毕设--基于51单片机的温度报警器设计

注：本设计资源可在微信公众号：“Kevin的学习站” 中获取！

1、简介

主要实现：实时温度测量及显示，超出温度范围声光报警，上下限温度可通过按键设定等功能。
本数字温度报警器是基于51单片机及温度传感器DS18B20来设计的，温度测量范围0到99.9摄氏度，精度为0.1摄氏度，可见测量温度的范围广，精度高的特点。可设置上下限报警温度，默认上限报警温度为38℃、默认下限报警温度为5℃（通过程序可以更改默认上下限值）。报警值可设置范围：最低上限报警值等于当前下限报警值，最高下限报警值等于当前上限报警值。将下限报警值调为0时为关闭下限报警功能。

2、设计要求与方案论证

2.1、设计要求

基本范围0℃-99℃ ；
精度误差小于 0.1℃ ；
数码管直读显示；
扩展功能：可以任意设定温度的上下限报警功能。

2.2、系统基本方案选择和论证

2.2.1、单片机芯片的选择方案和论证

由于单片机具有以下的很多优点，被我们选定为制作该作品的首选芯片
单片机特点：
（1）高集成度，体积小，高可靠性
单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。
（2）控制功能强
为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件:分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。
（3）低电压，低功耗，便于生产便携式产品
为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8V～3.6V，而工作电流仅为数百微安。
（4）易扩展
片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。
（5）优异的性能价格比
单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。单片机的寻址能力也已突破64KB的限制，有的已可达到1MB和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。
方案一:
采用STC89C51芯片作为硬件核心。STC89C51内部具有8KB ROM 存储空间,512字节数据存储空间，带有2K字节的EEPROM存储空间，与MCS-51系列单片机完全兼容,STC89C51可以通过串口下载。
方案二:
采用AT89S51。AT89S51片内具有8K字节程序存储空间，256字节的数据存储空间没有EEPROM存储空间，也与MCS-51系列单片机完全兼容，具有在线编程可擦除技术。
两种单片机都完全能够满足设计需要，STC89C51相对ATS89C52价格便宜，且抗干扰能力强。考虑到成本因素，因此选用STC89C51。

2.2.2、温度传感器设计方案论证

方案一:
由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化 的电压或电流采集过来，进行 A/D 转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到 A/D 转换电路，感温电路比较麻烦。
方案二:
进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器 DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。
从以上两种方案，两种都完全能够满足设计需要，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案二。

2.3、电路设计最终方案决定

综上各方案所述,对此次作品的方案选定: 采用STC89C51单片机作为主控制系统;采用DS18B20为传感器;采用数码管作为显示器件。

3、硬件设计介绍

3.1、STC89C51介绍

STC89C51是由深圳宏晶科技公司生产的与工业标准MCS-51指令集和输出管脚相兼容的单片机。

3.1.1、STC89C51主要功能及PDIP封装

STC89C51主要功能如表1所示，其PDIP封装如图1所示
主要功能特性
兼容MCS51指令系统 8K可反复擦写Flash ROM
32个双向I/O口 256x8bit内部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断 时钟频率0-24MHz
2个串行中断 可编程UART串行通道
2个外部中断源 共6个中断源
2个读写中断口线 3级加密位
低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能
表1：STC89C51主要功能

3.1.2、STC89C51引脚介绍

① 主电源引脚（2根）
VCC(Pin40)：电源输入，接＋5V电源
GND(Pin20)：接地线
②外接晶振引脚（2根）
XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端
XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端
③控制引脚（4根）
RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号
PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号
EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
④可编程输入/输出引脚（32根）
STC89C51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。
P0口（Pin39～Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7
P1口（Pin1～Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7
P2口（Pin21～Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7
P3口（Pin10～Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7

3.1.3、单片机最小系统：

当在STC89C51单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作，按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经过电阻与电源VCC接通而实现的。最小系统如图2所示。

电路以STC89C51单片机最小系统为控制核心，测温电路由DS18B20提供，输入部分采用三个独立式按键S1、S2、S3。数码管显示部分。具体电路连接，详见附录1。

