基于51單片機的溫度測量系統設計介紹

如今，在很多電子產品中，將單片機用到溫度檢測和溫度控制;而溫度則是系統常需要測量、控制和保持的一個量。因此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潔的描述。

1.系統硬件設計

系統的硬件結構如圖1所示。

圖1 系統的硬件結構

1.1數據采集

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

圖2 數據采集電路

(1)DS18B20概述

DS18B20是DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器，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生;多個DS18B20可以并聯到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，可節省大量的引線和邏輯電路。以上特點使DS18B20非常適用于遠距離多點溫度檢測系統。分辨率設定，及用戶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。

DS18B20

(2)AT89C2051

AT89C2051(以下簡稱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LED，與8051完全相同，有15個可程序化的I/O點，分別是P1端口與P3端口(少了P3.6)。

AT89C2051引腳圖

1.2接口電路

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4511BCD譯碼器譯碼，用2個共陰極LED靜態顯示溫度的十位、個位。

串行EEPROM24C16是標準I2C規格且只要兩根引腳就能讀寫。由于單片機2051的P1是一個雙向的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則作為兩個數碼管的位選信號控制，在P1.4=1時，選中第一個數碼管(個位);P1.5=1時，選中第二個數碼管(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/計數輸入點，P3.5(T1)外部定時/計數輸入點。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/記數輸入點。P3.7作為一個脈沖輸出，控制發光二極管的亮滅。

由于在電路中采用的共陰極的LED數碼管，所以在設計電路時加了一個達林頓電路ULN2003對信號進行放大，產生足夠大的電流驅動數碼管顯示。由于4511只能進行BCD十進制譯碼，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 報警電路

文中所設計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)和一個發光二極管組成(如圖3所示)。在這次設計中蜂鳴器是通過ULN2003電流放大IC來控制。在我們所要求的溫度達到一定的上界或者下界時(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;//先給第一個七段數碼管賦值

D1=1;

D2=0;

P1=designP1[m];

n=i/10;//再給第二個七段數碼管賦值

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，發光二極管閃爍

{ int a,b;

Q1=1;//蜂鳴器叫

for(a=0;a<1000;a++)//發光二極管閃爍

for(b=0;b<1000;b++)

Q2=1;

for(a=0;a<1000;a++)

for(b=0;b<1000;b++)

Q2=0;}}}

2.系統軟件設計

2.1系統程序流程圖

系統程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統程序流程圖

2.2溫度部分軟件設計

DS18B20的一線工作協議流程是：初始化→ROM操作指令→存儲器操作指令→數據傳輸。其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序。故主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位，復位成功后發送一條ROM指令，最后發送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。復位要求主CPU將數據線下拉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);}

//寫一個字節函數

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); // 跳過讀序號列號的操作

WriteOneChar(0x44); // 啟動溫度轉換

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);}

小結

以上就是基于51單片機的溫度測量系統設計介紹了。AT89C2051單片機體積小、重量輕、抗干擾能力強、對環境要求不高、價格低廉、可靠性高、靈活性好。本文設計是一種低成本的利用單片機多余I/O口實現的溫度檢測電路，該電路非常簡單，易于實現,，并且適用于幾乎所有類型的單片機;目前此設計已成功應用于鉆井模擬器實驗室室溫控制。

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