单片机课程设计——温度监控系统设计

  单片机课程设计报告

                    设计题目：温度监测系统           

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                        学生姓名： _____             

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                                        目录                             

一、引言············································································2

二、设计目的与要求··································································2

三、总体设计方案····································································2

四、实验原理········································································3

五、材料清单········································································4

六、基本芯片及其原理································································5

   6.1单片机

   6.2温度传感器及其原理

   6.3   DS18B20传感器的温度数据关系

七、程序设计·········································································7

八、系统框图·········································································11

九、工作流程图·······································································12

十、硬件电路图·······································································14

十一、结束语·········································································15

十二、参考文献·······································································15

                 温度监测系统课程设计任务书 

一、引言

温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，对温度的测控方法多种多样。

随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。

作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步，其应用领域较广泛。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。

为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本系统利用传感器与单片机相结合，应用性比较强，本系统可以作为仓库温度监控系统，如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、实验室温度监控系统，以及构成智能电饭煲等等。课题主要任务是完成环境温度监测，利用单片机实现温度监测并通过报警信号提示温度异常。本设计具有操作方便，控制灵活等优点。

本设计系统包括单片机，温度采集模块，显示模块，按键控制模块，报警和指示模块五个部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。整个系统的核心是进行温度监控，完成了课题所有要求。

2、设计目的与要求 

1、能显示即时温度；

2、能设定温度的上下限值；

3、当温度超出设定极限值时进行报警。

三、总体设计方案

总体设计方案采用ATC2051单片机作控制器，温度传感器选用DS18B20来设计数字温度计，系统由5个模块组成：主控制器、测温电路、显示电路、控制电路、报警及指示电路。主控制器由单片机ATC2051实现，测温电路由DS18B20温度传感器实现，显示电路由4位LED数码管直读显示,，报警指示电路由蜂鸣器和发光二级管构成，控制电路由按键构成。本设计所使用的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，测温准确等特点，其输出温度采用数字显示，主要用于对温度的精度要求较高的场所，或科研实验室使用，并且加有报警装置，超过温度可发出报警信号，还可以调整报警上下限温度。该设计控制器使用单片机ATC2051，测温传感器使用DS18B20，用4位共阳极LED数码管以I/O口传送数据，实现温度显示，能准确达到以上要求。

四、实验原理

利用温度传感器芯片监测环境温度，将温度信号转换为数字信号传送到单片机内部，单片机通过对温度数据进行处理，利用四位八段数码管显示环境温度，并利用蜂鸣器和发光二极管发出超限警报信号。通过按键操作可以改变报警温度的上下限。

五、材料清单

6.1单片机

ATC2051是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于80C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。C52内置8位处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。

本次课程设计所使用的单片机为ATC2051单片机，是深圳宏晶科技生产的完全兼容INTEL公司MCS-51系列的单片机。

6.2温度传感器及其原理

传感器DS18B20具有体积小、精度高、适用电压宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。

美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 “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。

现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。使用户可以充分发挥“一线总线”的优点。 同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C～+125°C，在-10～+85°C范围内，精度为±0.5°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。

6.2.1   DS18B20的特性

（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，寄生电源方式下可由数据线供电。

（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。

（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，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。

（5）温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃。

（6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。

（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。

（8）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。

（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

6.2.2   DS18B20内部结构及DS18B20的管脚排列

位光刻ROM是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列号。不同的器件地址序列号不同。DS18B20内部结构主要由四部分组成：位光刻ROM，温度传感器，非挥发的温度报警触发器TH和TL，高速暂存器。 

DS18B20的引脚定义：

图一  DS18B20引脚定义

(1)DQ为数字信号输入/输出端。

(2)GND为电源地。

(3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

6.3   DS18B20传感器的温度数据关系：

图二  温度传感器的温度数据关系

7、程序设计

  ORG  0000H        ;单片机内存分配申明!

