如今，在很多電子產(chǎn)品中，將單片機(jī)用到溫度檢測和溫度控制;而溫度則是系統(tǒng)常需要測量、控制和保持的一個(gè)量。因此本文從硬件和軟件兩方面介紹了AT89C2051單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對硬件原理圖和程序框圖作了簡潔的描述。

1.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

1.1數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集電路如圖2所示，由溫度傳感器DS18B20采集被控對象的實(shí)時(shí)溫度，提供給AT89C2051的P3.2口作為數(shù)據(jù)輸入。在本次設(shè)計(jì)中所控的對象為所處室溫。當(dāng)然作為改進(jìn)可以把傳感器與電路板分離，由數(shù)據(jù)線相連進(jìn)行通訊，便于測量多種對象。

圖2 數(shù)據(jù)采集電路

(1)DS18B20概述

DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)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(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá)0.0625℃，被測溫度用符號擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出，支持3V～5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便;其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生;多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)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(jié)省大量的引線和邏輯電路。以上特點(diǎn)使DS18B20非常適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)定的報(bào)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(gòu)建適合自己的經(jīng)濟(jì)的測溫系統(tǒng)。如圖2所示DS18B20的2腳DQ為數(shù)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(jī)微控器，與Intel的MCS-51完全兼容，內(nèi)藏2K的可程序化Flash存儲體，內(nèi)部有128B字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器空間，可直接推動LED，與8051完全相同，有15個(gè)可程序化的I/O點(diǎn)，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(jī)、ULN2003達(dá)林頓芯片、4511BCD譯碼器、串行EEPROM24C16(保存系統(tǒng)參數(shù))、MAX232、數(shù)碼管及外圍電路構(gòu)成， 單片機(jī)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(gè)共陰極LED靜態(tài)顯示溫度的十位、個(gè)位。

串行EEPROM24C16是標(biāo)準(zhǔn)I2C規(guī)格且只要兩根引腳就能讀寫。由于單片機(jī)2051的P1是一個(gè)雙向的I/O端口，所以在我們在設(shè)計(jì)中將P1端口當(dāng)成輸出端口用。由圖2可知，P1.7作為串性的時(shí)鐘輸出信號與24C16的第6腳相接，P1.6則作為串行數(shù)據(jù)輸出接到24C16的第5腳。P1. 4和P1.5則作為兩個(gè)數(shù)碼管的位選信號控制，在P1.4=1時(shí)，選中第一個(gè)數(shù)碼管(個(gè)位);P1.5=1時(shí)，選中第二個(gè)數(shù)碼管(十位)。P1.0～P1.3的輸出信號接到譯碼器4511上作為數(shù)碼管的顯示。此外，由于單片機(jī)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(shí)/計(jì)數(shù)輸入點(diǎn)，P3.5(T1)外部定時(shí)/計(jì)數(shù)輸入點(diǎn)。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(shí)/記數(shù)輸入點(diǎn)。P3.7作為一個(gè)脈沖輸出，控制發(fā)光二極管的亮滅。

由于在電路中采用的共陰極的LED數(shù)碼管，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)加了一個(gè)達(dá)林頓電路ULN2003對信號進(jìn)行放大，產(chǎn)生足夠大的電流驅(qū)動數(shù)碼管顯示。由于4511只能進(jìn)行BCD十進(jìn)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(bào)警電路簡介

圖3 報(bào)警電路

文中所設(shè)計(jì)的報(bào)警電路較為簡單，由一個(gè)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(gè)不停)和一個(gè)發(fā)光二極管組成(如圖3所示)。在這次設(shè)計(jì)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(dá)到一定的上界或者下界時(shí)(在文中我們設(shè)置的上界溫度是45℃，下界溫度是5℃)，報(bào)警電路開始工作，主要程序設(shè)計(jì)如下：

main()//主函數(shù)

{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(shù)碼管賦值

{P1=designP1[i];}

else//如果溫度大于10度

{m=i%10;//先給第一個(gè)七段數(shù)碼管賦值

D1=1;

D2=0;

P1=designP1[m];

n=i/10;//再給第二個(gè)七段數(shù)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(fā)光二極管閃爍

{ int a,b;

Q1=1;//蜂鳴器叫

for(a=0;a<1000;a++)//發(fā)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)程序流程圖

系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

2.2溫度部分軟件設(shè)計(jì)

DS18B20的一線工作協(xié)議流程是：初始化→ROM操作指令→存儲器操作指令→數(shù)據(jù)傳輸。其工作時(shí)序包括初始化時(shí)序、寫時(shí)序和讀時(shí)序。故主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)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(fā)出60～240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復(fù)位成功。程序主要函數(shù)部分如下：

(1)初始化函數(shù)

//讀一個(gè)字節(jié)函數(shù)

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(gè)字節(jié)函數(shù)

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(jì)算函數(shù)

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(zhuǎn)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(gè)寄存器) 前兩個(gè)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(jié)

以上就是基于51單片機(jī)的溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹了。AT89C2051單片機(jī)體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、對環(huán)境要求不高、價(jià)格低廉、可靠性高、靈活性好。本文設(shè)計(jì)是一種低成本的利用單片機(jī)多余I/O口實(shí)現(xiàn)的溫度檢測電路，該電路非常簡單，易于實(shí)現(xiàn),，并且適用于幾乎所有類型的單片機(jī);目前此設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于鉆井模擬器實(shí)驗(yàn)室室溫控制。
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