基于基于 51 单片机的数字温度报警器单片机的数字温度报警器摘要：摘要： 随着传感器在生产生活中更加广泛的应用，一种新型的数字式温度传感器实现对温度 的测试与控制得到了更快的开发。本文设计了一种基于单片机 AT89C52 的温度检测及报 警系统。该系统将温度传感器 DS18B20 接到单片机的一个端口上，单片机对温度传感器 进行循环采集。将采集到的温度值与设定的上下限进行比较，当超出设定范围的上下限 时，通过单片机控制的报警电路就会发出报警信号，从而实现了本次课程设计的要求。 该系统设计和布线简单、结构紧凑、体积小、重量轻、抗干扰能力较强、性价比高、扩 展方便，在工农业等领域的温度检测中有广阔的应用前景。本次课程设计的测量范围为0-99，测量误差为2。关键字：关键字：温度传感器、单片机、报警、数码管显示一、概述一、概述本次设计可以应用到许多我们用过的软件设计，将前面所学的知识融汇在一起实现 温度监测及其报警的功能，来提醒农民当前大棚内温度是否适合农作物的生长。 电子技术是在十九世纪末、二十世纪初开始发展起来的新兴技术，在二十世纪发展 最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。 随着电子技术的飞速发展，电子技术在日常生活中得到了广泛的应用，各类转换电 路的不断推出以及电子产品的快速更新，电子技术已成为世界发展和人们生活中必不可 少的工具。 本次课设应用 Protues 软件设计一个温度检测报警系统，用温度传感器 DS18B20 采 集大棚内的温度，当大棚内的温度高于 30。或低于 15。时，电路发出报警信号并显 示当前温度，达到提醒农民的效果。 本次课设要求设计一个温度监测报警显示电路，要求温度范围：0-99；测量误 差为2；报警下限温度为：15；报警上限温度为：30。二、方案论证二、方案论证设计一个用于温室大棚温度监测系统。大棚农作物生长时，其温度不能太低，也不 能太高，太低或太高均不适合农作物生长。该系统可实时测量、显示大棚的温度，当大 棚温度超过农作物生长的温度范围时，报警提醒农民。方案一：方案一原理框图如图 1 所示。AT89C52 单片机数字温度传 感器报警系统译码显示电 路温度电压 转换电路信号调 理电路A/D 转 换电路报警电 路译码显 示电路Tx图 1 大棚温度检测系统的原理框图方案二：方案二原理框图如图 2 所示。图 2 方案二原理框图 本设计采用方案二，设计电路较为简单不复杂且硬件实现及调试比方案一理想，比 较容易实现，性价比较高。 三、电路设计三、电路设计1.单片机最小系统的设计单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的 中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/ 计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。本次课程设计中选 用 AT89C52 式单片机，其最小系统主要由电复位、振荡电路组成。单片机的最小系统如 图 3 所示。 单片机的复位电路原理是在单片机的复位引脚 RST 上电阻和电容，实现上电复位。 当复位电平持续两个时钟周期以上时复位有效。复位电路由按键复位和上电复位两部分 组成，上电复位是在复位引脚上连接一个电容到 VCC，再连接一个电阻到 GND；按键复位 是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST 也被拉到高电平，而且由 于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。 AT89C51 单片机使用 12MHZ 的晶振最为振荡源，由于单片机内部有振荡电路，所以外 部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容一般在 15pF 至 50pF 之间。外部晶振结合单 片机内部电路产生单片机所需的时钟频率。图 3 单片机最小系统2.温度采集电路的设计温度采集电路部分，采用数字温度传感器 DS18B20 进行温度采集。DS18B20 是 DALLAS 公司生产的一线式数字温度传感器，具有 3 个引脚；温度侧量范围为-55 +125，测量精度为 0.5；被测温度用符号扩展的 16 位数字量方式串行输出；CPU 只 需用一个端口线就可以与 DS18B20 通信。温度采集电路如图 4 所示。图 4 温度采集电路3.LED 显示报警电路的设计LED 数码管与单片机的 P0 口相连，单片机将采集到的温度值转化为与数码管对应的数据，通过 P0 口输出显示。即信号通过译码管的端口 a、b、c、d、e、f、g 、dp 端来控 制每段译码管的亮灭与否，同时通过端口 1、2、3、4 四个端口来控制四个译码管。在本 次设计中，用集成芯片 74HC245 驱动数码管。同时当采集到的温度值超过所设置的范围 时，单片机会输出一信号，通过三极管放大后驱动蜂鸣器发出报警信号。LED 数码管报警 电路如图 5 所示。图 5 LED 显示及报警电路四、程序流程四、程序流程1.主程序流程图主程序中对单片机做了初始化的设计，包含温度的读取、数码管显示、报警三个子 系统，运行时由主程序先调用 DS18B20 读取温度的子函数进行温度采集，再将数据送入 数码管显示。同时判断所采集的数据是否超出所设置的温度范围。如果超出，调用报警 子系统；未超出，程序自动返回。主程序流程图如图 6 所示。图 6 主程序流程图2.DS18B20 读取温度流程图根据 DS18B200 的通讯协议，单片机 控制 DS18B20 完成温度转换必须经过三个步 骤：每一次读写之前都要对 DS18B20 进行复位操作，复位成功后发送一条ROM 指令， 最后发送 RAM 指令，这样才能对 DS18B20 进行预定的操作 （复位要求主 CPU 将数据 线下拉 500 微秒然后释放，当 DS18B20 收到信号后等待 1660 微秒左右，后发出 60240 微秒的存在低脉冲，主 CPU 收到此信号表示复位成功 ） 。