基于單片機的測溫系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

甘琪琛 薛安琪 鐘明靜

摘要：隨著我國人民生活水平的提高，人們對溫度控制與檢測的要求越來越高。本文設計的基于單片機的測溫系統(tǒng)的，測溫系統(tǒng)以STC89C52單片機最小系統(tǒng)為核心，DS18B20傳感器為測量元件，按鍵設定為輸入，通過LCD1602顯示設計成自動化測溫控制系統(tǒng)。然后通過測溫系統(tǒng)軟件程序的編寫實現(xiàn)對整個系統(tǒng)軟件和硬件的仿真和調(diào)試，系統(tǒng)經(jīng)濟適用，易于操作。

關鍵詞： AT89C52;DS18B20溫度傳感器;自動化控制;溫度檢測

中圖分類號： TP208? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）21-0237-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： With the improvement of the living standard of our people， the demand for temperature control and detection is getting higher and higher. The temperature measurement system based on single chip microcomputer is designed in this paper. The temperature measurement system is based on the smallest system of STC89C52 single chip microcomputer. The DS18B20 sensor is the measuring element， the key is set as input， and the LCD1602 display is designed as an automatic temperature control system. Then， the software and hardware of the whole system is simulated and debugged through the software program of the temperature measurement system. The system is economical and applicable， and easy to operate.

Key words： AT89C52;DS18B20 Temperature Sensor; Automation control;Temperature detection

在人們生活水平不斷改善的過程中，溫度自動檢測與控制在工農(nóng)業(yè)等方面應用越來越普及。因此溫度檢測系統(tǒng)的廣泛應用的研究有著非常重要的作用。

本文從軟硬件兩個方面設計了家用溫度系統(tǒng)的設計，在結合溫度檢測與單片機的基礎上，深入研究并設計以單片機為核心的測溫系統(tǒng)。主要采用模塊化和層次化的理念，把溫度獲取、單片機計算以及LCD顯示系統(tǒng)性相結合。測溫系統(tǒng)以AT89C5251單片機最小系統(tǒng)為核心，DS18B20傳感器為測量元件，按鍵設定為輸入，通過LCD1602顯示構成自動化測溫控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對溫度系統(tǒng)的精確監(jiān)控。

1 整體系統(tǒng)電路設計

溫度測量與控制系統(tǒng)的基本功能是要能夠完成對溫室內(nèi)溫度的實時檢測、顯示并對不滿足計劃設定的溫度范圍，通過控制升溫或者降溫設備進行控制以便保持室溫內(nèi)溫度的恒定，同時能夠?qū)崿F(xiàn)在以上這兩種情況下進行溫度報警處理?？梢愿鶕?jù)所計劃的功能設定要求，初步得出測溫控制系統(tǒng)的總體設計如圖1所示。

本溫度智能管理系統(tǒng)采用的是STC系列中的STC89C52單片機的最小系統(tǒng)，其中輸入的控制部分主要包含溫度的測量和目標溫度的設定兩個部分，其中溫度的測量主要是對溫室內(nèi)的溫度進行實時的采集并把所采集到的溫度傳送給主控制單元;溫度的設定部分主要是根據(jù)溫室大棚內(nèi)所生長的植物需要得相對恒定的溫度范圍進行設定（包括溫度范圍的上限值和溫度范圍的下限值）。該系統(tǒng)的輸出部分包括溫度實時顯示、超范圍溫度的控制以及超范圍溫度報警以便提示工作人員。溫度顯示主要是把主控單元輸出的數(shù)據(jù)通過LCD1602液晶顯示出來，以便看工作人員觀察;溫度的控制部分主要是黨實時溫度不在所設定的溫度范圍內(nèi)時，通過控制外部降溫或者升溫設備絕對溫室進行經(jīng)文或者升溫處理;溫度得報警電路設計主要是在實時溫度如果不在所設定的溫度范圍內(nèi)時會自動發(fā)出報警提醒。

2 硬件設計

2.1? 主控制器電路

主控電路采用外STC89C52單片機，而單片機工作需要三個基本條件：接電路供電電源、接石英晶體振蕩器和按鍵復位電路以及把程序燒錄到單片機最小系統(tǒng)芯片中，如圖2所示。

圖2 STC89C52單片機最小化電路。STC89C52單片機的最小化系統(tǒng)的設計中只使用了單片機的一片集成化電路，這樣一來可以實現(xiàn)電路系統(tǒng)的低功耗、簡單運算控制等。

STC89C52單片機的主要功能因素有：與51系列單片機兼容;1000次擦寫壽命;正常工作的電壓為5.0V;全靜態(tài)工作：正常工作始終頻率為12MHz;3級程序安全加密保護;具有2048位內(nèi)部RAM緩沖區(qū);

同時還擁有2×16個16位定時器或者是計數(shù)器;8個中斷源;具有低功耗的優(yōu)點以及掉電模式;此外內(nèi)部還具有看門狗保護電路。

2.2溫度傳感器

溫度傳感器采取DS18B20，其測溫監(jiān)控原理如圖3所示。從圖中可以看出溫度的上升和下降對低溫系數(shù)振蕩器的影響可以忽略不計，可以用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號進而傳送給減法計數(shù)器（Subtraction Counter）;高溫系數(shù)振蕩器受溫度上升或者下降的影響很明顯，進而所產(chǎn)生的脈沖信號傳送給減法計數(shù)器2;圖中還有未畫出的計數(shù)門（Counting Gate），當計數(shù)門處于打開狀態(tài)時，該溫度傳感器就會對低溫系數(shù)振蕩器產(chǎn)生時鐘脈沖進行累加，這樣一來就可以完成一次溫度的測量周期。

