單體良

渤海大學

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基于AT89C51單片機的數(shù)字溫度計設(shè)計

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本系統(tǒng)設(shè)計了一款基于AT89C51單片機的數(shù)字溫度計，可以實現(xiàn)溫度的顯示和報警等功能。系統(tǒng)以AT89C51單片機為主控制芯片，采用溫度傳感器DS18B20來檢測電路的溫度，測量精度達到0.5℃，使用LCD1602A液晶顯示模塊，來顯示測出的溫度值。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、讀數(shù)方便、精度高、測溫范圍廣等特點，具有很強的應(yīng)用價值。

數(shù)字溫度傳感器 AT89C51單片機 單總線 PTR2030無線收發(fā)模塊

隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)的發(fā)展，當前的生活環(huán)境越來越不能滿足人們的要求，對溫度進行測量和控制就顯得很重要?；趩纹瑱C的智能溫度控制系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中以及人們?nèi)粘Ｉ钪卸紤?yīng)用很廣。傳統(tǒng)的監(jiān)控方法不能達到精確、快速的作用，很難達到較高的性能要求。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，溫度傳感器的應(yīng)用范圍越來越廣，溫度傳感器DS18B20，可以把溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。本文利用單片機和溫度傳感器結(jié)合，設(shè)計一款數(shù)字溫度計，來代替手工測量，可以省時間、省力氣。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)以AT89C51單片機為主控芯片，用DS18B20傳感器來測量外界的溫度，利用4×4鍵盤模塊設(shè)定溫度的最大值和最小值，當溫度超過最大值或者最小值時就報警。顯示電路采用LCD1602A液晶模塊，報警電路由三極管、蜂鳴組成，溫度測量系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示：

圖1　溫度測量系統(tǒng)總體框圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1主控制器

本系統(tǒng)選用AT89C51單片機，該單片機是一種低功耗，高性能的8位COMS微控制器，其片內(nèi)含有4KB只讀存儲器，引腳和指令和80C51兼容，可以多次編程。

2.2溫度傳感器

2.2.1DS18B20的工作原理

溫度傳感器選擇DS18B20，它是一款數(shù)字溫度傳感器，不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換就能讀取電路溫度，而且可以采用編程的方式實現(xiàn)9位到12位的轉(zhuǎn)換，具有線路簡單、體積小等優(yōu)點?？梢詼y量的溫度范圍為－55.C到+125.C，電壓范圍為3.0到5.5V，并且只利用一個端口就可以完成通信，不同器件有不同的序號，在實際工作中不需要依靠外部元器件就可以完成對溫度的測量。

2.2.2DS18B20與單片機的接口電路

DS18B20的單總線和單片機P2.0引腳連接。單片機P2口內(nèi)部帶上拉電阻，當P2口輸出高電平時，P2口做為輸入口使用。在主機發(fā)送讀時序的時候，傳感器給主機傳送數(shù)據(jù)。主控制器配合采集數(shù)據(jù)時，把溫度傳感器的信號線和主控制器的一位I/O口線連接，主控制器的一位I/O 口線可以和多個溫度傳感器相連接，完成一個節(jié)點或者多個節(jié)點的溫度檢測。DS18B20有三個引腳，分別和地、電源以及主控制器的I/O口連接，電源和數(shù)字輸入、輸出管腳之間接一個4.7K的電阻。

DS18B20溫度的計算方法如下：

SSSSS = 11111 b 溫度值：

T=［ （MSB and 7） ×256 + LSB］ ×0.0625 ℃

SSSSS = 00000 b 溫度值：

T=-［ （256 - MSB） ×256 - LSB］ ×0.0625 ℃

2.3鍵盤電路

根據(jù)系統(tǒng)中需要實現(xiàn)的功能，采用4X4=16的矩陣式鍵盤設(shè)定溫度的最大值和最小值，這種矩陣式的鍵盤可以提高主控制器的I/O口使用效率。

當按多個鍵時，為了充分提高單片機I/O口的使用效率，避免線路過于復雜，把按鍵排成矩陣的形式，分為行線和列線，其中行線是輸出端，列線是輸入端。假如無按鍵按下，系統(tǒng)輸出端置高電平，假如有按鍵按下，系統(tǒng)輸入端置低電平。鍵盤電路工作原理為：

a）判斷有無鍵按下。

b）去除鍵的機械抖動。假如判斷有鍵按下，也就是輸入端有低電平，延時10ms，第二次讀取，假如兩次都判斷為有鍵按下，確定為有按鍵按下，否則不判為鍵按下，判為抖動。

c）判別哪個鍵按下。

d）CPU采取等鍵釋放后，處理一次按鍵的閉合。

2.4顯示電路

LCD1602和單片機連接方法有：采用8位數(shù)據(jù)總線連接和三個控制端口連接；采用D4-D7作為四位數(shù)據(jù)分為兩次傳送。本實驗將使用并采用八位數(shù)據(jù)方式來控制1602顯示。單片機的P3.5口-P3.7口分別和液晶的使能端、讀寫選擇端、以及RS端相連，當使能端有效時，利用命令選擇端控制數(shù)據(jù)的讀和寫。主控制器的P2口和液晶的數(shù)據(jù)端口相連，用來傳輸數(shù)據(jù)。

