基于单片机的智能温度监测系统设计

智能温度检测系统是通过硬件电路设计和软件编程驱动的结合方式，实现0℃～99℃范围内的温度智能监测。可通过LCD实时显示实际温度和预设温度，当温度超出预设范围时及时报警，而且报警声用电子乐曲或音乐音符实现。

前言

本次设计的主要思路是利用51系列单片机，数字温度传感器DS18B20和1602LCD液晶显示，构成实现温度检测与显示的单片机控制系统，即数字温度计。通过对单片机编写相应的程序，达到能够实时检测周围温度的目的。 通过对本课题的设计能够熟悉数字温度计的工作原理及过程，了解各功能器件(单片机、DS18B20、LCD)的基本原理与应用，掌握各部分电路的硬件连线与程序编写，最终完成对数字温度计的总体设计。其具体的要求如下： 1、根据设计要求，选用AT89C51单片机为核心器件； 2、温度检测器件采用DS18B20数字式温度传感器，利用单总线式连接方式与单片机的串行接口P3.3引脚相连； 3、显示电路采用1602LCD液晶显示温度值，此类液晶模块不仅可以显示数字、字符，还可以显示各种图形符号以及少量自定义符号，人机界面友好，使用操作也更加灵活、方便，使其日益成为各种仪器仪表等设备的首选。

系统的开发过程

本设计主要介绍了用单片机和数字温度传感器DS18B20相结合的方法来实现温度的采集，以单片机AT89C51芯片为核心，温度传感器DS18B20和1602LCD液晶显示，构成了一个多功能单片机数字温度计。其主要研究内容包括两方面，一是对系统硬件部分的设计，包括温度采集电路和显示电路；二是对系统软件部分的设计，应用C语言实现温度的采集与显示。通过利用数字温度传感器DS18B20进行设计，能够满足实时检测温度的要求，同时通过1602LCD的显示功能，可以实现不间断的温度显示。其总体设计框图一如下：

图一：总体设计框图

第一节AT89C51简介

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可编程的Flash只读程序存储器，兼容标准8051指令系统及引脚，并集成了 Flash 程序存储器，既可在线编程(ISP)，也可用传统方法进行编程，因此，低价位AT89C51单片机可应用于许多高性价比的场合，可灵活应用于各种控制领域，对于简单的测温系统已经足够。单片机AT89C51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。芯片AT89C51的引脚排列如图二所示：

图二：AT89C51单片机引脚图

第二节晶振电路的设计

单片机晶振电路的设计如图三所示。XTAL1（X1）为反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。按照理论上AT89C51使用的是12MHz的晶振，但实测使用11.0592MHz。所以设计者通常用的是11.0592MHz。 

图三：单片机晶振电路

第三节温度采集电路的设计

DALLAS 最新单线数字温度传感器DS18B20是一种新型的“一线器件”，其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。DALLAS 半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。温度测量范围为-55～+125 摄氏度，可编程为9～12 位转换精度，测温分辨率可达0.0625摄氏度，分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROM 中，掉电后依然保存。被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可以在远端引入，也可以采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3 根或2 根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。本设计的温度采集电路如图四所示。

图四：温度采集电路图

第五节温度显示电路的设计

显示器常用作单片机最简单的输出设备，用以显示单片机的运行结果和运行状态等。常用的显示器主要有LED和LCD，它们都具有耗电少、成本低、线路简单、寿命长等优点，广泛应用于单片机显示数字量的场合。设计中采用LCD显示器。液晶显示器（LCD）具有功耗低、体积小、质量轻、功耗小的特点。点阵字符型液晶显示器把LCD控制器、点阵驱动器、字符存储器集成在一块印刷电路板上，构成便于应用的液晶模块。此类液晶模块不仅可以显示数字、字符，还可以显示各种图形符号以及少量自定义符号，并且可以实现屏幕的上下左右滚动、文字的闪烁等功能，人机界面友好，使用操作也更加灵活、方便，使其日益成为各种仪器仪表等设备的首选。图五为本设计的显示电路图。

图五：显示电路图

第六节应用软件介绍

本设计主要用Proteus仿真软件和Keil编译软件。

本设计主要用Proteus仿真软件和Keil编译软件 4.1.1 Proteus的介绍 

Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件，它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具，虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换发到PCB设计，真正实现了从 概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086HE MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。

