基于51單片機(jī)的溫度報(bào)警器設(shè)計(jì)

基于51單片機(jī)的溫度報(bào)警器設(shè)計(jì)

摘 要：單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)普及到我們生活，工作，科研，各個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)成為一種比較成熟的技術(shù),本文將介紹一種基于單片機(jī)控制的數(shù)字溫度器，本溫度計(jì)屬于多功能溫度計(jì)，可以設(shè)置上下報(bào)警溫度，當(dāng)溫度不在設(shè)置范圍內(nèi)時(shí)，可以報(bào)警。 隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展及人們對(duì)生活環(huán)境要求的提高，人們也迫切需要檢測(cè)與控制溫度。本文通過采用蜂鳴器作為電聲元件的溫度報(bào)警器的設(shè)計(jì)，闡明了該裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)與制作的具體過程及方法。這種溫度報(bào)警器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛。工作時(shí)，溫度測(cè)量范圍為5—38oＣ。當(dāng)前環(huán)境溫度若超過設(shè)定的高溫臨界溫度，由單片機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，從而防止帶來的不必要的損失。 造成高溫火災(zāi)有：電氣線路短路、過載、接觸電阻過大等引發(fā)高溫或火災(zāi)；靜電產(chǎn)生高溫或或火災(zāi)；雷電等強(qiáng)電侵入導(dǎo)致高溫或火災(zāi)；最主要是機(jī)房?jī)?nèi)電腦、空調(diào)等用電設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間工作，導(dǎo)致設(shè)備老化，空調(diào)發(fā)生故障，而不能降溫；因此機(jī)房?jī)?nèi)所屬的電子產(chǎn)品發(fā)熱快，在短時(shí)間內(nèi)機(jī)房溫度升高超出設(shè)備正常溫度，導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓或產(chǎn)生火災(zāi)，這時(shí)溫度報(bào)警系統(tǒng)就會(huì)發(fā)揮應(yīng)有的功能。 關(guān)鍵詞STC89C51單片機(jī)，數(shù)字控制，溫度計(jì)，DS18B20 前言 隨著人們生活水平的不斷提高,單片機(jī)控制無疑是人們追求的目標(biāo)之一，它所給人帶來的方便也 是不可否定的，其中數(shù)字溫度計(jì)就是一個(gè)典型的例子，但人們對(duì)它的要求越來越高，要為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設(shè)施就需要從數(shù)單片機(jī)技術(shù)入手，一切向著數(shù)字化控制，智能化控制方向發(fā)展。 本設(shè)計(jì)所介紹的數(shù)字溫度計(jì)與傳統(tǒng)的溫度計(jì)相比，具有讀數(shù)方便，測(cè)溫范圍廣，測(cè)溫準(zhǔn)確，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對(duì)測(cè)溫比較準(zhǔn)確的場(chǎng)所，或科研實(shí)驗(yàn)室使用，該設(shè)計(jì)控制器使用 單片機(jī) STC89C51，測(cè)溫傳感器使用 DS18B20，用四位一體共陰極 LED 數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)溫度 顯示,能準(zhǔn)確達(dá)到要求。

1 設(shè)計(jì)要求與方案論證

首先明確設(shè)計(jì)要求，再討論方案，一一攻破設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

1.1 設(shè)計(jì)要求

基本范圍：溫度檢測(cè)范圍-55℃-125℃，報(bào)警值設(shè)置范圍0℃-99℃ ；

精度誤差小于 0.1℃ ；

數(shù)碼管直讀顯示；

擴(kuò)展功能：可以任意設(shè)定溫度的上下限報(bào)警功能。

1.2 系統(tǒng)基本方案選擇和論證

1.2.1 單片機(jī)芯片的選擇方案和論證

由于單片機(jī)具有以下的很多優(yōu)點(diǎn)，被我們選定為制作該作品的首選芯片

單片機(jī)特點(diǎn)：

（1）高集成度，體積小，高可靠性

單片機(jī)將各功能部件集成在一塊晶體芯片上，集成度很高，體積自然也是最小的。芯片本身是按工業(yè)測(cè)控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的，內(nèi)部布線很短，其抗工業(yè)噪音性能優(yōu)于一般通用的CPU。單片機(jī)程序指令，常數(shù)及表格等固化在ROM中不易破壞，許多信號(hào)通道均在一個(gè)芯片內(nèi)，故可靠性高。

