基于单片机的温度测控系统的设计.docx

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基于单片机的温度测控系统的设计

教学单位信息工程系

学生学号2061224218

孝感学院新技术学院

本科毕业论文（设计）

题目基于单片机的温度测控系统的设计

学生姓名王卓

专业名称电子信息科学与技术

指导教师王新民

教师职称教授

2009年9月10日

基于单片机的温度测控系统的设计

摘要：

本论文介绍了一种以单片机为主要控制器件，以DS18B20温度传感器及用NRF2401组成无线传输模块的温度测控系统。

主要包括硬件电路的设计和系统程序的设计。

硬件电路主要包括主控制器，测温电路，数据传输电路，通信电路和显示电路等，主控制器采用单片机STC89C52，温度传感器采用美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20，数据传输部分用NRF2401芯片，显示电路采用LCD1602和PC机显示。

系统程序主要包括主程序，温度采集程序，数据传输程序，上位机通信程序，数据显示程序等。

此外，还介绍了系统的调试和性能分析。

由于采用了改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件，与传统的温度采集相比，本温度采集部分减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。

DS18B20温度传感器还可以在高温报警、远距离多点测温控制等方面进行应用开发，具有很好的发展前景。

关键词：

温度传感器；DS18B20；STC89C52；NRF2401；LCD1602

TemperaturemeasurementandcontrolsystembasedonMCUdesign

Abstract：

Thispaperdescribesasingle-chipmicrocomputerasthemaincontroldeviceinordertoDS18B20integraltemperaturesensorandwirelesstransmissionmodulewithNRF2401temperaturemeasurementandcontrolsystem.Includehardwarecircuitdesignandsystemprogramdesign.Hardwarecircuitincludesthemaincontroller,temperaturemeasurementcircuits,datatransmissioncircuits,communicationscircuitsanddisplaycircuit,themaincontroller,usingSCMSTC89C52,temperaturesensorusingtheUnitedStatesproducedbyDALLASSemiconductorDS18B20,datatransmissionpartlyNRF2401chips,displaycircuitusingLCD1602andPC-display.Systemproceduresincludethemainprogram,temperatureandcollectionprocedures,datatransmissionprocess,hostcomputercommunicationprogram,thedatashowprocedures.Inaddition,alsointroducedthesystemdebuggingandperformanceanalysis.

Becauseusedtheadvancedversionintelligencetemperature sensor DS18B20astheexamine part,comparedwiththetraditionalthermometer,thisdigitalthermometerreducedtheexteriorhardwareelectriccircuit,hascharacteristicthatthelowcostandwaseasytouse.TheDS18B20thermometeralsomayused to the hightemperature warning,thelong-distancerangemulti-spotstemperature measuredaspectandsoontemperaturecontrolcarriesontheapplication development,hastheverygoodprospectsfordevelopment.

KeyWords：

TemperatureSensor；DS18B20；STC89C52;NRF2401；LCD1602

1前言........................................................-1

1.1选题的背景和意义 ............................................-1

1.2温度传感器的发展现状 ........................................-1

1.3单片机的特点及发展 ..........................................-2

1.4本设计的主要工作........................................... –4

2设计方案论证与选择.......................................... -5

2.1设计方案.................................................. -5

2.1.1设计方案一 ..............................................-5

2.1.2设计方案二.............................................. -6

2.2方案选择.................................................. -7

3系统的功能和原理...............................................

3.1温度测控系统的网络拓扑结构.................................

3.2系统的工作原理.............................................-8

4系统的硬件电路的设计.........................................-8

4.1单片机电路 ................................................8

4.1.1单片机的选型 ...........................................-8

4.1.2 STC89C52单片机的介绍................................. -9

4.1.3STC89C52单片机的优点....................................

4.2温度采集电路设计 .........................................-13

4.2.1DS18B20温度传感器介绍................................-13

4.2.2DS18B20温度传感器与单片机的接口电路................... -17

4.3无线传输模块的设计................................

4.3.1NRF2401无线模块的介绍...................................

4.3.2NRF2401无线模块与单片机的接口电路..........................

4.4LED显示电路的设计 .......................................-18

4.4.1LED1602的结构 .........................................-18

4.4.2显示电路与单片机的接口 ................................-19

4.5串口驱动电路的设计..........................................

4.6电源电路的设计...............................................

4.7时钟电路的设计...............................................

4.7.1时钟芯片DS1302的工作原理...............................

4.7.2DS1302与单片机的接口电路...............................

4.8蜂鸣器驱动电路的设计....................................

4.9调整报警温度电路的设计...............................

5软件设计 ..............................................-22

5.1上位机程序设计 ..........................................-22

5.2下位机程序设计........................................... -22

5.2.1温度数据采集模块....................................... -24

5.2.2数据传输模块 .......................................-27

5.2.3LCD显示模块............................................-28

5.2.4时钟模块..................................................

