基于51單片機的溫度測量系統

摘　要: 單片機在檢測和控制系統中得到廣泛的應用, 溫度則是系統常需要測量、控制和保持的一個(gè)量。 本文從硬件和軟件兩方面介紹了AT89C2051單片機溫度控制系統的設計，對硬件原理圖和程序框圖作了簡(jiǎn)潔的描述。

關(guān)鍵詞: 單片機AT89C2051;溫度傳感器DS18B20;溫度;測量

引言
    單片機在電子產(chǎn)品中的應用已經(jīng)越來(lái)越廣泛,并且在很多電子產(chǎn)品中也將其用到溫度檢測和溫度控制。為此在本文中作者設計了基于atmel公司的AT89C2051的溫度測量系統。這是一種低成本的利用單片機多余I/O口實(shí)現的溫度檢測電路, 該電路非常簡(jiǎn)單, 易于實(shí)現, 并且適用于幾乎所有類(lèi)型的單片機。

一.系統硬件設計
    系統的硬件結構如圖1所示。

 
1.1    數據采集
     數據采集電路如圖2所示, 由溫度傳感器DS18B20采集被控對象的實(shí)時(shí)溫度, 提供給AT89C2051的P3.2口作為數據輸入。在本次設計中我們所控的對象為所處室溫。當然作為改進(jìn)我們可以把傳感器與電路板分離，由數據線(xiàn)相連進(jìn)行通訊，便于測量多種對象。                                    

    DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線(xiàn)式數字溫度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式；溫度測量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出，支持3V～5.5V的電壓范圍，使系統設計更靈活、方便；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線(xiàn)上，CPU只需一根端口線(xiàn)就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節省大量的引線(xiàn)和邏輯電路。以上特點(diǎn)使DS18B20非常適用于遠距離多點(diǎn)溫度檢測系統。分辨率設定，及用戶(hù)設定的報警溫度存儲在EEPROM中，掉電后依然保存。DS18B20使電壓、特性有更多的選擇，讓我們可以構建適合自己的經(jīng)濟的測溫系統。如圖2所示DS18B20的2腳DQ為數字信號輸入/輸出端；1腳GND為電源地；3腳VDD為外接供電電源輸入端。

    AT89C2051（以下簡(jiǎn)稱(chēng)2051）是一枚8051兼容的單片機微控器，與Intel的MCS-51完全兼容，內藏2K的可程序化Flash存儲體，內部有128B字節的數據存儲器空間，可直接推動(dòng)LED，與8051完全相同，有15個(gè)可程序化的I/O點(diǎn)，分別是P1端口與P3端口（少了P3.6）。

1.2    接口電路

圖2 單片機2051與溫度傳感器DS18B20的連接圖

    接口電路由ATMEL公司的2051單片機、ULN2003達林頓芯片、4511BCD譯碼器、串行EEPROM24C16（保存系統參數）、MAX232、數碼管及外圍電路構成, 單片機以并行通信方式從P1.0～P1.7口輸出控制信號,通過(guò)4511BCD譯碼器譯碼，用2個(gè)共陰極LED靜態(tài)顯示溫度的十位、個(gè)位。

    串行EEPROM24C16是標準I2C規格且只要兩根引腳就能讀寫(xiě)。由于單片機2051的P1是一個(gè)雙向的I/O端口，所以在我們在設計中將P1端口當成輸出端口用。由圖2可知，P1.7作為串性的時(shí)鐘輸出信號與24C16的第6腳相接，P1.6則作為串行數據輸出接到24C16的第5腳。P1. 4和P1.5則作為兩個(gè)數碼管的位選信號控制，在P1.4=1時(shí)，選中第一個(gè)數碼管（個(gè)位）；P1.5=1時(shí)，選中第二個(gè)數碼管（十位）。P1.0～P1.3的輸出信號接到譯碼器4511上作為數碼管的顯示。此外，由于單片機2051的P3端口有特殊的功能，P3.0（RXD）串行輸入端口，P3.1（TXD）串行輸出端口，P3.2（INTO）外部中斷0，P3.3（INT1）外部中斷1P3.4，（T0） 外部定時(shí)/計數輸入點(diǎn)，P3.5（T1）外部定時(shí)/計數輸入點(diǎn)。由圖2可知，P3.0和P3.1作為與MAX232串行通信的接口；P3.2和P3.3作為中斷信號接口；P3.4和P3.5作為外部定時(shí)/記數輸入點(diǎn)。P3.7作為一個(gè)脈沖輸出，控制發(fā)光二極管的亮滅。

    由于在電路中采用的共陰極的LED數碼管，所以在設計電路時(shí)加了一個(gè)達林頓電路ULN2003對信號進(jìn)行放大，產(chǎn)生足夠大的電流驅動(dòng)數碼管顯示。由于4511只能進(jìn)行BCD十進(jìn)制譯碼，只能譯到0至9，所以在這里我們利用4511譯碼輸出我們所需要的溫度。