系统测试情况

进入测试，开关不闭合，系统默认显示1602LCD显示当前采集的温度，当温度变化时，系统实时采集DS18B20的温度并显示出来，当采集的温度超过系统所设置的上限或者下限的时候，系统自动报警，开关闭合，显示报警温度的上限值和下限值。综合仿真图如图六所示：

系统的优点与不足

优点：软件可以实时检测温度值，并显示，当温度超出预设范围时及时报警，并且还可以检测并显示零下温度。

缺点：只是做到了仿真程序，没有具体的硬件实现，系统运行时预设温度不能改动。

附录代码

#include

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit DQ=P3^3;//DS18B20数据线

sbit BEEP=P3^7;//报警器

sbit LCD_RS=P2^0;

sbit LCD_RW=P2^1;

sbit LCD_EN=P2^2;

sbit K1=P1^7;

uchar code Temp_Disp_Title[]={' Current Temp : '};

uchar Current_Temp_Display_Buffer[]={'TEMP:            '};

uchar code Alarm_Temp[]={'ALARM TEMP Hi Lo'};

uchar Alarm_HI_LO_STR[]={'Hi:     Lo:      '};

uchar code df_Table[]={0,1,1,2,3,3,4,4,5,6,6,7,8,8,9,9};//温度小数位对照表

char Alarm_Temp_HL[2]={100,0};

uchar CurrentT=0;//当前读取的温度整数部分

uchar Temp_Value[]={0x00,0x00};//从DS18B20读取的温度值

uchar Display_Digit[]={0,0,0,0};//待显示的各温度数位

bit HI_Alarm=0,LO_Alarm=0;//高温低温报警标志

bit DS18B20_IS_OK=1;//传感器正常标志

uint Time0_Count=0;//定时器延时累加

//延时

void DelayMS(uint x){

uchar i;

while(x--)for(i=0;i<120;i++);

}

//读LCD状态

uchar Read_LCD_State(){

uchar state;

LCD_RS=0;LCD_RW=1;LCD_EN=1;DelayMS(1);state=P0;LCD_EN=0;DelayMS(1);

return state;

}

//忙等待

void LCD_Busy_Wait(){

while((Read_LCD_State()&0x80)==0x80);

DelayMS(5);

}

//写LCD指令

void Write_LCD_Command(uchar cmd){

LCD_Busy_Wait();

LCD_RS=0;LCD_RW=0;LCD_EN=0;P0=cmd;LCD_EN=1;DelayMS(1);LCD_EN=0;

}

//向LCD写数据

void Write_LCD_Data(uchar dat){

LCD_Busy_Wait();

LCD_RS=1;LCD_RW=0;LCD_EN=0;P0=dat;LCD_EN=1;DelayMS(1);LCD_EN=0;

} 

//延时

void DelayXus(int x){

uchar i;

while(x--)for(i=0;i<200;i++);

}

//延时

void Delay(uint num){

while(--num);

}

//初始化DS18B20

uchar Init_DS18B20(){

uchar status;

DQ=1;Delay(8);

DQ=0;Delay(90);

DQ=1;Delay(8);

status=DQ;

Delay(100);

DQ=1;

return status;//初始化成功返回0

}

//读一字节

uchar ReadOneByte(){

uchar i,dat=0;

DQ=1;_nop_();

for(i=0;i<8;i++){

DQ=0;dat>>=1;DQ=1;_nop_();_nop_();

if(DQ)dat|=0x80;Delay(30);DQ=1;

}

return dat;

}

//写一个字节

void WriteOneByte(uchar dat){

uchar i;

for(i=0;i<8;i++){

DQ=0;DQ=dat&0x01;Delay(5);DQ=1;dat>>=1;

}

}

//读取温度值

void Read_Temperature(){

if(Init_DS18B20()==1)//DS18B20故障

DS18B20_IS_OK=0;

else{

WriteOneByte(0xcc);//跳过序列号

WriteOneByte(0x44);//启动温度转换

Init_DS18B20();

WriteOneByte(0xcc);//跳过序列号

WriteOneByte(0xbe);//读取温度寄存器

Temp_Value[0]=ReadOneByte();//读取低8位

Temp_Value[1]=ReadOneByte();//温度高8位

Alarm_Temp_HL[0]=ReadOneByte();//报警TH

Alarm_Temp_HL[1]=ReadOneByte();//报警TL

DS18B20_IS_OK=1;

