(单片机原理与应用)智能温度监测系统（设计）

中文摘要

智能温度检测系统是通过硬件电路设计和软件编程驱动的结合方式，实现0℃～99℃范围内的温度智能监测。可通过LCD实时显示实际温度和预设温度，当温度超出预设范围时及时报警，而且报警声用电子乐曲或音乐音符实现。

关键字

温度检测、LCD，报警

前言

本次设计的主要思路是利用51系列单片机，数字温度传感器DS18B20和1602LCD液晶显示，构成实现温度检测与显示的单片机控制系统，即数字温度计。通过对单片机编写相应的程序，达到能够实时检测周围温度的目的。 通过对本课题的设计能够熟悉数字温度计的工作原理及过程，了解各功能器件(单片机、DS18B20、LCD)的基本原理与应用，掌握各部分电路的硬件连线与程序编写，最终完成对数字温度计的总体设计。其具体的要求如下： 1、根据设计要求，选用AT89C51单片机为核心器件； 2、温度检测器件采用DS18B20数字式温度传感器，利用单总线式连接方式与单片机的串行接口P3.3引脚相连； 3、显示电路采用1602LCD液晶显示温度值，此类液晶模块不仅可以显示数字、字符，还可以显示各种图形符号以及少量自定义符号，人机界面友好，使用操作也更加灵活、方便，使其日益成为各种仪器仪表等设备的首选。

系统的开发过程

本设计主要介绍了用单片机和数字温度传感器DS18B20相结合的方法来实现温度的采集，以单片机AT89C51芯片为核心，温度传感器DS18B20和1602LCD液晶显示，构成了一个多功能单片机数字温度计。其主要研究内容包括两方面，一是对系统硬件部分的设计，包括温度采集电路和显示电路；二是对系统软件部分的设计，应用C语言实现温度的采集与显示。通过利用数字温度传感器DS18B20进行设计，能够满足实时检测温度的要求，同时通过1602LCD的显示功能，可以实现不间断的温度显示。其总体设计框图一如下：

图一：总体设计框图

第一节AT89C51简介

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可编程的Flash只读程序存储器，兼容标准8051指令系统及引脚，并集成了 Flash 程序存储器，既可在线编程(ISP)，也可用传统方法进行编程，因此，低价位AT89C51单片机可应用于许多高性价比的场合，可灵活应用于各种控制领域，对于简单的测温系统已经足够。单片机AT89C51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。芯片AT89C51的引脚排列如图二所示：

图二：AT89C51单片机引脚图

第二节晶振电路的设计

单片机晶振电路的设计如图三所示。XTAL1（X1）为反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。按照理论上AT89C51使用的是12MHz的晶振，但实测使用11.0592MHz。所以设计者通常用的是11.0592MHz。 

图三：单片机晶振电路

第三节温度采集电路的设计

DALLAS 最新单线数字温度传感器DS18B20是一种新型的“一线器件”，其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。DALLAS 半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。温度测量范围为-55～+125 摄氏度，可编程为9～12 位转换精度，测温分辨率可达0.0625摄氏度，分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROM 中，掉电后依然保存。被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可以在远端引入，也可以采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3 根或2 根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。本设计的温度采集电路如图四所示。

图四：温度采集电路图

第五节温度显示电路的设计

显示器常用作单片机最简单的输出设备，用以显示单片机的运行结果和运行状态等。常用的显示器主要有LED和LCD，它们都具有耗电少、成本低、线路简单、寿命长等优点，广泛应用于单片机显示数字量的场合。设计中采用LCD显示器。液晶显示器（LCD）具有功耗低、体积小、质量轻、功耗小的特点。点阵字符型液晶显示器把LCD控制器、点阵驱动器、字符存储器集成在一块印刷电路板上，构成便于应用的液晶模块。此类液晶模块不仅可以显示数字、字符，还可以显示各种图形符号以及少量自定义符号，并且可以实现屏幕的上下左右滚动、文字的闪烁等功能，人机界面友好，使用操作也更加灵活、方便，使其日益成为各种仪器仪表等设备的首选。图五为本设计的显示电路图。

图五：显示电路图

第六节应用软件介绍

本设计主要用Proteus仿真软件和Keil编译软件。

本设计主要用Proteus仿真软件和Keil编译软件 4.1.1 Proteus的介绍 

Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件，它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具，虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换发到PCB设计，真正实现了从 概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086HE MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。

