temperaturemeasurement;DS18B20;soundandlightalarms;digitaldisplay

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第一章前言

温度是一种最基本的环境参数，对于我们来说，不仅仅是一个量的反映，更能直接影响作用到我们的生活中，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。

我们身边大自然中动植物的生存繁衍与周围环境的温度也息息相关。

工农业生产、科学研究对温度也都有较高的要求，如石油、化工、冶金、纺织、机械制造等行业，有些特殊的行业，比如航空航天类行业对温度就有一个更高的要求，我们常接触到的食品行业中，水果、蔬菜、肉类等的保存就需要保证一定的温度，食品加工中也需要保证相应的温度，如果空气温度不适应，极有可能产生不良反应，严重的可能直接影响到人们的生命健康。

我们电子科技行业也同样离不开对温度的测量和控制，如制造大规模集成电路时就需要极精确的温度控制。

工业温度的测量和控制在激光器、光纤光栅的使用及其他的工农业生产和科学研究中应用广泛。

因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。

测量温度的关键是温度传感器。

随着科技的发展，技术要求的重视，温度测量的精度也越来越被看重。

所以高精度温度测量系统的研究就非常有意义。

本课题使用AT89S52单片机结合DS18B20温度控制系统设计方案。

要求该系统能够合理有效的管理和控制外部硬件，达到实时检测、监测和控制温度的目的，形成一套智能化温度控制系统。

此数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，该设计控制器使用单片机AT89S52，测温传感器使用DS18B20，用4位共阳极LED数码管以并口传送数据,实现温度显示,能准确达到以上要求。

第二章监控系统主要元器件简介

2.1AT89S52单片机的组成结构及功能

2.1.1AT89S52单片机的主要功能

（1）8位字长CPU；

（2）振荡器和时钟电路，全静态操作：

0~33MHz；

（3）8KB系统内可编程Flash存储器；

（4）256B内部RAM；

（5）4个I/O端口共32线；

（6）3个16位定时/计数器；

（7）全双工（UART）串行口通道；

（8）ISP端口；

（9）定时监视器（看门狗）；

AT89S系列单片机的基本组成：

图1AT89S系列单片机的基本组成框图

2.1.2AT89S5单片机的封装及其引脚功能说明

图2AT89S52引脚

（1）VCC：

电源电压+5V

（2）GND：

接地

（3）P0口：

P0口是8位漏极开路型双向I/O口，其既可作为地址/数据总线复用口，又可作为通用I/O口使用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，该口分时转换低8位地址和数据总线，在访问期间激活内部上拉电阻。

在作为通用I/O口使用时：

作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，在驱动NMOS电路时,需外接上拉电阻。

作为输入端口用时，要先向锁存器写l，这时输出级2个FET均截止,可用作可作为高阻抗输入。

（4）P1口：

Pl是一个带内部上拉电阻的8位双向I／O口，Pl的输出缓冲级可驱动（接收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

（5）P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，该口的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@Ri指令）时，P2口线上的内容在整个访问期间不改变。

（6）P3口：

P3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

作输入端口时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I／0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：

端口引脚第二功能

P3.0RXD串行输入口

P3.1TXD串行输出口

P3.2INT0外部中断0

P3.3INT1外部中断1

P3.4T0定时／计数器0外部输入

P3.5T1定时／计数器1外部输入

P3.6WR写选通

P3.6RD读选通

（7）EA/VPP：

外部访问允许端。

EA端保持低电平时，CPU访问外部程序存储器；EA端保持高电平时，CPU则执行内部程序存储器中的指令。

F1ash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。

（8）RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

（9）ALE／PROG：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）用于锁存地址的低8位字节。

即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1／6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

（10）XTAL1：

振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

（11）XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。

对外接电容C1、C2没有十分严格的要求，如果使用石英晶体，推荐电容值为30pF±10pF

2.1.3外接晶振或外部振荡器引脚

XTALl：

当外接晶振时，接外部晶体的一个引脚。

片内振荡器由一个单级反相器组成，XTALl为反相器的输入。

当外部振荡器提供时钟信号时，则由XTALl段输入。

XTAL2：

接外部晶体的另一个引脚。

片内为单级反相器的输出。

当由外部时钟源提供时钟信号时，则本引脚浮空。

图3时钟电路

2.1.4AT89S52复位

复位是单片机的初始化操作。

其主要功能是把PC初始化为0000H，使CPU从0000H单元开始执行程序。

除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。

MCS-5l系列单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。

如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

复位操作的两种基本形式为上电复位和上电或开关复位。

上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作；上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。

上电后，由于电容C的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。

当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作

图4复位电路

2.2温度测量传感器DS18B20介绍

2.2.1DS18B20简介

本文所采用的温度传感器是美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器DS18B20，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，特别适合于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理，而且每片DS18B20都有唯一的产品号并可存入其ROM中，以使在构成大型温度测控系统时在单线上挂任意多个DS18B20芯片。

从DS18B20读出或写入DS18B20信息仅需要一根口线，共读写及温度变换功率来源于数据总线，该总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。

DS18B20能提供九到十二位温度读数，它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统

2.2.2DS18B20的引脚、封装和结构

DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装，管脚排列如图5。

图中GND为地；I/O为数据输入/输出端（即单线总线），该脚为漏极开路输出，常态下呈高电平；VDD是外部+5V电源端，不用时应接地；NC为空脚。

DS18B20主要性能如下：

（1）零待机功耗；

（2）无须外部器件；

（3）温度以9到12位数字量读出；

（4）独特的单线接口仅需要一个端口进行通信；

（5）用户可定义的非易失性温度报警设置；

（6）多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网；

（7）可通过数据线供电，电压范围为3.0～5.5V；

（8）报警搜索命令识别标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；

（9）负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

图5DS18B20引脚排列

图6所示为DS18B20的内部框图，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL解发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。

