基于AT89C51單片機的數字溫度計設計

單體良

渤海大學

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基于AT89C51單片機的數字溫度計設計

單體良

渤海大學

本系統設計了一款基于AT89C51單片機的數字溫度計，可以實現溫度的顯示和報警等功能。系統以AT89C51單片機為主控制芯片，采用溫度傳感器DS18B20來檢測電路的溫度，測量精度達到0.5℃，使用LCD1602A液晶顯示模塊，來顯示測出的溫度值。該系統具有結構簡單、讀數方便、精度高、測溫范圍廣等特點，具有很強的應用價值。

數字溫度傳感器 AT89C51單片機 單總線 PTR2030無線收發模塊

隨著工業、農業的發展，當前的生活環境越來越不能滿足人們的要求，對溫度進行測量和控制就顯得很重要。基于單片機的智能溫度控制系統在工農業生產中以及人們日常生活中都應用很廣。傳統的監控方法不能達到精確、快速的作用，很難達到較高的性能要求。隨著科學技術的發展，溫度傳感器的應用范圍越來越廣，溫度傳感器DS18B20，可以把溫度信號轉換為數字信號。本文利用單片機和溫度傳感器結合，設計一款數字溫度計，來代替手工測量，可以省時間、省力氣。

1　系統總體設計方案

本系統以AT89C51單片機為主控芯片，用DS18B20傳感器來測量外界的溫度，利用4×4鍵盤模塊設定溫度的最大值和最小值，當溫度超過最大值或者最小值時就報警。顯示電路采用LCD1602A液晶模塊，報警電路由三極管、蜂鳴組成，溫度測量系統總體設計框圖如圖1所示：

圖1　溫度測量系統總體框圖

2　系統硬件設計

2.1主控制器

本系統選用AT89C51單片機，該單片機是一種低功耗，高性能的8位COMS微控制器，其片內含有4KB只讀存儲器，引腳和指令和80C51兼容，可以多次編程。

2.2溫度傳感器

2.2.1DS18B20的工作原理

溫度傳感器選擇DS18B20，它是一款數字溫度傳感器，不需要模數轉換就能讀取電路溫度，而且可以采用編程的方式實現9位到12位的轉換，具有線路簡單、體積小等優點。可以測量的溫度范圍為－55.C到+125.C，電壓范圍為3.0到5.5V，并且只利用一個端口就可以完成通信，不同器件有不同的序號，在實際工作中不需要依靠外部元器件就可以完成對溫度的測量。

2.2.2DS18B20與單片機的接口電路

DS18B20的單總線和單片機P2.0引腳連接。單片機P2口內部帶上拉電阻，當P2口輸出高電平時，P2口做為輸入口使用。在主機發送讀時序的時候，傳感器給主機傳送數據。主控制器配合采集數據時，把溫度傳感器的信號線和主控制器的一位I/O口線連接，主控制器的一位I/O 口線可以和多個溫度傳感器相連接，完成一個節點或者多個節點的溫度檢測。DS18B20有三個引腳，分別和地、電源以及主控制器的I/O口連接，電源和數字輸入、輸出管腳之間接一個4.7K的電阻。

DS18B20溫度的計算方法如下：

SSSSS = 11111 b 溫度值：

T=［ （MSB and 7） ×256 + LSB］ ×0.0625 ℃

SSSSS = 00000 b 溫度值：

T=-［ （256 - MSB） ×256 - LSB］ ×0.0625 ℃

2.3鍵盤電路

根據系統中需要實現的功能，采用4X4=16的矩陣式鍵盤設定溫度的最大值和最小值，這種矩陣式的鍵盤可以提高主控制器的I/O口使用效率。

當按多個鍵時，為了充分提高單片機I/O口的使用效率，避免線路過于復雜，把按鍵排成矩陣的形式，分為行線和列線，其中行線是輸出端，列線是輸入端。假如無按鍵按下，系統輸出端置高電平，假如有按鍵按下，系統輸入端置低電平。鍵盤電路工作原理為：

a）判斷有無鍵按下。

b）去除鍵的機械抖動。假如判斷有鍵按下，也就是輸入端有低電平，延時10ms，第二次讀取，假如兩次都判斷為有鍵按下，確定為有按鍵按下，否則不判為鍵按下，判為抖動。

c）判別哪個鍵按下。

d）CPU采取等鍵釋放后，處理一次按鍵的閉合。

2.4顯示電路

LCD1602和單片機連接方法有：采用8位數據總線連接和三個控制端口連接；采用D4-D7作為四位數據分為兩次傳送。本實驗將使用并采用八位數據方式來控制1602顯示。單片機的P3.5口-P3.7口分別和液晶的使能端、讀寫選擇端、以及RS端相連，當使能端有效時，利用命令選擇端控制數據的讀和寫。主控制器的P2口和液晶的數據端口相連，用來傳輸數據。