系统测试情况

进入测试，开关不闭合，系统默认显示1602LCD显示当前采集的温度，当温度变化时，系统实时采集DS18B20的温度并显示出来，当采集的温度超过系统所设置的上限或者下限的时候，系统自动报警，开关闭合，显示报警温度的上限值和下限值。综合仿真图如图六所示：

系统的优点与不足

优点：软件可以实时检测温度值，并显示，当温度超出预设范围时及时报警，并且还可以检测并显示零下温度。

缺点：只是做到了仿真程序，没有具体的硬件实现，系统运行时预设温度不能改动。

参考文献

1.《单片机C语言程序设计实训100例—基于8051+Proteus仿真》彭伟编著

2.《基于只能温度检测系统设计》http://wenku.baidu.com/link?url=e-g2mkh9FnIBJYH6PCNkNGPXtqGOQ29QGtaCRkEOHc6B9SFsqeXB4YOW6rWtXA7v2VI-YpqyEl3-KC04tDH_79sp00tLHU4gzcz0mvYuS1_

附录代码

#include
#include
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit DQ=P3^3;//DS18B20数据线
sbit BEEP=P3^7;//报警器
sbit LCD_RS=P2^0;
sbit LCD_RW=P2^1;
sbit LCD_EN=P2^2;
sbit K1=P1^7;
uchar code Temp_Disp_Title[]={" Current Temp : "};
uchar Current_Temp_Display_Buffer[]={"TEMP:            "};
uchar code Alarm_Temp[]={"ALARM TEMP Hi Lo"};
uchar Alarm_HI_LO_STR[]={"Hi:     Lo:      "};
uchar code df_Table[]={0,1,1,2,3,3,4,4,5,6,6,7,8,8,9,9};//温度小数位对照表
char Alarm_Temp_HL[2]={100,0};
uchar CurrentT=0;//当前读取的温度整数部分
uchar Temp_Value[]={0x00,0x00};//从DS18B20读取的温度值
uchar Display_Digit[]={0,0,0,0};//待显示的各温度数位
bit HI_Alarm=0,LO_Alarm=0;//高温低温报警标志
bit DS18B20_IS_OK=1;//传感器正常标志
uint Time0_Count=0;//定时器延时累加
//延时
void DelayMS(uint x){
	uchar i;
	while(x--)for(i=0;i<120;i++);
}
//读LCD状态
uchar Read_LCD_State(){
	uchar state;
	LCD_RS=0;LCD_RW=1;LCD_EN=1;DelayMS(1);state=P0;LCD_EN=0;DelayMS(1);
	return state;
}
//忙等待
void LCD_Busy_Wait(){
	while((Read_LCD_State()&0x80)==0x80);
	DelayMS(5);
}
//写LCD指令
void Write_LCD_Command(uchar cmd){
	LCD_Busy_Wait();
	LCD_RS=0;LCD_RW=0;LCD_EN=0;P0=cmd;LCD_EN=1;DelayMS(1);LCD_EN=0;
}
//向LCD写数据
void Write_LCD_Data(uchar dat){
	LCD_Busy_Wait();
	LCD_RS=1;LCD_RW=0;LCD_EN=0;P0=dat;LCD_EN=1;DelayMS(1);LCD_EN=0;
} 
//延时
void DelayXus(int x){
	uchar i;
	while(x--)for(i=0;i<200;i++);
}
//延时
void Delay(uint num){
	while(--num);
}
//初始化DS18B20
uchar Init_DS18B20(){
	uchar status;
	DQ=1;Delay(8);
	DQ=0;Delay(90);
	DQ=1;Delay(8);
	status=DQ;
	Delay(100);
	DQ=1;
	return status;//初始化成功返回0
}
//读一字节
uchar ReadOneByte(){
	uchar i,dat=0;
	DQ=1;_nop_();
	for(i=0;i<8;i++){
		DQ=0;dat>>=1;DQ=1;_nop_();_nop_();
		if(DQ)dat|=0x80;Delay(30);DQ=1;
	}
	return dat;
}
//写一个字节
void WriteOneByte(uchar dat){
	uchar i;
	for(i=0;i<8;i++){
		DQ=0;DQ=dat&0x01;Delay(5);DQ=1;dat>>=1;
	}
}
//读取温度值
void Read_Temperature(){
	if(Init_DS18B20()==1)//DS18B20故障
		DS18B20_IS_OK=0;
	else{