2.3 液晶顯示電路

LCD液晶通過D0口進行顯示，用單片機的P0.0口來顯示數(shù)據(jù)，J2是一個可以調(diào)節(jié)顯示數(shù)據(jù)亮度的可調(diào)電阻，液晶顯示模塊的電路如圖4所示。

LCD1602液晶顯示對于數(shù)據(jù)的讀寫方式以及對于屏幕亮度調(diào)節(jié)等的操作一般情況下可以通過程序的編寫來實現(xiàn)，其中在默認情況下1是處于高電平情況，0是處于低電平情況。

2.4 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊為了正確輸出由模擬的溫度值信號轉(zhuǎn)化得到的數(shù)字信號，DS18B20要加一個阻值為4.7K的上拉電阻R18。M2是一個蜂鳴器，其作用是當水位低至一定值時蜂鳴報警。

2.5 時鐘電路和復位電路

單片機內(nèi)部電路和其外部的一些元器件可以構成一個時鐘電路（Clock Circuit）。單片機的中央處理單元中的所有操作都是在時鐘脈沖同步下進行的。其中單片機內(nèi)部的振蕩器的振蕩頻率（Concussion Frequency）和晶振的時鐘頻率是非常接近的，一般情況下是在1.2MHz～12MHz之間，當時鐘電路開始工作以后，如果在單片機的RST（復位）引腳上出現(xiàn)兩個或者兩個以上的機器周期處于高電平的工作狀態(tài)時，此時單片機可以實現(xiàn)初始化狀態(tài)。

2.6 電源模塊

本設計用到的電源僅為+5V的穩(wěn)壓電源，從成本及開發(fā)的周期來考慮故選擇為單電源。電路為輸出+5V的直流穩(wěn)壓電源，由濾波器、變壓器、集成穩(wěn)壓以及二極管整流橋構成了該穩(wěn)壓電源。

3系統(tǒng)測試和實現(xiàn)

3.1 測溫系統(tǒng)測試的抗干擾設計

（1）基于單片機測溫系統(tǒng)抗干擾的元件

在本系統(tǒng)設計的溫度管理系統(tǒng)中有許多的抗干擾電路的設計以及抗干擾的器件，通過研究發(fā)現(xiàn)目前應用比較廣泛的抗干擾元件主要有去耦電容、抑制高頻的電感、自恢復保險絲、防雷擊元器件等。

本文研究的基于單片機的測溫控制系統(tǒng)應用到的元器件是去耦電容，它作為濾波電容可以濾掉來自電源模塊的高頻噪聲;也可以當作儲能元件，吸收三極管導通或截止引起的電流變化，進而可以降低噪聲影響。

（2）提高測溫系統(tǒng)抗干擾能力的主要方法

提高系統(tǒng)的抗干擾能力的方法有很多，針對本文研究的測溫控制系統(tǒng)的在硬件和軟件方面提高其穩(wěn)定性的方法主要有以下幾個方面：

在其硬件電路的設計中為增強系統(tǒng)的抗干擾能力，在抑制干擾源方面可以給繼電器線圈增加續(xù)流二極管，增加濾波電容以及在布線方面需要注意的細節(jié)等;在切斷抗干擾源的措施中需要考慮電源模塊對單片機的影響電路板中弱電荷強電的區(qū)分以及大功率元件單獨接地等;在提高敏感元件的抗干擾能力上考慮盡量減少回路環(huán)形的面積、對供電模塊進行監(jiān)控處理等。在軟件設計中的抗干擾技術體現(xiàn)在本系統(tǒng)中的主要有軟件“看門狗”技術，主要是防止程序在運行過程中不正常運行或者失控。

3.2系統(tǒng)軟件測試與實現(xiàn)

在軟件程序的設計中，重要設計步驟有溫度上下限范圍的設定、對DS18B20采集到了數(shù)據(jù)進行處理、高溫和低溫報警并做出對應的降溫和升溫措施以及實時顯示溫室中當前的溫度變化等，通過一系列功能性的軟件編寫設計，軟件實現(xiàn)流程如圖5所示。本系統(tǒng)的軟件設計主要可分為溫度讀取檢測子程序、LCD顯示子程序二大模塊。溫度檢測子程序主要是溫度控制，LCD顯示子程序的內(nèi)容主要有兩個方面，即溫度和方向顯示。當通電后，液晶顯示器首先進行初始化，經(jīng)過一定的延時，然后開始顯示。

4 結論

本文設計了家用基于單片機的測溫系統(tǒng)的運行過程，主要運用AT89C52單片機、DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器、LCD1602液晶顯示屏來設計軟硬件的監(jiān)控系統(tǒng)，通過編程實現(xiàn)對溫度的精確監(jiān)控，系統(tǒng)操作簡單，實用性強。

參考文獻：

[1] 張均，盧涵宇.可編程控制器原理及應用[M].中國鐵道出版社，2009.

[2] 熊小萍，盧涵宇.模擬電子技術 [M].哈爾濱工程大學出版社，2009.

[3] 史建芳. 智能儀器設計基礎[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[4] 史建芳. 智能儀器設計基礎[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[5] 孫育才，孫華芳，王榮興.單片機原理及其應用[M].北京：電子工業(yè)出版，2006.

[6] 李林功，吳飛青. 單片機原理與應用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[7] 張勇. C/C++語言硬件程序設計[M].西安電子科技大學出版社，2

【通聯(lián)編輯：光文玲】