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基于单片机的温度自动检测系统设计课程设计大学论文
基于单片机的温度自动检测系统设计
摘要
随着科技的不断进步，在生产过程中，为了高效地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。
在工业生产中温度是常用的被控参数，而采用单片机来对这些被控参数进行控制已成为当今的主流。
温度测量是温度控制的基础，技术已经比较成熟。
本设计介绍了一种利用单片机AT89S52组成的温度自动检测系统，从硬件和软件两方面介绍了单片机温度控制系统的设计思路。
着重介绍了硬件原理图和程序框图。
阐述了系统的工作原理、设计及实现。
由DS18B20温度传感器芯片测量当前的温度，并将结果送入单片机。
然后通过AT89S52单片机对送来的温度进行计算和转换，并将此结果送入液晶显示模块。
最后，由LCD1602液晶显示器将温度显示出来。
它可以实时的显示和设定温度，当温度值超出报警温度时会自动报警，实现了系统结构简单、性能可靠、控制精度高。
关键词：
AT89S52单片机DS18B20温度传感器温度检测
目录
摘要I
目录II
1引言1
1.1选题的背景1
1.2选题的目的及意义1
2设计的整体方案2
2.1设计要求2
2.2设计的主要内容2
2.3设计性能要求2
3硬件的选择3
3.1单片机的选择3
3.1.1AT89S52的特点及选择原因3
3.1.2AT89S52的工作模式及注意事项4
3.2温度传感器的选择4
3.2.1DS18B20的特点及选择原因4
3.2.2控制器对DS18B20操作流程：
6
3.3显示器的选择6
4电路原理8
4.1晶振电路与复位电路8
4.2温度采集电路9
4.3显示电路9
4.4报警系统10
5程序原理及系统流程图11
5.1主程序11
5.2读出温度子程序11
5.3温度数据显示子程序13
5.4设置报警温度13
6软件仿真14
6.1软件介绍14
6.2仿真过程14
7实物的焊接与调试15
8全文总结16
8.1设计总结16
8.2设计体会16
附录I系统电路原理图17
附录IIPCB板17
附录Ⅲ程序清单18
1引言
1.1选题的背景
温度控制广泛应用于人们的生产和生活中，人们使用温度计来采集温度，通过人工操作加热、通风和降温设备来控制温度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。
即使有些用户采用半导体二极管作温度传感器，但由于其互换性差，效果也不理想。
在某些行业中对温度的要求较高，由于工作环境温度不合理而引发的事故时有发生。
对工业生产可靠进行造成影响，甚至操作人员的安全。
为了避免这些缺点，需要在某些特定的环境里安装数字温度测量及控制设备。
本设计由于采用了新型单片机对温度进行控制，以其测量精度高，操作简单。
可运行性强，价格低廉等优点，特别适用于生活，医疗，工业生产等方面的温度测量及控制。
本设计是一个数字温度测量及控制系统，能测柜内的温度，并能在超限的情况下进行控制、调整，并报警。
保证环境保持在限定的温度中。
1.2选题的目的及意义
随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，能够独立工作的温度检测和显示系统应用于诸多领域。
无论是在工业方面，农业方面或者是平民大众的生活当中，我们都能看到温度计的身影。
传统的温度检测以热敏电阻和AD590为温度敏感元件。
热敏电阻的成本低，但需后续信号处理电路，而且可靠性相对较差。
测温准确度低，检测系统也有一定的误差。
因此，利用新型温度传感器取代旧式的温度传感器是必然的趋势，新型的温度传感器的优势越来越得到体现，越来越普及。
单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其在日常生活中也发挥越来越大的作用。
本设计的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，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。
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，测温传感器使用DS18B20，LCD以串口传送数据,实现温度显示,能准确达到以上要求。
同时可自由设置报警温度，实现超过最高温度时闪烁红灯蜂鸣器同时响起，当温度降低到最高温度以下，红灯关闭绿灯闪烁的功效。
2设计的整体方案
2.1设计要求
温度传感器测量水杯中温度，当水温超过最高温度（100摄氏度）时，红灯亮，如水温下降继续亮红灯，直到水温降低到设定的低温时，则亮绿灯，如水温上升而继续亮绿灯，直到水温超过高温则亮红灯。
红灯与绿灯不可同时亮。
2.2设计的主要内容
根据系统的设计要求，当温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到AT89S52单片机上，经AT89S52处理，将把温度在显示电路上显示，除了显示温度以外还可以设置一个报警温度，对所测温度进行监控。
利用外接的键盘设置电路，对温度进行上下限设置。
当温度高于或低于设定温度时，开始报警并启动相应程序。
当开机后，能够设置报警温度，在到达报警时间后能够提示报警。
利用AT89S52芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限报警温度。
系统框图如下图2-1：
图2-1系统框图
选择DS18B20作为本系统的温度传感器，选择单片机AT89S52为测控系统的核心来完成数据采集、处理、显示、报警等功能。
选用数字温度传感器DS18B20，输出信号全数字化。
当LCD液晶显示器接收到来自AT89S52单片机传送来的温度信息后，显示当前的温度。
2.3设计性能要求
设计的主要功能和指标如下：
（1）开机时显示当前温度。
（2）利用温度传感器（DS18B20）测量某一点环境温度。
（3）测量范围为-55℃～＋110℃，精度为±0.5℃。
（4）用液晶进行实际温度值显示。
