基于51單片機(jī)的溫度測量系統(tǒng)

摘　要: 單片機(jī)在檢測和控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用, 溫度則是系統(tǒng)常需要測量、控制和保持的一個量。 本文從硬件和軟件兩方面介紹了AT89C2051單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對硬件原理圖和程序框圖作了簡潔的描述。

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

引言
    單片機(jī)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛,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(shè)計(jì)了基于atmel公司的AT89C2051的溫度測量系統(tǒng)。這是一種低成本的利用單片機(jī)多余I/O口實(shí)現(xiàn)的溫度檢測電路, 該電路非常簡單, 易于實(shí)現(xiàn), 并且適用于幾乎所有類型的單片機(jī)。

一.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 
1.1    數(shù)據(jù)采集
     數(shù)據(jù)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)時溫度, 提供給AT89C2051的P3.2口作為數(shù)據(jù)輸入。在本次設(shè)計(jì)中我們所控的對象為所處室溫。當(dāng)然作為改進(jìn)我們可以把傳感器與電路板分離，由數(shù)據(jù)線相連進(jìn)行通訊，便于測量多種對象。                                    

    DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)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(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá)0.0625℃，被測溫度用符號擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出，支持3V～5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。以上特點(diǎn)使DS18B20非常適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)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(gòu)建適合自己的經(jīng)濟(jì)的測溫系統(tǒng)。如圖2所示DS18B20的2腳DQ為數(shù)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（以下簡稱2051）是一枚8051兼容的單片機(jī)微控器，與Intel的MCS-51完全兼容，內(nèi)藏2K的可程序化Flash存儲體，內(nèi)部有128B字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器空間，可直接推動LED，與8051完全相同，有15個可程序化的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(jī)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(jī)、ULN2003達(dá)林頓芯片、4511BCD譯碼器、串行EEPROM24C16（保存系統(tǒng)參數(shù)）、MAX232、數(shù)碼管及外圍電路構(gòu)成, 單片機(jī)以并行通信方式從P1.0～P1.7口輸出控制信號,通過4511BCD譯碼器譯碼，用2個共陰極LED靜態(tài)顯示溫度的十位、個位。

    串行EEPROM24C16是標(biāo)準(zhǔn)I2C規(guī)格且只要兩根引腳就能讀寫。由于單片機(jī)2051的P1是一個雙向的I/O端口，所以在我們在設(shè)計(jì)中將P1端口當(dāng)成輸出端口用。由圖2可知，P1.7作為串性的時鐘輸出信號與24C16的第6腳相接，P1.6則作為串行數(shù)據(jù)輸出接到24C16的第5腳。P1. 4和P1.5則作為兩個數(shù)碼管的位選信號控制，在P1.4=1時，選中第一個數(shù)碼管（個位）；P1.5=1時，選中第二個數(shù)碼管（十位）。P1.0～P1.3的輸出信號接到譯碼器4511上作為數(shù)碼管的顯示。此外，由于單片機(jī)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/計(jì)數(shù)輸入點(diǎn)，P3.5（T1）外部定時/計(jì)數(shù)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/記數(shù)輸入點(diǎn)。P3.7作為一個脈沖輸出，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(shù)碼管，所以在設(shè)計(jì)電路時加了一個達(dá)林頓電路ULN2003對信號進(jìn)行放大，產(chǎn)生足夠大的電流驅(qū)動數(shù)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    報警電路簡介

圖3 溫度在七段數(shù)碼管上顯示連接圖

    本文中所設(shè)計(jì)的報警電路較為簡單，由一個自我震蕩型的蜂鳴器（只要在蜂鳴器兩端加上超過3V的電壓，蜂鳴器就會叫個不停）和一個發(fā)光二極管組成（如圖3所示）。在這次設(shè)計(jì)中蜂鳴器是通過ULN2003電流放大IC來控制。在我們所要求的溫度達(dá)到一定的上界或者下界時（在文中我們設(shè)置的上界溫度是45℃，下界溫度是5℃），報警電路開始工作，主要程序設(shè)計(jì)如下：
main()//主函數(shù)                              
{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(shù)碼管賦值
 {P1=designP1[i];}
 else//如果溫度大于10度
 {m=i%10;//先給第一個七段數(shù)碼管賦值
  D1=1;
  D2=0;
  P1=designP1[m];                             
  n=i/10;//再給第二個七段數(shù)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

2.1 系統(tǒng)程序流程圖
    系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

2.2 溫度部分軟件設(shè)計(jì)                                      

    DS18B20的一線工作協(xié)議流程是：初始化→ROM操作指令→存儲器操作指令→數(shù)據(jù)傳輸。其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序。故主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)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(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉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(fù)位成功。程序主要函數(shù)部分如下：

（1）初始化函數(shù)
//讀一個字節(jié)函數(shù)
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);}
//寫一個字節(jié)函數(shù)
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(jì)算函數(shù)
ReadTemperature(void)
{unsigned char a=0;
unsigned char b=0;
unsigned int t=0;
float tt=0;
Init_DS18B20();
WriteOneChar(0xCC); // 跳過讀序號列號的操作
WriteOneChar(0x44); // 啟動溫度轉(zhuǎn)換
Init_DS18B20();
WriteOneChar(0xCC); //跳過讀序號列號的操作
WriteOneChar(0xBE); //讀取溫度寄存器等（共可讀9個寄存器） 前兩個就是溫度
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---此行沒用
（3）主程序部分見前
return(t);}

三. 結(jié)束語
    AT89C2051單片機(jī)體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、對環(huán)境要求不高、價格低廉、可靠性高、靈活性好。即使是非電子計(jì)算機(jī)專業(yè)人員，通過學(xué)習(xí)一些專業(yè)基礎(chǔ)知識以后也能依靠自己的技術(shù)力量來開發(fā)所希望的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 本文的溫度控制系統(tǒng)只是單片機(jī)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中的一例，相信讀者會依靠自己的聰明才智使單片機(jī)的應(yīng)用更加廣泛化。另外對本例子可以作一些擴(kuò)展，單片機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛,由于單片機(jī)的運(yùn)算功能較差,往往需要借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng),因此單片機(jī)和PC機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信更具有實(shí)際意義。目前此設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于鉆井模擬器實(shí)驗(yàn)室室溫控制。

    本文作者創(chuàng)新觀點(diǎn)：采用的單片機(jī)AT89C2051性價比高，而且溫度傳感器DS18B20轉(zhuǎn)化溫度的方法非常簡潔且精度高、測試范圍較廣。

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