TEMPER_L  EQU  29H  ;用于保存读出温度的低8位

TEMPER_H  EQU  28H  ;用于保存读出温度的高8位

FLAG1   EQU  38H    ;是否检测到DS18B20标志位

A_BIT   EQU  20H    ;数码管个位数存放内存位置

B_BIT   EQU  21H    ;数码管十位数存放内存位置

MAIN:   LCALL  GET_TEMPER ;调用读温度子程序

;显示范围00到99度,显示精度为1度

;因为12位转化时每一位的精度为0.0625度,我们不要求显示小数所以可以抛弃29H的低4位

;将28H中的低4位移入29H中的高4位,这样获得一个新字节,这个字节就是实际测量获得的温度

;这个转化温度的方法非常简洁，无需乘于0.0625系数

  MOV  A,29H

  MOV  C,40  ;将28H中的最低位移入C

  RRC  A

  MOV  C,41H

  RRC  A

  MOV  C,42H

  RRC  A

  MOV  C,43H

  RRC  A

  MOV  29H,A

  LCALL  DISPLAY  ;调用数码管显示子程序

  AJMP  MAIN

;这是DS18B20复位初始化子程序

INIT_1820: SETB  P3.4

  NOP

  CLR  P3.4

;主机发出延时537微秒的复位低脉冲

  MOV  R1,#3

TSR1:  MOV  R0,#107

  DJNZ  R0,$

  DJNZ  R1,TSR1

  SETB  P3.4  ;然后拉高数据线

  NOP

  NOP

  NOP

  MOV  R0,#25H

TSR2:  JNB  P3.4,TSR3 ;等待DS18B20回应

  DJNZ  R0,TSR2  ;延时

  LJMP  TSR4   

TSR3:  SETB  FLAG1   ;置标志位,表示DS1820存在

  LJMP  TSR5

TSR4:  CLR  FLAG1   ;清标志位,表示DS1820不存在

  LJMP  TSR7

TSR5:  MOV  R0,#117

TSR6:  DJNZ  R0,TSR6  ;时序要求延时一段时间

TSR7:  SETB  P3.4

  RET

;读出转换后的温度值

GET_TEMPER: SETB  P3.4

  LCALL  INIT_1820 ;先复位DS18B20

  JB  FLAG1,TSS2

  RET    ;判断DS1820是否存在?若DS18B20不存在则返回

  TSS2:  MOV  A,#0CCH  ;跳过ROM匹配

  LCALL  WRITE_1820

  MOV  A,#44H   ;发出温度转换命令

  LCALL  WRITE_1820;这里通过调用显示子程序实现延时一段时间,等待AD转换结束,12位的话750微秒

  LCALL  DISPLAY

  LCALL  INIT_1820 ;准备读温度前先复位

  MOV  A,#0CCH  ;跳过ROM匹配

  LCALL  WRITE_1820

  MOV  A,#0BEH  ;发出读温度命令

  LCALL  WRITE_1820

  LCALL  READ_18200 ;将读出的温度数据保存到35H/36H 

  RET

;写DS18B20的子程序(有具体的时序要求)

WRITE_1820: MOV  R2,#8  ;一共8位数据

  CLR  C

WR1:  CLR  P3.4

  MOV  R3,#6

  DJNZ  R3,$

  RRC  A

  MOV  P3.4,C

  MOV  R3,#23

  DJNZ  R3,$

  SETB  P3.4

  NOP

  DJNZ  R2,WR1

  SETB  P3.4

  RET

;读DS18B20的程序,从DS18B20中读出两个字节的温度数据

 READ_18200: MOV  R4,#2   ;将温度高位和低位从DS18B20中读出

  MOV  R1,#29H  ;低位存入29H(TEMPER_L),高位存入28H(TEMPER_H)

RE00:  MOV  R2,#8  ;数据一共有8位

RE01:  CLR  C

  SETB  P3.4

  NOP

  NOP

  CLR  P3.4

  NOP

  NOP

  NOP

  SETB  P3.4

  MOV  R3,#9

RE10:   DJNZ  R3,RE10

  MOV  C,P3.4

  MOV  R3,#23

RE20:   DJNZ  R3,RE20

  RRC  A

  DJNZ  R2,RE01

  MOV  @R1,A

  DEC  R1

  DJNZ  R4,RE00

  RET

;显示子程序

DISPLAY:  MOV  A,29H  ;将29H中的十六进制数转换成10进制 

  MOV  B,#10   ;10进制/10=10进制

  DIV  AB

  MOV  B_BIT,A  ;十位在a

  MOV  A_BIT,B  ;个位在b

  MOV  DPTR,#NUMTAB  ;指定查表启始地址

  MOV  R0,#4 

DPL1:   MOV  R1,#250  ;显示1000次

DPLOP:   MOV  A,A_BIT  ;取个位数

  MOVC  A,@A+DPTR  ;查个位数的7段代码

  MOV  P1,A   ;送出个位的7段代码

  CLR  P3.7   ;开个位显示

  ACALL  D1MS   ;显示1ms

  SETB  P3.7

  MOV  A,B_BIT  ;取十位数

  MOVC  A,@A+DPTR  ;查十位数的7段代码

  MOV  P1,A   ;送出十位的7段代码

  CLR  P3.5   ;开十位显示

  ACALL  D1MS   ;显示1ms

  SETB  P3.5

  DJNZ  R1,DPLOP  ;250次没完循环

  DJNZ  R0,DPL1  ;4个250次没完循环

  RET

;1MS延时(按12MHZ算)

D1MS:   MOV  R7,#80 

  DJNZ  R7,$

  RET

;7段数码管0～9数字的共阳显示代码

NUMTAB:  DB 081H,0CFH,092H,086H,0CCH,0A4H,0A0H,08FH,080H,084H

END

八、系统框图

本系统设计由5个模块组成：主控制器（单片机）、温度采集模块、温度显示模块、控制电路模块、报警及指示模块。主控制器由单片机ATC2051实现，测温电路由DS18B20温度传感器实现，显示电路由4位LED数码管直读显示，报警指示电路由蜂鸣器和发光二级管构成，控制电路由按键构成。

系统框图如下：

                   图三   系统框图

九、工作流程图

                图四   主要功能流程图

                图五  指示、报警模块流程图

              图六   读取温度值模块流程图

十、硬件电路图

十一、结束语

通过做本课题，使我们了解传感器的基本理论知识，更深入的了解单片机的开发应用和PC编程控制。为以后从事单片机软硬件产品的设计开发、PC软件开发打下了良好的基础，树立从事产品研发的信心。同时也培养了我们认真的做事态度。

从得到题目到查找资料，从对题目的研究设定到电路图的设计，电路图的设计到程序设计……在这一个充满挑战伴随挫折，充满热情伴随打击的过程中，我们感触颇深，它是对我们的钻研精神，创新精神，面对困难的心态，做事的毅力和耐心的考验。我们在这个过程中深刻的感受到了做设计的意义所在，和我们一样真正投入了身心去做的人也一定会有同样的感触。

本课题的重点、难点是：

●初步接触温度传感器，要对传感器的原理、结构、应用等各方面从头开始琢磨。

●考究调整电路的实现过程以及怎么样通过单片机来间接的控制。

●从仿真电路到实际电路的调试。

十二、参考文献

[1]  倪云峰.单片机原理及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009.

[2]  刘娟.单片机C语言与protues. 北京:中国电力出版社，2010.7

[3]  张齐.单片机原理与应用系统设计.北京：电子工业出版社，2010.2