2.5報警電路

報警電路主要由三極管和蜂鳴器組成，單片機的P1.1引腳信號，經三極管Q1驅動后發聲。當P1.1口輸出電平為低時，蜂鳴器不響；當P1.1口輸出電平為高時，蜂鳴器發出聲響，其音調高低和脈沖信號的頻率有關系。

2.6電源電路

系統需要5V的穩定電源，因此需要把電壓穩定在5V。采用LM7805三端穩壓器實現，LM7805內部有過溫、過流保護電路，并且和外部電路連接時需要的元器件少、使用方便、可靠。

3　軟件設計

系統使用C語言為編程語言，主程序主要由溫度采集模塊、溫度處理模塊、數據顯示模塊以及鍵盤處理模塊四部分組成，系統初始化后，分別實現各個功能。其中溫度采集部分的功能是實現被測溫度的采集；溫度處理部分的功能是把采集到的溫度數據進行比較、處理和判斷，如果處理判斷后的數值大于設定值，蜂鳴器就報警，提醒注意；數據顯示部分可以顯示溫度值；鍵盤處理部分能夠設定系統的參數，實現用戶和系統之間的人機對接。系統軟件主流程如圖2所示。

3.1測溫模塊流程圖

測溫模塊操作流程圖如3所示。

圖2　系統軟件總流程圖

圖3　測溫模塊操作流程圖

圖4　多點溫度測量電路流程圖

3.2多點溫度的測量

多點溫度測量的過程如下：

（1）發送跳過ROM命令。

（2）發啟動溫度傳感器命令，開始溫度轉換。

（3）延遲1s。

（4）發匹配ROM命令。

（5）取出64位ROM代碼并發送到單總線中。

（6）發讀溫度值命令，然后讀測量的溫度值。

（7）對結果進行CRC校驗，在顯示器中顯示出來。

（8）重復（4）到（7）歩鄹，直到所有的測量結束。

（9）測量結完成后，重復上面過程，重新進行下一輪溫度測量。

多點溫度測量電路流程圖如圖4所示。

3.3顯示模塊流程圖

顯示模塊流程圖如圖5所示。

圖5　LCD1602A操作流程圖

圖6　鍵盤掃描程序流程圖

3.4鍵盤掃描流程圖

按鍵處理程序主要實現報警參數設置以及顯示模式設置，其工作流程如下文所示。通過掃描鍵盤讀取鍵值，通過溫度傳感器設置溫度的最大值報警值和最小值報警值，鍵盤掃描流程圖如圖6所示。

4　系統測試

把系統設計的溫度計放在既有水又有冰的混合物里面，讓溫度計在混合物中靜置一段時間后，把此時系統顯示的溫度值設置為0.00，即0℃；然后讀取當地地面的大氣壓強，并計算出當時的實際壓強，再把溫度計放到沸騰的水中，根據物理中水的沸點和實際壓強的關系確定此時水沸騰的實際溫度，讓顯示屏的數據和當地當時的沸點溫度相等［6］。經過測試，系統設計的溫度計可以測量-30℃～ 150℃之間的溫度，測量精度為 0.5℃，常用的溫度為0℃～ 100℃。分別測試幾個溫度點，然后用精密水銀再測試這幾個溫度點，把兩種溫度計測試的結果進行對比，經過測試表明，該系統設計的數字溫度計精確度達到測量精度要求。

5　結論

本測溫系統充分利用了單片機強大資源，功能齊全，設計電路簡單、美觀，不僅具有精度高、速度快的特點，還具有穩定性好、使用范圍廣的特點，適用于對溫度要求比較高的場所，具有很強的實用性。

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［3］丁磊，佟彤.基于AT89C51單片機的數字溫度計的設計與研究［J］.才智，2011，19：58.

［4］龍吉. 基于AT89C2051單片機的數字溫度計的設計［J］. 科學之友，2010，20：36+38.

［5］曹文祥.AT89C51單片機數字體溫計的設計［J］. 武漢工程職業技術學院學報，2012，03：32-34+37.

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