（2）控制功能強(qiáng)

為了滿足對(duì)對(duì)象的控制要求，單片機(jī)的指令系統(tǒng)均有極豐富的條件:分支轉(zhuǎn)移能力，I/O口的邏輯操作及位處理能力，非常適用于專門的控制功能。

（3）低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品

為了滿足廣泛使用于便攜式系統(tǒng)，許多單片機(jī)內(nèi)的工作電壓僅為1.8V～3.6V，而工作電流僅為數(shù)百微安。

（4）易擴(kuò)展

片內(nèi)具有計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行所必需的部件。芯片外部有許多供擴(kuò)展用的三總線及并行、串行輸入/輸出管腳，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

（5）優(yōu)異的性能價(jià)格比

單片機(jī)的性能極高。為了提高速度和運(yùn)行效率，單片機(jī)已開始使用RISC流水線和DSP等技術(shù)。單片機(jī)的尋址能力也已突破64KB的限制，有的已可達(dá)到1MB和16MB，片內(nèi)的ROM容量可達(dá)62MB，RAM容量則可達(dá)2MB。由于單片機(jī)的廣泛使用，因而銷量極大，各大公司的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)更使其價(jià)格十分低廉，其性能價(jià)格比極高。

方案一:

采用STC89C51芯片作為硬件核心。STC89C51內(nèi)部具有8KB ROM 存儲(chǔ)空間,512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，帶有2K字節(jié)的EEPROM存儲(chǔ)空間，與MCS-51系列單片機(jī)完全兼容,STC89C51可以通過串口下載。

方案二:

采用AT89S51。AT89S51片內(nèi)具有8K字節(jié)程序存儲(chǔ)空間，256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間沒有EEPROM存儲(chǔ)空間，也與MCS-51系列單片機(jī)完全兼容，具有在線編程可擦除技術(shù)。

兩種單片機(jī)都完全能夠滿足設(shè)計(jì)需要，STC89C51相對(duì)ATS89C52價(jià)格便宜，且抗干擾能力強(qiáng)。考慮到成本因素，因此選用STC89C51。

1.2.2 溫度傳感器設(shè)計(jì)方案論證

利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律把溫度轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。這些呈現(xiàn)規(guī)律性變化的物理性質(zhì)主要有體。溫度傳感器是溫度測(cè)量?jī)x表的核心部分，品種繁多。按測(cè)量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。

現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集(即傳感器技術(shù))、信息傳輸(通信技術(shù))和信息處理(計(jì)算機(jī)技術(shù))。溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段；(1)傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感元件)；(2)模擬集成溫度傳感器/控制器；(3)智能溫度傳感器。國(guó)際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。在20世紀(jì)90年代中期最早推出的智能溫度傳感器，采用的是8位A/D轉(zhuǎn)換器，其測(cè)溫精度較低，分辨力只能達(dá)到1°C。國(guó)外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度傳感器，所用的是9~12位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨力一般可達(dá)0.5~0.0625°C。由美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其分辨力高達(dá)0.03125°C，測(cè)溫精度為±0.2°C。為了提高多通道智能溫度傳感器的轉(zhuǎn)換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。目前，智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，所采用的總線主要有單線(1-Wire)總線、I2C總線、SMBus總線和spI總線。溫度傳感器作為從機(jī)可通過專用總線接口與主機(jī)進(jìn)行通信。

方案一:

由于本設(shè)計(jì)是測(cè)溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應(yīng)，在將隨被測(cè)溫度變化 的電壓或電流采集過來，進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測(cè)溫度顯示出來，這種設(shè)計(jì)需要用到 A/D 轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。

方案二:

進(jìn)而考慮到用溫度傳感器，在單片機(jī)電路設(shè)計(jì)中，大多都是使用傳感器，所以這是非常容易想到的，所以可以采用一只溫度傳感器 DS18B20，此傳感器，可以很容易直接讀取被測(cè)溫度值，進(jìn)行轉(zhuǎn)換，就可以滿足設(shè)計(jì)要求。