		WriteOneByte(0xcc);//跳过序列号
		WriteOneByte(0x44);//启动温度转换
		Init_DS18B20();
		WriteOneByte(0xcc);//跳过序列号
		WriteOneByte(0xbe);//读取温度寄存器
		Temp_Value[0]=ReadOneByte();//读取低8位
		Temp_Value[1]=ReadOneByte();//温度高8位
		Alarm_Temp_HL[0]=ReadOneByte();//报警TH
		Alarm_Temp_HL[1]=ReadOneByte();//报警TL
		DS18B20_IS_OK=1;
	}
}	
//设置DS18B20温度报警值
void Set_Alarm_Temp_Value(){
	Init_DS18B20();
	WriteOneByte(0xcc);//跳过序列号
	WriteOneByte(0x4e);//将设定的温度报警值写入DS18B20
	WriteOneByte(Alarm_Temp_HL[0]);//写TH
	WriteOneByte(Alarm_Temp_HL[1]);//写TL
	WriteOneByte(0x7f);//12位精度
	Init_DS18B20();
	WriteOneByte(0xcc);//跳过序列号
	WriteOneByte(0x48);//将设定的温度报警值写入DS18B20
}
//设置液晶显示位置
void Set_LCD_POS(uchar p){
	Write_LCD_Command(p|0x80);
} 
//在LCD上显示当前温度
void Display_Temperature(){
	uchar i;
	uchar t=150;//延时值
	uchar ng=0;//负数标志
	char Signed_Current_Temp;//如果为负数则取反加1，并设置负数标识
	if((Temp_Value[1]&0xf8)==0xf8){
		Temp_Value[1]=~Temp_Value[1];
		Temp_Value[0]=~Temp_Value[0]+1;
		if(Temp_Value[0]==0x00)Temp_Value[1]++;
		ng=1;//设负数标识
	}
//查表得到温度小数部分
	Display_Digit[0]=df_Table[Temp_Value[0]&0x0f];
//获取温度整数部分（无符号）
	CurrentT=((Temp_Value[0]&0xf0)>>4)|((Temp_Value[1]&0x07)<<4);
//有符号的当前温度值，注意此处定义为char，其值可为-128~+127
	Signed_Current_Temp=ng?-CurrentT:CurrentT;
//高低温报警标志设置（与定义为char类型的Alarm_Temp_HL比较，这样可区分正负比较）
	HI_Alarm=Signed_Current_Temp>=Alarm_Temp_HL[0]?1:0;
	LO_Alarm=Signed_Current_Temp<=Alarm_Temp_HL[1]?1:0;
//将整数部分分解为三位待显示数字
	Display_Digit[3]=CurrentT/100;
	Display_Digit[2]=CurrentT%100/10;
	Display_Digit[1]=CurrentT%10;
//刷新LCD显示缓冲
	Current_Temp_Display_Buffer[11]=Display_Digit[0]+'0';
	Current_Temp_Display_Buffer[10]='.';
	Current_Temp_Display_Buffer[9]=Display_Digit[1]+'0';
	Current_Temp_Display_Buffer[8]=Display_Digit[2]+'0';
	Current_Temp_Display_Buffer[7]=Display_Digit[3]+'0'; 
//高位为0时不显示
	if(Display_Digit[3]==0)Current_Temp_Display_Buffer[7]=' ';
//高位为0且次高位为0时，次高位不显示
	if(Display_Digit[2]==0&&Display_Digit[3]==0)
		Current_Temp_Display_Buffer[8]=' ';
	//负数符号显示在恰当位置
	if(ng)
	{
		if(Current_Temp_Display_Buffer[8]==' ')
			Current_Temp_Display_Buffer[8]='-';
		else if(Current_Temp_Display_Buffer[7]==' ')
			Current_Temp_Display_Buffer[7]='-';
		else Current_Temp_Display_Buffer[6]='-';
	}
	//在第一行显示标题
	Set_LCD_POS(0x00);
	for(i=0;i<16;i++)Write_LCD_Data(Temp_Disp_Title[i]);
	//在第二行显示当前温度
	Set_LCD_POS(0x40);
	for(i=0;i<16;i++)Write_LCD_Data(Current_Temp_Display_Buffer[i]);