3.2、DS18B20传感器介绍

DS18B20的性能特点如下：
（1） 采用DALLAS公司独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；
（2）在使用中不需要任何外围元件；
（3）可用数据线供电，供电电压范围：+3.0V～+5.5V；
（4）测温范围：-55～+125℃。固有测温分辨率为0.5℃。当在-10℃～+85℃范围内，可确保测量误差不超过0.5℃，在-55～+125℃范围内，测量误差也不超过2℃；
（5）通过编程可实现9～12位的数字读数方式；
（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值；
（7）支持多点的组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温
（8）负压特性，即具有电源反接保护电路。当电源电压的极性反接时，能保护DS18B20不会因发热而烧毁，但此时芯片无法正常工作；
（9）DS18B20的转换速率比较高，进行9位的温度值转换只需93.75ms；
（10）适配各种单片机或系统；
（11）内含64位激光修正的只读存储ROM，扣除8位产品系列号和8位循环冗余校验码(CRC)之后，产品序号占48位。出厂前产品序号存入其ROM中。在构成大型温控系统时，允许在单线总线上挂接多片DS18B20。
3.2.2 DS18B20引脚介绍

图3：DS18B20引脚
各引脚功能为：I/O为数据输入/输出端（即单线总线），它属于漏极开路输出，外接上拉电阻后，常态下呈高电平。UDD是可供选用的外部电源端，不用时接地，GND为地，NC空脚。
3.2.3 DS18B20的内部结构
DS18B20的内部结构主要包括7部分:寄生电源、温度传感器、64位激光（loser）ROM与单线接口、高速暂存器（即便筏式RAM，用于存放中间数据）、TH触发寄存器和TL触发寄存器，分别用来存储用户设定的温度上下限值、存储和控制逻辑、位循环冗余校验码（CRC）发生器。

图4：DS18B20内部结构

4、系统程序设计流程图

4.1、主程序软件设计

通过上述原理，已对密码锁整体运行环境有了充分认识，绘制主程序和子程序流程图，利用Keil软件，对单片机进行编程，如图4-1为主程序功能流程图：

4-1主程序功能流程图

4.2、温度采集的软件设计

如图4-2为温度采集的软件设计，主要功能是完成DS18B20的初始化工作，并进行读温度，将温度转化成为压缩BCD码 并在显示器上显示传感器所测得的实际温度。读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需要进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。

4.3、温度采集算法软件设计

如下图为温度采集算法流程图，计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其程序流程图。

4.4、温度转换命令子程序软件设计

如下图为温度转换命令子程序流程图，温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辩率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。

4.5、DS18B20的程序流程图

5、Proteus 仿真图

图5-1为正常温度界面图，图5-2为报警温度界面，实现实时显示和温度报警。

6、程序代码

#include  
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char   	//宏定义
#define SET  P3_1    			//定义调整键
#define DEC  P3_2    			//定义减少键
#define ADD  P3_3    			//定义增加键
#define BEEP P3_6    			//定义蜂鸣器
#define ALAM P1_2				//定义灯光报警
#define DQ   P3_7     			//定义DS18B20总线I/O	
bit shanshuo_st;    			//闪烁间隔标志
bit beep_st;     				//蜂鸣器间隔标志
sbit DIAN = P0^5;        		//小数点
uchar x=0;      				//计数器
signed char m;     				//温度值全局变量
uchar n;      					//温度值全局变量
uchar set_st=0;     			//状态标志
signed char shangxian=38;  		//上限报警温度，默认值为38
signed char xiaxian=5;   		//下限报警温度，默认值为38
//uchar code  LEDData[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xff};
uchar code  LEDData[]={0x5F,0x44,0x9D,0xD5,0xC6,0xD3,0xDB,0x47,0xDF,0xD7,0xCF,0xDA,0x9B,0xDC,0x9B,0x8B};