5.2.5按键功能选择部分.......................................

6调试运行....................................................

7设计小结....................................................

结束语......................................................... -28

参考文献 .......................................................-30

致谢........................................................... -29

1 绪论

1.1选题的背景和意义

   随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中温度测控系统就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活提供更好的更方便的设施就需要从单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。

温度测量在物理实验、医疗卫生、食品生产等领域，尤其在热学试验（如：

物体的比热容、汽化热、热功当量、压强温度系数等教学实验）中，有特别重要的意义。

现在所使用的温度测量通常都是精度为1℃和0.1℃的水银、煤油或酒精温度计。

这些温度测控系统的刻度间隔通常都很密，不容易准确分辨，读数困难，而且他们的热容量还比较大，达到热平衡所需的时间较长，因此很难读准，并且使用非常不方便。

本设计所介绍的温度测控系统与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确等优点，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，工厂或科研实验室使用。

目前温度计的发展很快，从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等，温度计中传感器是它的重要组成部分，它的精度、灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。

传感器应用极其广泛，目前已经研制出多种新型传感器。

但是，作为应用系统设计人员需要根据系统要求选用适宜的传感器，并与自己设计的系统连接起来，从而构成性能优良的温度测控系统。

1.2温度传感器的发展现状

温度传感器是各种传感器中最常用的一种，早期使用的是模拟温度传感器，如热敏电阻，随着环境温度的变化，它的阻值也发生线性变化，用处理器采集电阻两端的电压，然后根据某个公式就可计算出当前环境温度。

随着科技的进步，现代的温度传感器已经走向了数字化，外形小，接口简单，广泛应用在生产实践的各个领域，为我们的生活提供便利。

随着现代仪器的发展，微型化，集成化，数字化正成为传感器发展的一个重要方向。

美国DALLAS半导体公司生产的温度传感器DS18B20采用单总线协议，即与单片机接口仅需占用一个I/O端口，无需任何外部元件，直接将环境温度转化为数字信号，以数字码方式串行输出，从而大大简化了传感器与微处理器的接口。

1.3单片机的特点及发展

单片微型机又称嵌入式微控制器，是20世纪70年代中期发展起来的一种大规模集成电路器件。

它在一块芯片内集成了计算机的各种功能部件，构成一种单片式的微型计算机。

20世纪80年代以来，国际上单片机的发展迅速，其产品之多令人目不暇接，单片机应用不断深入，新技术层出不穷。

单片机的应用技术是一项新型的工程技术，其内涵随着单片机的发展而发展。

为使教学面向国民经济主战场.随着电子技术，特别是随大规模集成电路的产生而出现的微型计算机技术的飞速发展，人类生活发生了根本性的改变。

如果说微型计算机的出现使现代科学研究得到了质的飞跃，那么可以毫不夸张地说，单片机技术的出现则是给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。

目前，单片机以其体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、高可靠性、高性能价格比、开发较为容易，在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用，并已走人家庭，从洗衣机、微波炉到音响、汽车，到处都可见到单片机的踪影。

由于MSC-51系列单片机的模块化结构比较典型，应用灵活，为许多大公司所采纳，使8051系列的单片机产品日新月异，在国内外单片机应用中占有重要的地位。

因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。

1.4本设计的主要工作

本设计研究的内容就是以单片机为主要控制元件，通过温度传感器DS18B20实现对温度的采集，利用NRF2401无线传输模块完成数据传输、使用DS1302时钟芯片实现温度实时显示，通过lcd1602液晶显示所测温度和时间。

并且通过USB转串口线实现与PC机的通信，使温度值可以在PC机上显示出来，通过PC机可以实时监控各点的温度状况。

本设计所介绍的单片机控制的温度测控系统基本测温范围在-55℃~125℃，精度误差小于0.5℃，无传输温度并用LCD液晶显示器和PC机显示温度值，可以任意设定温度的上下限报警功能，与传统的温度计相比，具有读数方便，显示实时温度，测温范围广，测温准确等优点，其输出温度采用数字显示，可以用于对测温比较准确的场所，或工厂、仓库及科研实验室等各个领域。

2设计方案论证与选择

2.1设计方案

2.1.1方案一

本设计的测温电路，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，用数码管就可以将被测温度显示出来，在数据传输方面可以用红外发射对管发射和接受数据，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。

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，就可以满足设计要求。

在无线传输方面，可以考虑用NRF2401无线模块，用1602液晶显示。

2.2方案选择

传统的测温元件有热电偶和热电阻，而它们测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持，电路及软件调试复杂，制作成本高。

从以上两种方案中，很容易看出采用方案二所设计的电路和软件都比较简单，采用一种智能温度传感器DS18B20作为检测元器件，测温范围-55℃~125℃，分辨率最大可达0.0625℃。