图6DS18B20方框图

2.2.3寄生电源

寄生电源由二极管VD1、VD2和寄生电容C组成。

电源检测电路用于判定供电方式。

寄生电源供电时，VDD端接地，器件从单线总线上获取电源。

在I/O线呈低电平时，改由C上的电压Vc继续向器件供电。

该寄生电源有两个优点：

第一，检测远程温度时无需本地电源；第二，缺少正常电源时也能读ROM。

若采用外部电源VDD，则通过VD2向器件供电。

2.2.4温度测量原理

DS18B20通过使用在板（on-board）温度测量专利技术来测量温度。

测量电路的方框图如图7所示。

图7温度测量电路

DS18B20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。

当计数门打开时，DS18B20对f0计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。

芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以被偿。

测量结果存入温度寄存器中。

一般情况下的温度值应为9位（符号点1位），可精确0.5℃，但因符号位扩展成高8位，故以16位被码形式读出，表1给出了温度和数字量的关系。

表1DS18B20温度数字对应关系

温度℃

数据输出（二进制）

数据输出（十六进制）

+125

0000000011111010

00FA

+25

0000000000110010

0032

+1/2

0000000000000001

0001

0

0000000000000000

0000

-1/2

1111111111111111

FFFF

-25

1111111111001110

FFCE

-55

1111111110010010

FF92

2.3四位连体数码管SM410564

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；　

按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。

共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

。

共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。

共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

其引脚如图8所示；SM410564内部电路图如图9所示。

图8SM410564引脚图

图9SM410564内部电路图

　　数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

　　数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

第三章系统硬件电路设计

3.1单片机最小系统

图10单片机最小系统原理图

单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，时钟信号通常用两种电路形式得到:

内部振荡和外部振荡。

MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是此放大电器的输入端和输出端，由于采用内部方式时，电路简单，所得的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式，在其外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器就构成了内部振荡方式，片内高增益反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起可构成一个自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。

图11晶振电路

图中外接晶体以及电容C2和C1构成并联谐振电路，它们起稳定振荡频率、快速起振的作用，其值均为30PF左右，晶振频率选12MHz。

为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，必须采用复位的方式，复位后可使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始正常工作。

单片机的复位是靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要RST引脚上出现两个机器周期时间以上的高电平，即可引起系统复位，但如果RST引脚上持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

复位后系统将输入/输出（1/0）端口寄存器置为FFH，堆栈指针SP置为07H,SBUF内置为不定值，其余的寄存器全部清0，内部RAM的状态不受复位的影响，在系统上电时RAM的内容是不定的。

复位操作有两种情况，即上电复位和手动（开关）复位。

本系统采用手动复位方式。

图中R1和C3组成手动复位电路，其值R取为10K,C取为10μF.

图12复位电路

3.2温度检测模块

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13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源,可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉.。

当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换时，总线上必须有强的上拉,上拉开启时间最大为10微秒.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，因此发送接口必须是三态的。

。

图13DS18B20接口电路

3.3温度显示模块电路

显示部分由四位数码管构成,采用的是动态扫描方式。

其中段选占用8个I/O口，而位选占用4个I/O口，段选和位选为同相驱动。

这种方法由于不需要对每个LED数码管单独配置锁存和驱动电路，因而可简化硬件电路，当LED数码管个数较多时，更加明显。

3.4报警电路模块

将DS18B20读出的温度与设定的温度比较，如温度超限，单片机将P1.0口置0，温度超限报警显示LED亮，蜂鸣器报警。

图14报警电路

3.5基于AT89S52单片机的温度测量系统总电路

下图为该温度测量系统的硬件电路图

图15测温系统的硬件电路图

3.6温度测量系统的实物图

图16ISP下载线

图17未接电源的电路板

图18电路板的背面接线

图19正在工作的测温电路板

第四章控制系统软件设计

4.1主程序

系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。

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，其程序流程见图20所示。

图20主程序流程图

4.2子程序

4.2.1读出温度子程序

读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。

其程序流程图如图21所示。

图21读温度流程图

4.2.2温度转换命令子程序

温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。

温度转换命令子程序流程图如图22所示。

图22温度转换流程图

4.2.3计算温度子程序

计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其程序流程图如图23所示。

图23计算温度流程图

4.2.4显示数据刷新子程序

显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，当最高显示位为0时将符号显示位移入下一位。

程序流程图如图24所示。

图24数据刷新子程序流程图

第五章结论

本文针对温度测量方法的现状和所要研究问题的分析，提出了一种采用单总线式数字温度传感器DS18B20芯片，并运用AT89S52作为控制芯片的温度测量控制系统，接着从单片机的结构，原理分析起，再熟悉了AT89S52的工作原理及使用方法后，详细的分析了DS18B20芯片的结构、工作原理、时序和测量温度的方法，最后又简要了解下LED数码管的显示方法。

在这个过程中我查阅了大量的相关资料，综合所分析所有内容，再结合单片机基本知识设计了系统电路，通过仿真确定了功能的可实现性，最后做出实物。

通过这次学习，并亲自动手制作焊接，学到了很多，也加强了很多大学学习的基本技能，是理论与实际得到很好的结合，在这个过程中，也和同学进行了很多沟通，交流，体会到了团队合作的乐趣，经过最后的调试，系统成功的实现了设计功能，由于时间有限和本身知识水平的欠缺，我们认为本系统可能还有需要改进和提高的地方。

参考文献

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致谢

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