2.5報警電路

報警電路主要由三極管和蜂鳴器組成，單片機的P1.1引腳信號，經(jīng)三極管Q1驅(qū)動后發(fā)聲。當P1.1口輸出電平為低時，蜂鳴器不響；當P1.1口輸出電平為高時，蜂鳴器發(fā)出聲響，其音調(diào)高低和脈沖信號的頻率有關(guān)系。

2.6電源電路

系統(tǒng)需要5V的穩(wěn)定電源，因此需要把電壓穩(wěn)定在5V。采用LM7805三端穩(wěn)壓器實現(xiàn)，LM7805內(nèi)部有過溫、過流保護電路，并且和外部電路連接時需要的元器件少、使用方便、可靠。

3　軟件設(shè)計

系統(tǒng)使用C語言為編程語言，主程序主要由溫度采集模塊、溫度處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊以及鍵盤處理模塊四部分組成，系統(tǒng)初始化后，分別實現(xiàn)各個功能。其中溫度采集部分的功能是實現(xiàn)被測溫度的采集；溫度處理部分的功能是把采集到的溫度數(shù)據(jù)進行比較、處理和判斷，如果處理判斷后的數(shù)值大于設(shè)定值，蜂鳴器就報警，提醒注意；數(shù)據(jù)顯示部分可以顯示溫度值；鍵盤處理部分能夠設(shè)定系統(tǒng)的參數(shù)，實現(xiàn)用戶和系統(tǒng)之間的人機對接。系統(tǒng)軟件主流程如圖2所示。

3.1測溫模塊流程圖

測溫模塊操作流程圖如3所示。

圖2　系統(tǒng)軟件總流程圖

圖3　測溫模塊操作流程圖

圖4　多點溫度測量電路流程圖

3.2多點溫度的測量

多點溫度測量的過程如下：

（1）發(fā)送跳過ROM命令。

（2）發(fā)啟動溫度傳感器命令，開始溫度轉(zhuǎn)換。

（3）延遲1s。

（4）發(fā)匹配ROM命令。

（5）取出64位ROM代碼并發(fā)送到單總線中。

（6）發(fā)讀溫度值命令，然后讀測量的溫度值。

（7）對結(jié)果進行CRC校驗，在顯示器中顯示出來。

（8）重復（4）到（7）歩鄹，直到所有的測量結(jié)束。

（9）測量結(jié)完成后，重復上面過程，重新進行下一輪溫度測量。

多點溫度測量電路流程圖如圖4所示。

3.3顯示模塊流程圖

顯示模塊流程圖如圖5所示。

圖5　LCD1602A操作流程圖

圖6　鍵盤掃描程序流程圖

3.4鍵盤掃描流程圖

按鍵處理程序主要實現(xiàn)報警參數(shù)設(shè)置以及顯示模式設(shè)置，其工作流程如下文所示。通過掃描鍵盤讀取鍵值，通過溫度傳感器設(shè)置溫度的最大值報警值和最小值報警值，鍵盤掃描流程圖如圖6所示。

4　系統(tǒng)測試

把系統(tǒng)設(shè)計的溫度計放在既有水又有冰的混合物里面，讓溫度計在混合物中靜置一段時間后，把此時系統(tǒng)顯示的溫度值設(shè)置為0.00，即0℃；然后讀取當?shù)氐孛娴拇髿鈮簭姡⒂嬎愠霎敃r的實際壓強，再把溫度計放到沸騰的水中，根據(jù)物理中水的沸點和實際壓強的關(guān)系確定此時水沸騰的實際溫度，讓顯示屏的數(shù)據(jù)和當?shù)禺敃r的沸點溫度相等［6］。經(jīng)過測試，系統(tǒng)設(shè)計的溫度計可以測量-30℃～ 150℃之間的溫度，測量精度為 0.5℃，常用的溫度為0℃～ 100℃。分別測試幾個溫度點，然后用精密水銀再測試這幾個溫度點，把兩種溫度計測試的結(jié)果進行對比，經(jīng)過測試表明，該系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)字溫度計精確度達到測量精度要求。

5　結(jié)論

本測溫系統(tǒng)充分利用了單片機強大資源，功能齊全，設(shè)計電路簡單、美觀，不僅具有精度高、速度快的特點，還具有穩(wěn)定性好、使用范圍廣的特點，適用于對溫度要求比較高的場所，具有很強的實用性。

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