DS18B20可以直接读出被测温度值。

采用3线制与单片机相连，减少了外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点。

本设计方案系统可由主控制器、显示电路、数据传输电路、串口通讯电路及测温器件组成。

从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，方案二中用DS18B20可直接采集温度，测温方便。

用NRF2401无线传输模块传输数据比较稳定，抗干扰能力强，与红外对管相比，优势明显。

时钟和温度的显示可以用数码管，但是数码管的只能显示简单的数字，我们设计的系统有很多东西需要显示，还是用显示功能更好的液晶显示器比较好，它能显示更多的数据，用可以显示数字和英文的液晶显示器还可以增加显示信息的可读性，让人看起来会很方便,故采用方案二。

3系统的功能和原理

3.1温度测控系统的网络拓扑结构

温度测控系统的网络拓扑结构如下图

（1）所示，，控制器采用单片机STC89C52，温度传感器采用DS18B20，用LED1602液晶以串口传送数据实现温度显示，并且用NRF2401实现温度无线监控。

图

（1）

3.2系统的工作原理

本系统使用两块STC89C52单片机为主控器件，用自制的稳压电源对系统进行供电。

温度采集模块使用两片DS18B20温度传感器，采集两个不同点的温度。

第一片单片机将读回的温度信号通过NRF2401无线传输模块传送给第二片STC89C52单片机，第二片STC89C52将接收到的温度数据经过处理后通过LCD1602液晶显示出来，同时利用USB转串口模块与PC机进行通信，在PC机上显示出温度。

同时DS1302时钟电路将时钟信号传输到第二片单片机经其处理后在LCD1602液晶上显示，即此系统可以实现显示某一时刻的温度亦温度的实时显示。

此系统还可以通过按键调整电路调整上、下限报警温度，当温度达到及超过报警温度时，通过蜂鸣器驱动电路驱动蜂鸣器发出报警声。

并且当报警声被管理者识别之后，可以通过按键关停此次报警声，然后管理者对事件做出处理。

4系统的硬件电路的设计

4.1单片机电路

4.1.1单片机的选型

单片机的种类很多，许多厂家都有自己的单片机系列产品。

本项目中只是对温度传感器的数据进行采样，在LCD1602上显示，功能不是特别复杂，实时性不太强，运算量不是太大，因此选用8位单片机。

该应用还涉及单片机与上位机PC机的串口通讯。

因此选用的单片机还应有一个串口。

满足这两个条件的单片机很多，考虑到价格，本人已有的单片机集成开发环境和仿真器等因素，选用宏晶公司生产的STC89C52。

4.1.2STC89C52单片机介绍

MCS—51系列单片机的40个引脚中有2个专用于主电源引脚，2个外接晶振的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。

主要特性介绍如下：

1.增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051CPU

2.工作电压：

5.5V-3.4V（5V单片机）/3.8V-2.0V（3V单片机）

3.工作频率范围：

0-40MHz，相当于普通8051的0～80MHz.实际工作频率可达48MHz.

4.用户应用程序空间32K字节

5.片上集成1280字节/512字节RAM

6.通用I/O口（32/36个），复位后为：

P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。

7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器

可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K程序3秒即可完成一片

8.EEPROM功能

9.看门狗

10.内部集成MAX810专用复位电路（D版本才有），外部晶体20M以下时，可省外部复位电路

11.共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用

12.外部中断4路,下降沿中断或低电平触发中断,PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒

13.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART

14.工作温度范围：

0-75℃/-40-+85℃

15.封装：

PDIP-40

4.1.3STC89C52单片机的优点

超低功耗

1.掉电模式：

2.典型功耗<0.1uA，可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序

3.空闲模式：

典型功耗2mA

4.正常工作模式：

典型功耗4mA-7mA

5.掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备

超强抗干扰

1.I/O口：

输入/输出口经过特殊处理，很多干扰是从I/O口进去的，每个I/O口均有对VCC/对GND二级管钳位保护。

2.电源：

单片机内部的电源供电系统经过特殊处理，很多干扰是从电源进去的

3.时钟：

单片机内部的时钟电路经过特殊处理，很多干扰是从时钟部分进去的

4.看门狗：

单片机内部的看门狗电路经过特殊处理，打开后无法关闭，可放心省去外部看门狗

5.复位电路：

单片机内部的复位电路经过特殊处理，很多干扰是从复位电路部分进去的，STC89C51RC/RD+系列单片机为高电平复位。

6.宽电压，不怕电源抖动5V：

5.5v-3.4v；3V：

3.8v-2.0v

7.高抗静电（高ESD保护），轻松过4000V快速脉冲干扰（严格的日本及欧洲EFT标准）

4.2温度采集电路设计

4.2.1DS18B20温度传感器介绍

为了满足本设计需要，所选用的是DS18B20智能温度传感器。

它是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，世界上第一片支持"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。

与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现９～１２位的数字值读数方式。

1.DS18B20的特点

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。

DS18B20的外形及管脚排列如图3。

图3DS18B20外形及引脚排列图

DS