	//显示温度符号
	Set_LCD_POS(0x4d);Write_LCD_Data(0x00);
	Set_LCD_POS(0x4e);Write_LCD_Data('C');
}
//定时器中断，控制警报声音
void T0_INT()interrupt 1{
	TH0=-1000/256;
	TL0=-1000%256;
	BEEP=!BEEP;
	if(++Time0_Count==400){
		Time0_Count=0;
		TR0=0;
	}
}
//显示报警温度
void Disp_Alarm_Temperature(){
	uchar i,ng;
	//显示Alarm_Temp_HL数组中的报警温度值
	//由于Alarm_Temp_HL类型为char，故可以直接进行正负比较
	//高温报警值
	ng=0;
	if(Alarm_Temp_HL[0]<0)//如果为负数则取反加1
	{
		Alarm_Temp_HL[0]=~Alarm_Temp_HL[0]+1;
		ng=1;
	}
	//分解高温各数位到待显示串中
	Alarm_HI_LO_STR[4]=Alarm_Temp_HL[0]/100+'0';
	Alarm_HI_LO_STR[5]=Alarm_Temp_HL[0]/10%10+'0';
	Alarm_HI_LO_STR[6]=Alarm_Temp_HL[0]%10+'0';
	//屏蔽高位不显示
	if(Alarm_HI_LO_STR[4]=='0')Alarm_HI_LO_STR[4]=' ';
	if(Alarm_HI_LO_STR[4]==' '&&Alarm_HI_LO_STR[5]=='0')
		Alarm_HI_LO_STR[5]=' ';
	//"-"符号显示
	if(ng){
		if(Alarm_HI_LO_STR[5]==' ')Alarm_HI_LO_STR[5]='-';
		else if(Alarm_HI_LO_STR[4]==' ')Alarm_HI_LO_STR[4]='-';
		else Alarm_HI_LO_STR[3]='-';
	}
	//低温报警值
	ng=0;
	if(Alarm_Temp_HL[1]<0)//如果为负数则取反加1
	{
		Alarm_Temp_HL[1]=~Alarm_Temp_HL[1]+1;
		ng=1;
	}
	//分解高温各数位到待显示串中
	Alarm_HI_LO_STR[12]=Alarm_Temp_HL[1]/100+'0';
	Alarm_HI_LO_STR[13]=Alarm_Temp_HL[1]/10%10+'0';
	Alarm_HI_LO_STR[14]=Alarm_Temp_HL[1]%10+'0';
	//屏蔽高位不显示
	if(Alarm_HI_LO_STR[12]=='0')Alarm_HI_LO_STR[12]=' ';
	if(Alarm_HI_LO_STR[12]==' '&&Alarm_HI_LO_STR[13]=='0')
		Alarm_HI_LO_STR[13]=' ';
	//"-"符号显示
	if(ng){
		if(Alarm_HI_LO_STR[13]==' ')Alarm_HI_LO_STR[13]='-';
		else if(Alarm_HI_LO_STR[12]==' ')Alarm_HI_LO_STR[12]='-';
		else Alarm_HI_LO_STR[11]='-';
	}
	//显示高低温报警温度值
	Set_LCD_POS(0x00);//显示标题
	for(i=0;i<16;i++)Write_LCD_Data(Alarm_Temp[i]);
	Set_LCD_POS(0x40);//显示高低温
	for(i=0;i<16;i++)Write_LCD_Data(Alarm_HI_LO_STR[i]);
} 
void LCD_Initialise(){
	Write_LCD_Command(0x38);DelayXus(5);
	Write_LCD_Command(0x01);DelayXus(5);
	Write_LCD_Command(0x06);DelayXus(5);
	Write_LCD_Command(0x0c);DelayXus(5);
}
void main(){
	LCD_Initialise();
	IE=0x82;
	TMOD=0x01;
	TH0=-1000/256;
	TL0=-1000%256;
	TR0=0;
	K1=1;
	Set_Alarm_Temp_Value();
	Read_Temperature();
	Delay(50000);
	Delay(50000);
	while(1){
		if(K1==0)
		{
			//显示报警温度上下限
			Read_Temperature();
			Disp_Alarm_Temperature();
			DelayXus(100);
		}else
		{
		//正常显示当前温度，越界时报警
				Read_Temperature();
				if(DS18B20_IS_OK){
					if(HI_Alarm==1||LO_Alarm==1)TR0=1;
						else TR0=0;
					Display_Temperature();
				}
				DelayXus(100);
		}
	}
}