1.3    報警電路簡(jiǎn)介

圖3 溫度在七段數碼管上顯示連接圖

    本文中所設計的報警電路較為簡(jiǎn)單，由一個(gè)自我震蕩型的蜂鳴器（只要在蜂鳴器兩端加上超過(guò)3V的電壓，蜂鳴器就會(huì )叫個(gè)不停）和一個(gè)發(fā)光二極管組成（如圖3所示）。在這次設計中蜂鳴器是通過(guò)ULN2003電流放大IC來(lái)控制。在我們所要求的溫度達到一定的上界或者下界時(shí)（在文中我們設置的上界溫度是45℃，下界溫度是5℃），報警電路開(kāi)始工作，主要程序設計如下：
main()//主函數                              
{unsigned char i=0;
 unsigned int m,n;
  while(1)
  {i=ReadTemperature();//讀溫度}
 if(i>0 && i<=10)      //如果溫度在0到10度之間直接給七段數碼管賦值
 {P1=designP1[i];}
 else//如果溫度大于10度
 {m=i%10;//先給第一個(gè)七段數碼管賦值
  D1=1;
  D2=0;
  P1=designP1[m];                             
  n=i/10;//再給第二個(gè)七段數碼管賦值
  D1=0;
  D2=1;
  P1=designP1[n];
  if(n>=4&&m>=5)%%(m<=5)//判斷溫度的取值范圍，如果大于45或小于5度，則蜂鳴器叫，發(fā)光二極管閃爍
  { int a,b;
   Q1=1;//蜂鳴器叫
   for(a=0;a<1000;a++)//發(fā)光二極管閃爍
   for(b=0;b<1000;b++)
    Q2=1;
   for(a=0;a<1000;a++)
   for(b=0;b<1000;b++)
    Q2=0;}}}

二.系統軟件設計

圖4 系統程序流程圖

2.1 系統程序流程圖
    系統程序流程圖如圖4所示。

2.2 溫度部分軟件設計                                      

    DS18B20的一線(xiàn)工作協(xié)議流程是：初始化→ROM操作指令→存儲器操作指令→數據傳輸。其工作時(shí)序包括初始化時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序和讀時(shí)序。故主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：每一次讀寫(xiě)之前都要對DS18B20進(jìn)行復位，復位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進(jìn)行預定的操作。復位要求主CPU將數據線(xiàn)下拉500微秒，然后釋放，DS18B20收到信號后等待16～60微秒左右，后發(fā)出60～240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復位成功。程序主要函數部分如下：

（1）初始化函數
//讀一個(gè)字節函數
ReadOneChar(void)
{unsigned char i=0;
unsigned char dat = 0;
for (i=8;i>0;i--)
 { DQ = 0; // 給脈沖信號
  dat>>=1;
  DQ = 1; // 給脈沖信號
  if(DQ)
   dat|=0x80;
  delay(4);}
 return(dat);}
//寫(xiě)一個(gè)字節函數
WriteOneChar(unsigned char dat)
{unsigned char i=0;
 for (i=8; i>0; i--)
 {DQ = 0;
  DQ = dat&0x01;
  delay(5);
  DQ = 1;
  dat>>=1;}}
（2）讀取溫度并計算函數
ReadTemperature(void)
{unsigned char a=0;
unsigned char b=0;
unsigned int t=0;
float tt=0;
Init_DS18B20();
WriteOneChar(0xCC); // 跳過(guò)讀序號列號的操作
WriteOneChar(0x44); // 啟動(dòng)溫度轉換
Init_DS18B20();
WriteOneChar(0xCC); //跳過(guò)讀序號列號的操作
WriteOneChar(0xBE); //讀取溫度寄存器等（共可讀9個(gè)寄存器） 前兩個(gè)就是溫度
a=ReadOneChar();
b=ReadOneChar();
t=b;
t<<=8;
t=t|a;
tt=t*0.0625;
t= tt*10+0.5; //放大10倍輸出并四舍五入---此行沒(méi)用
（3）主程序部分見(jiàn)前
return(t);}

三. 結束語(yǔ)
    AT89C2051單片機體積小、重量輕、抗干擾能力強、對環(huán)境要求不高、價(jià)格低廉、可靠性高、靈活性好。即使是非電子計算機專(zhuān)業(yè)人員，通過(guò)學(xué)習一些專(zhuān)業(yè)基礎知識以后也能依靠自己的技術(shù)力量來(lái)開(kāi)發(fā)所希望的單片機應用系統。 本文的溫度控制系統只是單片機廣泛應用于各行各業(yè)中的一例，相信讀者會(huì )依靠自己的聰明才智使單片機的應用更加廣泛化。另外對本例子可以作一些擴展，單片機的應用越來(lái)越廣泛,由于單片機的運算功能較差,往往需要借助計算機系統,因此單片機和PC機進(jìn)行遠程通信更具有實(shí)際意義。目前此設計已成功應用于鉆井模擬器實(shí)驗室室溫控制。

    本文作者創(chuàng )新觀(guān)點(diǎn)：采用的單片機AT89C2051性?xún)r(jià)比高，而且溫度傳感器DS18B20轉化溫度的方法非常簡(jiǎn)潔且精度高、測試范圍較廣。

參考文獻
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