//============================================================================================
//====================================DS18B20=================================================
//============================================================================================
/*****延时子程序*****/
void Delay_DS18B20(int num)
{
  while(num--) ;
}
/*****初始化DS18B20*****/
void Init_DS18B20(void)
{
  unsigned char x=0;
  DQ = 1;         //DQ复位
  Delay_DS18B20(8);    //稍做延时
  DQ = 0;         //单片机将DQ拉低
  Delay_DS18B20(80);   //精确延时，大于480us
  DQ = 1;         //拉高总线
  Delay_DS18B20(14);
  x = DQ;           //稍做延时后，如果x=0则初始化成功，x=1则初始化失败
  Delay_DS18B20(20);
}
/*****读一个字节*****/
unsigned char ReadOneChar(void)
{
  unsigned char i=0;
  unsigned char dat = 0;
  for (i=8;i>0;i--)
  {
    DQ = 0;     // 给脉冲信号
    dat>>=1;
    DQ = 1;     // 给脉冲信号
    if(DQ)
    dat|=0x80;
    Delay_DS18B20(4);
  }
  return(dat);
}
/*****写一个字节*****/
void WriteOneChar(unsigned char dat)
{
  unsigned char i=0;
  for (i=8; i>0; i--)
  {
    DQ = 0;
    DQ = dat&0x01;
    Delay_DS18B20(5);
    DQ = 1;
    dat>>=1;
  }
}
/*****读取温度*****/
unsigned int ReadTemperature(void)
{
  unsigned char a=0;
  unsigned char b=0;
  unsigned int t=0;
  float tt=0;
  Init_DS18B20();
  WriteOneChar(0xCC);  //跳过读序号列号的操作
  WriteOneChar(0x44);  //启动温度转换
  Init_DS18B20();
  WriteOneChar(0xCC);  //跳过读序号列号的操作
  WriteOneChar(0xBE);  //读取温度寄存器
  a=ReadOneChar();     //读低8位
  b=ReadOneChar();    //读高8位
  t=b;				   //高8位转移到t
  t<<=8;			   //t数据左移8位
  t=t|a;			   //将t和a按位或，得到一个16位的数
  tt=t*0.0625;		   //将t乘以0.0625得到实际温度值（温度传感器设置12位精度，最小分辨率是0.0625）
  t= tt*10+0.5;     //放大10倍（将小数点后一位显示出来）输出并四舍五入
  return(t);		   //返回温度值
}
//=====================================================================================
//=====================================================================================
//=====================================================================================


/*****延时子程序*****/
void Delay(uint num)
{
 while( --num );
}
/*****初始化定时器0*****/
void InitTimer(void)
{
	TMOD=0x1;
	TH0=0x3c;
	TL0=0xb0;     //50ms（晶振12M）
}