（5）能够根据需要方便设定上下限报警温度。
（6）当达到报警温度后，能够自动发出报警声。
3硬件的选择
本设计是选用DS18B20作为温度传感器，选用AT89S52单片机作为整个设计的核心处理器部分。
通过处理作为温度传感器传输的温度信息后，将处理后的信息传输给LCD液晶显示器。
所以用到的器件有AT89S52、DS18B20、LCD1602等。
3.1单片机的选择
3.1.1AT89S52的特点及选择原因
AT89S52作为温度测试系统设计的核心器件．该器件是INTEL公司生产的MCS一5l系列单片机中的基础产品，采用了可靠的CMOS工艺制造技术．具有高性能的8位单片机，属于标准的MCS一51的CMOS产品。
片内含8Kbytes的可贩毒擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件兼容标准的MCS-51指令系统。
片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。
结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征。
其具有如下性质：
（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容
（2）8K字节可重擦写Flash闪烁存储器。
（3）寿命：
1000写/擦循环。
（4）数据保留时间：
10年。
（5）全静态工作：
0Hz-24Hz。
（6）三级程序存储器锁定。
（7）128*8位内部RAM。
（8）32可编程I/O线。
（9）三个16位定时器/计数器。
（10）8个中断源。
（11）可编程串行通道。
（12）低功耗的闲置和掉电模式。
（13）片内振荡器和时钟电路。
图3-1AT89S52引脚图
AT89S52单片机提供以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
由于此设计需要编写程序，需要将程序烤入单片机中，因此单片机必须具有足够多的存储空间，其具有8K字节的Flash完全满足要求。
32位的I/O口线能够使得单片机与温度显示器、温度传感器、键盘、报警电路、按键电路和指示灯连接等等变得可能。
16位的定时计数器使得读取数据变得更加简单，同时其结构有利于晶振电路和复位电路的连接。
最重要的是，能够在掉电状态下保存RAM内的数据。
同时，与同类51单片机相比，AT89S52具有更强的可操作性。
因此，对于本设计来说，选择AT89S52是最有利的
。
3.1.2AT89S52的工作模式及注意事项
AT89S52单片机有两种可用软件编程的省电模式，它们是空闲模式和掉电工作模式。
这两种方式是控制专用寄存器PCON（即电源控制寄存器）中的PD（PCON1）和IDL（PCON0）位来实现的。
PD是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。
IDL是空闲等待方式，当IDL=1，激活空闲工作模式，点偏激进入睡眠状态。
如需同时进入两种工作模式，即PD和IDL同时为1，则先激活掉电模式。
在空闲工作状态下，CPU保持睡眠状态而所有的片内的外设都保持激活状态，这种方式由软件产生，此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。
空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。
终止空闲工作模式的方法有两种，进入中断服务程序，执行完中断服务程序并紧随RST1（中断返回）指令后，下一条要执行的指令就是使单片机进入空闲模式的那条指令后面的一条指令。
其二是通过硬件复位可以将空闲工作模式终止。
需要注意的是，当由硬件复位来终止空闲工作模式时，CPU通常是从激活空闲模式那条指令的吓一跳指令开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期（24个时钟周期）有效，在这种情况下，内部禁止CPU访问片内RAM，而允许访问其他端口。
为了避免可能对端口产生意外写入，激活空闲状态的那条指令后一条指令不应是一条端口或外部存储器的写入指令。
在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令。
片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。
退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但并没有因此改变RAM中的内容，在Vcc恢复到正常工作电平前，复位应无效，但必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。
AT89S52单片机具有一些极限参数：
（1）工作温度：
-55摄氏度至+125摄氏度
（2）储藏温度：
-65摄氏度至+150摄氏度
（3）任一引脚对地电压：
-1.0V至+7.0V
（4）最高工作电压：
6.6V
（5）直流输出电流：
15.0mA
3.2温度传感器的选择
3.2.1DS18B20的特点及选择原因
DS18B20是美国DALLAS公司继DS1820之后推出的增强型单总线数字式温度传感器，它在转换速度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较之前产品有了很大的改进，给用户带来了更方便、更令人满意的效果。
DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20是一种新型的“一线器件”，其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。
DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
温度测量范围为-55～+125摄氏度，可编程为9位～12位转换精度，测温分辨率可达0.0625摄氏度，分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。
