基于AT89C51单片机的温度采集器的设计
摘要：本文介绍一种基于AT89C51单片机的一种温度测量及报警电路,该电路采用DS18B20作为温度监测元件，测量范围0℃-～+100℃，使用LED模块显示，能设置温度报警上下限。正文着重给出了软硬件系统的各部分电路，介绍了集成温度传感器DS18B20的原理，AT89C51单片机功能和应用。该电路设计新颖、功能强大、结构简单。
关键词：温度测量；DS18B20；AT89C51
1.引言
随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。本系统所使用的加热器件是电炉丝，功率为三千瓦，要求温度在400～1000℃。静态控制精度为2.43℃。
本设计使用单片机作为核心进行控制。单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。
2.方案论证
2.1课题的设计目的
1. 巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力。
2. 培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力。
3. 通过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉单片机用系统开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤。
2.2课题的主要工作
本课题的研究重点是设计一种基于单片机的数字温度计控制系统。利用数字温度传感器DS18B20，此传感器课读取被测量温度值，进行转换。
主要工作如下：
1. 温度测试基本范围0℃—100℃。
2. 精度误差小于1℃。
3. LED液晶显示。
4. 可以设定温度的上下限报警功能。
5. 实现报警提示。
2.3本文研究内容
数字温度计采用温度敏感元件也就是温度传感器（如铂电阻，热电偶，半导体，热敏电阻等），将温度的变化转换成电信号的变化，如电压和电流的变化，温度变化和电信号的变化有一定的关系，如线性关系，一定的曲线关系等，这个电信号可以使用模数转换的电路即A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号，数字信号再送给处理单元，如单片机或者PC机等，处理单元经过内部的软件计算将这个数字信号和温度联系起来，成为可以显示出来的温度数值，如25.0摄氏度，然后通过显示单元，如LED,LCD或者电脑屏幕等显示出来给人观察。这样就完成了数字温度计的基本测温功能。
本文是基于AT89C51单片机，采用数字温度传感器DS18B20，利用DS18B20不需要A/D转换，课直接进行温度采集显示，报警的数字温度计设计。包括传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警调整电路，单片机主板电路等组成。
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳
早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的80C31，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在80C31上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
采用PID模糊控制技术，用先进数码技术通过Pvar,Ivar,Dvar.三方面结合调整形成一个模糊控制来解决惯性温度误差问题。
大的框架是输入，控制和输出三个部分，输入是指温度传感器，可以是模拟量的铂电阻、热敏电阻，也可以是数字量的18B20控制芯片常用AT89S52/1，程序根据实际使用而定，原理就是根据测量温度值与设置值的比较来判定输出量的开或者关。输出开关量，一般是继电器输出，控制加热或者制冷等设备的开启
采用单片机和模数转换器来设计，独立的稳压电源，采用LED显示。硬件电路，键盘/显示采用串行接口芯片8255A，编写软件，完成如下功能：模拟现场3个点温度数据的巡回检测，温度范围0～85℃（温度信号用电位器可调电压模拟），1对应数字量03H。每隔15s检测一次，每一路连续检测4次，取其平均值，经标度变换，转为BCD码送LED显示，三路循环显示，每路持续2s。利用软件绘制相应硬件电路的原理图及PCB图。
目录
1.引言-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1
2.方案论证-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------1
2.1 课题设计目的-----------------------------------------------------------------------------------------------------1
2.2 课题主要工作-----------------------------------------------------------------------------------------------------1
2.3 课题研究内容-----------------------------------------------------------------------------------------------------2
3.系统概述-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------3
3.1方案选择-----------------------------------------------------------------------------------------------------------3
3.1.1方案一-------------------------------------------------------------------------------------------------------3
3.1.2方案二-------------------------------------------------------------------------------------------------------3
3.2系统设计原理-------------------------------------------------------------------------------------------------------4
3.3系统组成-------------------------------------------------------------------------------------------------------------4
3.4 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路------------------------------------------------------------------5
4.系统硬件设计-----------------------------------------------------------------------------------------------------------6
4.1 80C51单片机的介绍--------------------------------------------------------------------------------------------6
4.1.1 80C51单片机主要特性---------------------------------------------------------------------------------7
4.1.2 80C51单片机管脚图------------------------------------------------------------------------------------7
4.1.3 80C51单片机的中断系统------------------------------------------------------------------------------9
4.1.4 80C51单片机的定时/计数器--------------------------------------------------------------------------9
4.2 LCD液晶显示器简介------------------------------------------------------------------------------------------10
4.2.1液晶模块简介-------------------------------------------------------------------------------------------10
4.2.2液晶显示部分与89C51的接口-----------------------------------------------------------------------12
4.3通讯模块--------------------------------------------------------------------------------------------------------------12
4.4 DS18B20介绍-------------------------------------------------------------------------------------------------13
4.4.1温度传感器工作原理----------------------------------------------------------------------------------13
4.4.2 DS18B20相关介绍-------------------------------------------------------------------------------------15
4.4.3 DS18B20使用中的注意事项-------------------------------------------------------------------------16
4.5温度设置上下限模块-------------------------------------------------------------------------------------------16
4.6报警电路----------------------------------------------------------------------------------------------------------17
4.7二四译码器-------------------------------------------------------------------------------------------------------18
4.8锁存,译码驱动芯片MC14995---------------------------------------------------------------------------------19
4.9本章小结----------------------------------------------------------------------------------------------------------19
5.系统软件设计----------------------------------------------------------------------------------------------------------20
5.1主程序设计-------------------------------------------------------------------------------------------------------20
5.2 DS18B20初始化------------------------------------------------------------------------------------------------20
5.3数据测试----------------------------------------------------------------------------------------------------------22
5.4仿真结果----------------------------------------------------------------------------------------------------------22
5.5本章小结----------------------------------------------------------------------------------------------------------24
参考文献------------------------------------------------------------------------------------------------------------------25
附录A----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------26
附录B----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------27
总结------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------31
参考文献
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