/*****读取温度*****/
void check_wendu(void)
{
	uint a,b,c;
	c=ReadTemperature();  			//获取温度值
	a=c/100;     						//计算得到十位数字
	b=c/10-a*10;    					//计算得到个位数字
	m=c/10;      						//计算得到整数位
	n=c-a*100-b*10;    				//计算得到小数位
	if(m<0){m=0;n=0;}   				//设置温度显示上限
	if(m>99){m=99;n=9;}   				//设置温度显示上限    
}
/*****显示开机初始化等待画面*****/
void Disp_init(void)    
{
	P0 = ~0x80;      //显示----
	P2 = 0x7F;
	Delay(200);
	P2 = 0xDF;
	Delay(200);   
	P2 = 0xF7;
	Delay(200);
	P2 = 0xFD;
	Delay(200);
	P2 = 0xFF;         //关闭显示
}
/*****显示温度子程序*****/
void Disp_Temperature(void)     //显示温度
{
	P0 = ~0x98;      //显示C
	P2 = 0x7F;
	Delay(100);
	P2=0xff;
	P0=~LEDData[n];    //显示个位
	P2 = 0xDF;
	Delay(100);
	P2=0xff;
	P0 =~LEDData[m%10];    //显示十位
	DIAN = 0;         //显示小数点
	P2 = 0xF7;
	Delay(100);
	P2=0xff;
	P0 =~LEDData[m/10];    //显示百位
	P2 = 0xFD;
	Delay(100);
	P2 = 0xff;         //关闭显示
}
/*****显示报警温度子程序*****/
void Disp_alarm(uchar baojing)
{
	P0 =~0x98;      //显示C
	P2 = 0x7F;
	Delay(100);
	P2=0xff;
	P0 =~LEDData[baojing%10]; //显示十位
	P2 = 0xDF;
	Delay(100);
	P2=0xff;
	P0 =~LEDData[baojing/10]; //显示百位
	P2 = 0xF7;
	Delay(100);
	P2=0xff;
	if(set_st==1)P0 =~0xCE;
	else if(set_st==2)P0 =~0x1A; //上限H、下限L标示
	P2 = 0xFD;
	Delay(100);
	P2 = 0xff;         //关闭显示
}
/*****报警子程序*****/
void Alarm()
{
	if(x>=10){beep_st=~beep_st;x=0;}
	if((m>=shangxian&&beep_st==1)||(m<xiaxian&&beep_st==1))
	{
		BEEP=0;
		ALAM=0;
	}
	else
	{
		BEEP=1;
		ALAM=1;
	}
}
/*****主函数*****/
void main(void)
{
    uint z;
 InitTimer();    //初始化定时器
 EA=1;      //全局中断开关
 TR0=1;
 ET0=1;      //开启定时器0
 IT0=1;        
 IT1=1;
 check_wendu();
 check_wendu();
 for(z=0;z<300;z++)
 {
  Disp_init();        
  }
 while(1)
  {
  if(SET==0)
  {
   Delay(2000);
   do{}while(SET==0);
   set_st++;x=0;shanshuo_st=1;
   if(set_st>2)set_st=0;
  }
  if(set_st==0)
  {
   EX0=0;    //关闭外部中断0
   EX1=0;    //关闭外部中断1
    check_wendu();
      Disp_Temperature();
   Alarm();   //报警检测
  }
  else if(set_st==1)
  {
   BEEP=1;    //关闭蜂鸣器
   ALAM=1;
   EX0=1;    //开启外部中断0
   EX1=1;    //开启外部中断1
   if(x>=10){shanshuo_st=~shanshuo_st;x=0;}
   if(shanshuo_st) {Disp_alarm(shangxian);}
  }
  else if(set_st==2)
  {
   BEEP=1;    //关闭蜂鸣器
   ALAM=1;
   EX0=1;    //开启外部中断0
   EX1=1;    //开启外部中断1
   if(x>=10){shanshuo_st=~shanshuo_st;x=0;}
   if(shanshuo_st) {Disp_alarm(xiaxian);}
  }
    }
}

/*****定时器0中断服务程序*****/
void timer0(void) interrupt 1
{
 TH0=0x3c;
 TL0=0xb0;
 x++;
}
/*****外部中断0服务程序*****/
void int0(void) interrupt 0
{
 
 EX0=0;      //关外部中断0
 if(DEC==0&&set_st==1)
 {
  	do{
		Disp_alarm(shangxian);
	}
 	while(DEC==0);
  	shangxian--;
  	if(shangxian<xiaxian)shangxian=xiaxian;
 }
 else if(DEC==0&&set_st==2)
 {
  	do{
		Disp_alarm(xiaxian);
	}
 	while(DEC==0);
 	xiaxian--;
  	if(xiaxian<0)xiaxian=0;
 }
}
/*****外部中断1服务程序*****/
void int1(void) interrupt 2
{
 EX1=0;      //关外部中断1
 if(ADD==0&&set_st==1)
 {
 	do{
		Disp_alarm(shangxian);
	}
 	while(ADD==0);
  	shangxian++;
  	if(shangxian>99)shangxian=99;
 }
 else if(ADD==0&&set_st==2)
 {
  	do{
		Disp_alarm(xiaxian);
	}
 	while(ADD==0);
  	xiaxian++;
  	if(xiaxian>shangxian)xiaxian=shangxian;
 }  
}

7、资源获取

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