被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可以在远端引入，也可以采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。
因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。
DS18B20内部结构主要由四部分组成：
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DQ为数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源；GND为地信号；VDD为可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是VCC接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。
无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5KΩ左右的上拉电阻.DS18B20的主要特征：
*全数字温度转换及输出。
*先进的单总线数据通信。
*最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度。
*12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒。
*可选择寄生工作方式。
*检测温度范围为–55°C~+125°C（–67°F~+257°F）
*内置EEPROM，限温报警功能。
*64位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接。
*多样封装形式，适应不同硬件系统。
DS18B20芯片封装结构：
图3-2-1DS18B20引脚图图3-2-2DS18B20实物图
DS18B20引脚功能：
•GND电压地•DQ单数据总线•VDD电源电压•NC空引脚
DS18B20工作原理：
DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。
其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。
在讲解其工作流程之前我们有必要了解18B20的内部存储器资源。
18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是：
ROM只读存储器，用于存放DS18B20ID编码，其前8位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H），后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的CRC码（冗余校验）。
数据在出产时设置不由用户更改。
DS18B20共64位ROM。
RAM数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。
第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。
在上电复位时其值将被刷新。
第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。
第6、7、8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。
第9个字节为前8个字节的CRC码。
EEPROM非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在镜像，以方便用户操作。
我们在每一次读温度之前都必须进行复杂的且精准时序的处理，因为DS18B20的硬件简单结果就会导致软件的巨大开消，也是尽力减少有形资产转化为无形资产的投入，是一种较好的节约之道。
3.2.2控制器对DS18B20操作流程：
1、复位：
首先我们必须对DS18B20芯片进行复位，复位就是由控制器（单片机）给DS18B20单总线至少480uS的低电平信号。
当18B20接到此复位信号后则会在15~60uS后回发一个芯片的存在脉冲。
2、存在脉冲：
在复位电平结束之后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于在15~60uS后接收存在脉冲，存在脉冲为一个60~240uS的低电平信号。
至此，通信双方已经达成了基本的协议，接下来将会是控制器与18B20间的数据通信。
如果复位低电平的时间不足或是单总线的电路断路都不会接到存在脉冲，在设计时要注意意外情况的处理。
3、控制器发送ROM指令：
双方打完了招呼之后最要将进行交流了，ROM指令共有5条，每一个工作周期只能发一条，ROM指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。
ROM指令为8位长度，功能是对片内的64位光刻ROM进行操作。
其主要目的是为了分辨一条总线上挂接的多个器件并作处理。
诚然，单总线上可以同时挂接多个器件，并通过每个器件上所独有的ID号来区别，一般只挂接单个18B20芯片时可以跳过ROM指令（注意：
此处指的跳过ROM指令并非不发送ROM指令，而是用特有的一条“跳过指令”）。
ROM指令在下文有详细的介绍。
4、控制器发送存储器操作指令：
在ROM指令发送给18B20之后，紧接着（不间断）就是发送存储器操作指令了。
操作指令同样为8位，共6条，存储器操作指令分别是写RAM数据、读RAM数据、将RAM数据复制到EEPROM、温度转换、将EEPROM中的报警值复制到RAM、工作方式切换。
存储器操作指令的功能是命令18B20作什么样的工作，是芯片控制的关键。
5、执行或数据读写：
一个存储器操作指令结束后则将进行指令执行或数据的读写，这个操作要视存储器操作指令而定。
如执行温度转换指令则控制器（单片机）必须等待18B20执行其指令，一般转换时间为500uS。
如执行数据读写指令则需要严格遵循18B20的读写时序来操作。
3.3显示器的选择
