基于51單片機的溫度報警器設計

摘 要：單片機技術已經普及到我們生活，工作，科研，各個領域，已經成為一種比較成熟的技術,本文將介紹一種基于單片機控制的數字溫度器，本溫度計屬于多功能溫度計，可以設置上下報警溫度，當溫度不在設置范圍內時，可以報警。 隨著現代工農業技術的發展及人們對生活環境要求的提高，人們也迫切需要檢測與控制溫度。本文通過采用蜂鳴器作為電聲元件的溫度報警器的設計，闡明了該裝置進行設計與制作的具體過程及方法。這種溫度報警器結構簡單，可操作性強，應用廣泛。工作時，溫度測量范圍為5—38oＣ。當前環境溫度若超過設定的高溫臨界溫度，由單片機發出報警信號，從而防止帶來的不必要的損失。 造成高溫火災有：電氣線路短路、過載、接觸電阻過大等引發高溫或火災；靜電產生高溫或或火災；雷電等強電侵入導致高溫或火災；最主要是機房內電腦、空調等用電設備長時間工作，導致設備老化，空調發生故障，而不能降溫；因此機房內所屬的電子產品發熱快，在短時間內機房溫度升高超出設備正常溫度，導致系統癱瘓或產生火災，這時溫度報警系統就會發揮應有的功能。 關鍵詞STC89C51單片機，數字控制，溫度計，DS18B20 前言 隨著人們生活水平的不斷提高,單片機控制無疑是人們追求的目標之一，它所給人帶來的方便也 是不可否定的，其中數字溫度計就是一個典型的例子，但人們對它的要求越來越高，要為現代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設施就需要從數單片機技術入手，一切向著數字化控制，智能化控制方向發展。 本設計所介紹的數字溫度計與傳統的溫度計相比，具有讀數方便，測溫范圍廣，測溫準確，其輸出溫度采用數字顯示，主要用于對測溫比較準確的場所，或科研實驗室使用，該設計控制器使用 單片機 STC89C51，測溫傳感器使用 DS18B20，用四位一體共陰極 LED 數碼管以串口傳送數據,實現溫度 顯示,能準確達到要求。

1 設計要求與方案論證

首先明確設計要求，再討論方案，一一攻破設計的難點。

1.1 設計要求

基本范圍：溫度檢測范圍-55℃-125℃，報警值設置范圍0℃-99℃ ；

精度誤差小于 0.1℃ ；

數碼管直讀顯示；

擴展功能：可以任意設定溫度的上下限報警功能。

1.2 系統基本方案選擇和論證

1.2.1 單片機芯片的選擇方案和論證

由于單片機具有以下的很多優點，被我們選定為制作該作品的首選芯片

單片機特點：

（1）高集成度，體積小，高可靠性

單片機將各功能部件集成在一塊晶體芯片上，集成度很高，體積自然也是最小的。芯片本身是按工業測控環境要求設計的，內部布線很短，其抗工業噪音性能優于一般通用的CPU。單片機程序指令，常數及表格等固化在ROM中不易破壞，許多信號通道均在一個芯片內，故可靠性高。

（2）控制功能強

為了滿足對對象的控制要求，單片機的指令系統均有極豐富的條件:分支轉移能力，I/O口的邏輯操作及位處理能力，非常適用于專門的控制功能。

（3）低電壓，低功耗，便于生產便攜式產品

為了滿足廣泛使用于便攜式系統，許多單片機內的工作電壓僅為1.8V～3.6V，而工作電流僅為數百微安。

（4）易擴展

片內具有計算機正常運行所必需的部件。芯片外部有許多供擴展用的三總線及并行、串行輸入/輸出管腳，很容易構成各種規模的計算機應用系統。

（5）優異的性能價格比

單片機的性能極高。為了提高速度和運行效率，單片機已開始使用RISC流水線和DSP等技術。單片機的尋址能力也已突破64KB的限制，有的已可達到1MB和16MB，片內的ROM容量可達62MB，RAM容量則可達2MB。由于單片機的廣泛使用，因而銷量極大，各大公司的商業競爭更使其價格十分低廉，其性能價格比極高。

方案一:

采用STC89C51芯片作為硬件核心。STC89C51內部具有8KB ROM 存儲空間,512字節數據存儲空間，帶有2K字節的EEPROM存儲空間，與MCS-51系列單片機完全兼容,STC89C51可以通過串口下載。

方案二:

采用AT89S51。AT89S51片內具有8K字節程序存儲空間，256字節的數據存儲空間沒有EEPROM存儲空間，也與MCS-51系列單片機完全兼容，具有在線編程可擦除技術。

兩種單片機都完全能夠滿足設計需要，STC89C51相對ATS89C52價格便宜，且抗干擾能力強。考慮到成本因素，因此選用STC89C51。

1.2.2 溫度傳感器設計方案論證

利用物質各種物理性質隨溫度變化的規律把溫度轉換為電量的傳感器。這些呈現規律性變化的物理性質主要有體。溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分，品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。

