基于51單片機的溫度測量系統

摘　要: 單片機在檢測和控制系統中得到廣泛的應用, 溫度則是系統常需要測量、控制和保持的一個量。 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。

關鍵詞: 單片機AT89C2051;溫度傳感器DS18B20;溫度;測量

引言
    單片機在電子產品中的應用已經越來越廣泛,并且在很多電子產品中也將其用到溫度檢測和溫度控制。為此在本文中作者設計了基于atmel公司的AT89C2051的溫度測量系統。這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。

一.系統硬件設計
    系統的硬件結構如圖1所示。

 
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。在本次設計中我們所控的對象為所處室溫。當然作為改進我們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。                                    

    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。

    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）。

1.2    接口電路

圖2 單片機2051與溫度傳感器DS18B20的連接圖

    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 溫度在七段數碼管上顯示連接圖

    本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;}}}

二.系統軟件設計

圖4 系統程序流程圖

2.1 系統程序流程圖
    系統程序流程圖如圖4所示。

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);}

三. 結束語
    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。即使是非電子計算機專業人員，通過學習一些專業基礎知識以后也能依靠自己的技術力量來開發所希望的單片機應用系統。 本文的溫度控制系統只是單片機廣泛應用于各行各業中的一例，相信讀者會依靠自己的聰明才智使單片機的應用更加廣泛化。另外對本例子可以作一些擴展，單片機的應用越來越廣泛,由于單片機的運算功能較差,往往需要借助計算機系統,因此單片機和PC機進行遠程通信更具有實際意義。目前此設計已成功應用于鉆井模擬器實驗室室溫控制。

    本文作者創新觀點：采用的單片機AT89C2051性價比高，而且溫度傳感器DS18B20轉化溫度的方法非常簡潔且精度高、測試范圍較廣。

參考文獻
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