由于设计中要求同时显示测试温度、温度上限、温度下限和开机时间，因此显示屏首先要能够一次性容纳这些字符。
工作电压不能太高，与单片机的连接方式需要简单，显示准确。
本设计中采用的是1602型LCD液晶屏能够很好的满足这些要求。
此液晶属于工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。
LCD液晶显示器是一种低压、微功耗的显示器件，只要2～3伏就可以工作，工作电流仅为几微安，是任何显示器无法比拟的，同时可以显示大量信息，除数字外，还可以显示文字、曲线，比传统的数码LED显示器显示的界面有了质的提高。
在仪表和低功耗应用系统中得到了广泛的应用。
1602采用标准的16脚接口，其中：
第1脚：
VSS为电源地；
第2脚：
VCC接5V电源正极；
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚：
RW为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
第6脚：
E（或EN）端为使能（enable）端,高电平
（1）时读取信息，负跳变时执行指令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据端。
第15～16脚：
空脚或背灯电源。
15脚背光正极，16脚背光负极。
图3-3-1LCD1602引脚图图3-3-2LCD1602实物图
1602拥有很多出色的优点：
1）显示质量高，由于液晶显示器的每一个点收到信号后就一直保持那种色彩和亮度恒定发光，因此液晶显示器的画质高而且不会闪烁。
2）数字式接口，液晶显示器都是数字式的，和单片机的接口简单操作也很方便。
3）体积小、重量轻,液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。
4）功率消耗小，相比而言液晶显示器的主要功耗在内部电极和驱动IC上，因而耗电量比其他器件要小很多。
虽然LCD显示器的价格比数码管要贵，但它的显示效果好，是当今显示器的主流，所以采用LCD作为显示器。
4电路原理
整个设计的电路包括了最小系统电路、温度控制电路、温度显示电路、按键电路和报警电路五部分电路组成。
4.1晶振电路与复位电路
晶振电路和复位电路与单片机连接构成最小系统电路，如图4-1-1，如何选取合适的引脚，选取何种连接方式都至关重要。
图4-1-1最小系统电路
在晶振电路中，主要用到了XTAL1和XTAL2两个引脚。
（1）XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
（2）XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
在晶振电路中，AT89S52具有两种晶振方式，一种是片内时钟振荡方式，但需要在引脚外接石英晶体和振荡电容，振荡电容的值一般取10-30pf。
另一种是外部时钟方式，即将XTAL1接外部时钟，XTAL2脚悬空。
单片机的晶振频率采用11.0592MHZ，加两个30pF电容。
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，外接石英晶体和振荡电容，构成了片内时钟振荡方式。
而振荡周期指的就是单片机外接石英晶体振荡器的周期。
当时钟起振后，产生一定的频率的时钟信号，单片机的CPU在时钟信号的控制下能一步一步完成自己的工作，同时与整个系统相关的周期还有振荡周期、状态周期、机器周期和指令周期。
电容C1和C2主要用于校正波形，振荡器的作用主要是产生时钟振荡。
而整个电路的作用则是为了产生自激振荡。
对于复位电路，AT89S52有两种复位方式，分别是上点复位和按键复位。
本设计采用的是按键复位，即利用一个复位电容和按键的组合使得复位变得更加直接和简单。
引脚RST作用是复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
在按下按键后，系统自动复位，十分方便。
在复位电路中添加按键主要是为了能够使得复位更加方便，电容主要是在复位后进行充电，而上拉电阻起到限流的作用，保护了电路。
4.2温度采集电路
温度控制电路主要运用到了DS18B20和AT89S52，如图4-2-1。
如何使两者连接实现功能是温度控制电路的主要设计目的。
图4-2-1温度采集电路
在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是VCC接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。
内部寄生电源I/O口线要接5KΩ左右的上拉电阻。
这里采用的是第一种连接方法,如图所示:
传感器数据采集电路主要指DS18B20温度传感器与单片机的接口电路。
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考虑到实际应用中寄生电源供电方式适应能力差且易损坏，此处采用电源供电方式，I/O口接单片机的P2.4口
4.3显示电路
液晶显示器是一种将液晶显示器件,连接器件,集成电路,PCB线路板,背光源,结构器件装配在一起的组件。
图4-3-1显示电路
在显示电路中，VSS接地，VDD接5V正电源，VEE为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，为了获得最佳对比度，VEE接地。
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
4.4报警系统
利用有源蜂鸣器进行报警输出，采用直流供电。
当所测温度超过所预设的温度时，数据口相应拉高电平，报警输出。
而另一端则直接和单片机的P3.1端口相连。
图4-4-1报警电路
5程序原理及系统流程图
5.1主程序
N
N
Y
Y
图5-1主程序流程图
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
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