從以上兩種方案，兩種都完全能夠滿足設(shè)計(jì)需要，很容易看出，采用方案二，電路比較簡(jiǎn)單，軟件設(shè)計(jì)也比較簡(jiǎn)單，故采用了方案二。

1.3 電路設(shè)計(jì)最終方案決定

綜上各方案所述,對(duì)此次作品的方案選定: 采用STC89C51單片機(jī)作為主控制系統(tǒng);采用DS18B20為傳感器;采用數(shù)碼管作為顯示器件。

2 主要元件介紹

2.1 STC89C51介紹

STC89C51是由深圳宏晶科技公司生產(chǎn)的與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令集和輸出管腳相兼容的單片機(jī)。

2.1.1 STC89C51主要功能及PDIP封裝

STC89C51主要功能如表1所示，其PDIP封裝如圖1所示

表1：STC89C51主要功能

2.1.2 STC89C51引腳介紹

① 主電源引腳（2根）

VCC(Pin40)：電源輸入，接＋5V電源

GND(Pin20)：接地線

②外接晶振引腳（2根）

XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端

XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端

③控制引腳（4根）

RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。

ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號(hào)

PSEN(Pin29)：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)

EA/VPP(Pin31)：程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲(chǔ)器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀指令。

④可編程輸入/輸出引腳（32根）

STC89C51單片機(jī)有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、P1、P2、P3口，每個(gè)口有8位（8根引腳），共32根。

P0口（Pin39～Pin32）：8位雙向I/O口線，名稱為P0.0～P0.7

P1口（Pin1～Pin8）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P1.0～P1.7

P2口（Pin21～Pin28）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P2.0～P2.7

P3口（Pin10～Pin17）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P3.0～P3.7

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圖1：STC89C51封裝圖

2.1.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)：

當(dāng)在STC89C51單片機(jī)的RST引腳引入高電平并保持2個(gè)機(jī)器周期時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作，按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過RST端經(jīng)過電阻與電源VCC接通而實(shí)現(xiàn)的。最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

電路以STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)為控制核心，測(cè)溫電路由DS18B20提供，輸入部分采用三個(gè)獨(dú)立式按鍵S1、S2、S3。數(shù)碼管顯示部分。具體電路連接，詳見附錄1。

2.2 DS18B20傳感器介紹

2.2.1 DS18B20概述

在現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)中，傳感器占據(jù)著不可動(dòng)搖的重要位置。主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力已經(jīng)相當(dāng)?shù)膹?qiáng)，但是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的模擬量卻無能為力。如果沒有各種精確可靠的傳感器對(duì)非電量和模擬信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并提供可靠的數(shù)據(jù)，那計(jì)算機(jī)也無法發(fā)揮他應(yīng)有的作用。傳感器把非電量轉(zhuǎn)換為電量，經(jīng)過放大處理后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理。從而傳感器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來，對(duì)自動(dòng)化和信息化起重要作用。

采用各種傳感器和微處理技術(shù)可以對(duì)各種工業(yè)參數(shù)及工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)控及檢驗(yàn)，準(zhǔn)確測(cè)量產(chǎn)品性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患。為提高產(chǎn)品質(zhì)量、改進(jìn)產(chǎn)品性能，防止事故發(fā)生提供必要的信息和更可靠的數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)的工作環(huán)境比較惡劣，且對(duì)測(cè)量要求比較高，所以選擇合適的傳感器很重要。目前，國(guó)際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、從集成化向智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展。智能溫度傳感器DS18B20正是朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測(cè)溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。因此，智能溫度傳感器DS18B20作為溫度測(cè)量裝置已廣泛應(yīng)用于人民的日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的 DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片外加不銹鋼保護(hù)管封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。有獨(dú)特的單線接口方式，DS1820在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS1820的雙向通訊；其測(cè)溫范圍 －55℃～＋125℃，固有測(cè)溫分辨率0.5℃；支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能；多個(gè)DS1820可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫；工作電源為3~5V/DC；在使用中不需要任何外圍元件。

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