DS18B20 读取温度 时先读取温度低字节，在读取温度高字节。 程序中命令 0xCC：跳过读序号列号的操作； 命令 0x44：启动温度转换；命令 0xBE：读取温度寄存器等，前两个字节就是温度。后面 的寄存器省略不读。DS18B20 读取温度流程图如图 7 所示。图 7 DS18B20 读取温度流程图3.译码显示流程图。译码显示程序中，要先将初始标识清除。将温度的个位送至低位数码管显示，清除 标志再将温度值的高位送到高位数码管显示。之后延时，清除标志返回继续显示下一数 据。译码显示流程图如图 8 所示。图 8 译码显示流程图4.报警程序流程图程序中首先判断所读取的温度是否超出所设定的下限，如果超出下限，报警器报警； 如果没超出下限，再跟上限值比较判断是否超出上限。如果超出，则报警；若无，程序 返回。报警程序流程图如图 9 所示。图 9 报警程序流程图五、电路性能的测试五、电路性能的测试1.软件测试在 PROTUES 软件中，连接好电路图后将在 Keil 中生成的“温度监测.HEX”程序文件 导入单片机中。由于 DS18B20 系统中设置的温度初值为 85，所以当开始仿真时报警器 会报警，数码管显示也为 85。4 至 5 秒后数字温度传感器会显示当前温度，数码管也相 应显示其数值。在 PROTUES 软件仿真中，调节 DS18B20 的左右按钮可是温度值对应加减， 数码管会显示当前值。当减到 15以下或加到 30以上时，报警器会报警。调节数字温 度传感器 DS18B20 使其温度减到 14，此时报警器报警，数码管显示 14。14时的电路 仿真如图 10 所示。图 10 14时，仿真电路图 调节 DS18B20 的温度值使其在 099之间变化，电路仿真情况如表 1 所示。设置温度值051015182023252729数码管显示051015182023252729是否报警是是是否否否否否否否设置温度值30313540506070809099数码管显示30313540506070809099是否报警否是是是是是是是是是表 1 099温度范围内电路仿真情况统计表2.硬件测试完成硬件焊接并检查电路无误后，给电路加 5V 电压。用万用表测量各点电压均正确， 将相关的 C 语言程序导入单片机中，打开开关进行硬件测试。测试时发现了如下几个问 题： （1）数码管不显示经过查找资料发现由于我们把晶振焊接的离单片机内部的振 荡电路太远，导致无振荡产生。重心将晶振焊接离单片机较近的地方，数码管显示正常。（2）单片机的复位电路不工作由于软件仿真比较理想，复位电路选择的电容在硬件中不起作用。将复位电路的电容并联一个较大的电容，并将单片机 EA 脚接电源后， 单片机复位电路有效。六、结论及性价比六、结论及性价比应用方案二设计的简易温度检测报警系统，符合课设任务的要求。测温范围：0- 99；误差：2报警下限温度：15；报警上限温度：30。当温度低于 15或高 于 30时报警器会报警同时数码管也会显示当时温度。 此次课程设计所需要的元件在实验室都可以找到，同时价格也比较合理。做出来的 硬件实现功能比较理想，具有体积小、重量轻、抗干扰能力强、精确度高等优点。同时 也可以做进一步的扩展，可扩展为多路温度采集系统。总体来说符合了性价比要求。七、课程设设计体会及合理建议七、课程设设计体会及合理建议本次课程设计是一次综合性的应用，全方位考察了我们对所学软件的理解与掌握。 通过本学期对单片机课程和传感器课程的学习我们不但对以前学过的知识点有了更深一 步的掌握，同时还学到了更多书本中所没有涉及到的东西。从开始做期末作品后就不断 地去图书馆借书查找相关资料、上网搜索信息、与同组同学讨论方案。在我们的共同努 力下，在本周成功的完成了软件的设计。因为实验室要为电子竞赛准备，所以不能能打 印 PCB 版做出实物，这也是本次作品遗憾的地方。 虽然在设计的过程中遇到各种各样的困难，但最终在老师和同学的帮助下完成了设 计。极大的培养了我们的科研精神，激发了我们的专业兴趣，积累了实践经验，为将来 的继续学习和工作打下了基础。虽然这是我们在期末前的最后一个简单的课程设计，但 却让我们学到了很多。所以希望学院能够多安排一些类似的实践训练，能让我们有更多 的机会接触具有现实意义的项目，能接触更多的硬件，更好的提升自己的实践能力和综 合能力。参考文献参考文献1.沙占友、李学芝著.中外数字万用表电路原理与维修技术.M北京：人民邮电出版社， 1993 年.P157-P180。 2.黄志伟主编.全国大学生电子设计竞赛电路设计.M北京：北京航空航天大学出版社， 2006 年.P5-P21。 3.戴伏生主编.基础电子电路设计与实践.M北京：国防工业出版社，2002 年.P65- 68。 4.谭博学主编.集成电路原理与应用.M北京：电子工业出版社，2003 年.P134-P140。 5.张毅刚、刘杰主编.单片机原理与应用.M哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2010 年. P55-P60。 6.田立、田清、代方震主编.51 单片机 C 语言程序设计快速入门.M北京：人民邮电出 版社，2007 年.P123-P144。 7.刘文涛主编.单片机语言 C51 典型应用设计.M北京：人民邮电出版社，2005 年. P211-P213。 8.张学昭、王东云主编.单片机原理、接口技术及应用（含 C51）.M西安：西安电子 科技大学出版社，2009 年.P33-P45。 9.高慧芳主编.单片机原理与应用技术.M北京：科学出版社，2010 年.P235-P258。附录附录 I：总电路图：总电路图 和和 PCB 图图附录附录 II：元器件清单：元器件清单序号编号名称型号数量1R1 电阻4.7K12R2电阻100K13R3电阻5K14RP1排阻5K15C1、C2电容33P26C3电容100u17S1按键开关18X1晶振12M19Q1