現代信息技術的三大基礎是信息采集(即傳感器技術)、信息傳輸(通信技術)和信息處理(計算機技術)。溫度傳感器的發展大致經歷了以下三個階段；(1)傳統的分立式溫度傳感器(含敏感元件)；(2)模擬集成溫度傳感器/控制器；(3)智能溫度傳感器。國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數字式、由集成化向智能化、網絡化的方向發展。在20世紀90年代中期最早推出的智能溫度傳感器，采用的是8位A/D轉換器，其測溫精度較低，分辨力只能達到1°C。國外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度傳感器，所用的是9~12位A/D轉換器，分辨力一般可達0.5~0.0625°C。由美國DALLAS半導體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進制數據，其分辨力高達0.03125°C，測溫精度為±0.2°C。為了提高多通道智能溫度傳感器的轉換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉換器。目前，智能溫度傳感器的總線技術也實現了標準化、規范化，所采用的總線主要有單線(1-Wire)總線、I2C總線、SMBus總線和spI總線。溫度傳感器作為從機可通過專用總線接口與主機進行通信。

方案一:

由于本設計是測溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應，在將隨被測溫度變化 的電壓或電流采集過來，進行 A/D 轉換后，就可以用單片機進行數據的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來，這種設計需要用到 A/D 轉換電路，感溫電路比較麻煩。

方案二:

進而考慮到用溫度傳感器，在單片機電路設計中，大多都是使用傳感器，所以這是非常容易想到的，所以可以采用一只溫度傳感器 DS18B20，此傳感器，可以很容易直接讀取被測溫度值，進行轉換，就可以滿足設計要求。

從以上兩種方案，兩種都完全能夠滿足設計需要，很容易看出，采用方案二，電路比較簡單，軟件設計也比較簡單，故采用了方案二。

1.3 電路設計最終方案決定

綜上各方案所述,對此次作品的方案選定: 采用STC89C51單片機作為主控制系統;采用DS18B20為傳感器;采用數碼管作為顯示器件。

2 主要元件介紹

2.1 STC89C51介紹

STC89C51是由深圳宏晶科技公司生產的與工業標準MCS-51指令集和輸出管腳相兼容的單片機。

2.1.1 STC89C51主要功能及PDIP封裝

STC89C51主要功能如表1所示，其PDIP封裝如圖1所示

表1：STC89C51主要功能

2.1.2 STC89C51引腳介紹

① 主電源引腳（2根）

VCC(Pin40)：電源輸入，接＋5V電源

GND(Pin20)：接地線

②外接晶振引腳（2根）

XTAL1(Pin19)：片內振蕩電路的輸入端

XTAL2(Pin20)：片內振蕩電路的輸出端

③控制引腳（4根）

RST/VPP(Pin9)：復位引腳，引腳上出現2個機器周期的高電平將使單片機復位。

ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號

PSEN(Pin29)：外部存儲器讀選通信號

EA/VPP(Pin31)：程序存儲器的內外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內部程序存儲器讀指令。

④可編程輸入/輸出引腳（32根）

STC89C51單片機有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、P1、P2、P3口，每個口有8位（8根引腳），共32根。

P0口（Pin39～Pin32）：8位雙向I/O口線，名稱為P0.0～P0.7

P1口（Pin1～Pin8）：8位準雙向I/O口線，名稱為P1.0～P1.7

P2口（Pin21～Pin28）：8位準雙向I/O口線，名稱為P2.0～P2.7

P3口（Pin10～Pin17）：8位準雙向I/O口線，名稱為P3.0～P3.7

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圖1：STC89C51封裝圖

2.1.3 單片機最小系統：

當在STC89C51單片機的RST引腳引入高電平并保持2個機器周期時，單片機內部就執行復位操作，按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過RST端經過電阻與電源VCC接通而實現的。最小系統如圖2所示。

圖2 單片機最小系統電路

電路以STC89C51單片機最小系統為控制核心，測溫電路由DS18B20提供，輸入部分采用三個獨立式按鍵S1、S2、S3。數碼管顯示部分。具體電路連接，詳見附錄1。

2.2 DS18B20傳感器介紹

2.2.1 DS18B20概述

在現代檢測技術中，傳感器占據著不可動搖的重要位置。主機對數據的處理能力已經相當的強，但是對現實世界中的模擬量卻無能為力。如果沒有各種精確可靠的傳感器對非電量和模擬信號進行檢測并提供可靠的數據，那計算機也無法發揮他應有的作用。傳感器把非電量轉換為電量，經過放大處理后，轉換為數字量輸入計算機，由計算機對信號進行分析處理。從而傳感器技術與計算機技術結合起來，對自動化和信息化起重要作用。

采用各種傳感器和微處理技術可以對各種工業參數及工業產品進行測控及檢驗，準確測量產品性能，及時發現隱患。為提高產品質量、改進產品性能，防止事故發生提供必要的信息和更可靠的數據。由于系統的工作環境比較惡劣，且對測量要求比較高，所以選擇合適的傳感器很重要。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數字式、從集成化向智能化和網絡化的方向飛速發展。智能溫度傳感器DS18B20正是朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發虛擬傳感器和網絡傳感器、研制單片測溫系統等高科技的方向迅速發展。因此，智能溫度傳感器DS18B20作為溫度測量裝置已廣泛應用于人民的日常生活和工農業生產中。

美國DALLAS公司生產的 DS18B20可組網數字溫度傳感器芯片外加不銹鋼保護管封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域。有獨特的單線接口方式，DS1820在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS1820的雙向通訊；其測溫范圍 －55℃～＋125℃，固有測溫分辨率0.5℃；支持多點組網功能；多個DS1820可以并聯在唯一的三線上，實現多點測溫；工作電源為3~5V/DC；在使用中不需要任何外圍元件。

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