}

}

//设置DS18B20温度报警值

void Set_Alarm_Temp_Value(){

Init_DS18B20();

WriteOneByte(0xcc);//跳过序列号

WriteOneByte(0x4e);//将设定的温度报警值写入DS18B20

WriteOneByte(Alarm_Temp_HL[0]);//写TH

WriteOneByte(Alarm_Temp_HL[1]);//写TL

WriteOneByte(0x7f);//12位精度

Init_DS18B20();

WriteOneByte(0xcc);//跳过序列号

WriteOneByte(0x48);//将设定的温度报警值写入DS18B20

}

//设置液晶显示位置

void Set_LCD_POS(uchar p){

Write_LCD_Command(p|0x80);

} 

//在LCD上显示当前温度

void Display_Temperature(){

uchar i;

uchar t=150;//延时值

uchar ng=0;//负数标志

char Signed_Current_Temp;//如果为负数则取反加1，并设置负数标识

if((Temp_Value[1]&0xf8)==0xf8){

Temp_Value[1]=~Temp_Value[1];

Temp_Value[0]=~Temp_Value[0]+1;

if(Temp_Value[0]==0x00)Temp_Value[1]++;

ng=1;//设负数标识

}

//查表得到温度小数部分

Display_Digit[0]=df_Table[Temp_Value[0]&0x0f];

//获取温度整数部分（无符号）

CurrentT=((Temp_Value[0]&0xf0)>>4)|((Temp_Value[1]&0x07)<<4);

//有符号的当前温度值，注意此处定义为char，其值可为-128~+127

Signed_Current_Temp=ng?-CurrentT:CurrentT;

//高低温报警标志设置（与定义为char类型的Alarm_Temp_HL比较，这样可区分正负比较）

HI_Alarm=Signed_Current_Temp>=Alarm_Temp_HL[0]?1:0;

LO_Alarm=Signed_Current_Temp<=Alarm_Temp_HL[1]?1:0;

//将整数部分分解为三位待显示数字

Display_Digit[3]=CurrentT/100;

Display_Digit[2]=CurrentT%100/10;

Display_Digit[1]=CurrentT%10;

//刷新LCD显示缓冲

Current_Temp_Display_Buffer[11]=Display_Digit[0]+'0';

Current_Temp_Display_Buffer[10]='.';

Current_Temp_Display_Buffer[9]=Display_Digit[1]+'0';

Current_Temp_Display_Buffer[8]=Display_Digit[2]+'0';

Current_Temp_Display_Buffer[7]=Display_Digit[3]+'0'; 

//高位为0时不显示

if(Display_Digit[3]==0)Current_Temp_Display_Buffer[7]=' ';

//高位为0且次高位为0时，次高位不显示

if(Display_Digit[2]==0&&Display_Digit[3]==0)

Current_Temp_Display_Buffer[8]=' ';

//负数符号显示在恰当位置

if(ng)

{

if(Current_Temp_Display_Buffer[8]==' ')

Current_Temp_Display_Buffer[8]='-';

else if(Current_Temp_Display_Buffer[7]==' ')

Current_Temp_Display_Buffer[7]='-';

else Current_Temp_Display_Buffer[6]='-';

}

//在第一行显示标题

Set_LCD_POS(0x00);

for(i=0;i<16;i++)Write_LCD_Data(Temp_Disp_Title[i]);

//在第二行显示当前温度

Set_LCD_POS(0x40);

for(i=0;i<16;i++)Write_LCD_Data(Current_Temp_Display_Buffer[i]);

//显示温度符号

Set_LCD_POS(0x4d);Write_LCD_Data(0x00);

Set_LCD_POS(0x4e);Write_LCD_Data('C');

}

//定时器中断，控制警报声音

void T0_INT()interrupt 1{

TH0=-1000/256;

TL0=-1000%256;

BEEP=!BEEP;

if(++Time0_Count==400){

Time0_Count=0;

TR0=0;

}

}

//显示报警温度

void Disp_Alarm_Temperature(){

uchar i,ng;

//显示Alarm_Temp_HL数组中的报警温度值

//由于Alarm_Temp_HL类型为char，故可以直接进行正负比较

//高温报警值

ng=0;

if(Alarm_Temp_HL[0]<0)//如果为负数则取反加1

{

Alarm_Temp_HL[0]=~Alarm_Temp_HL[0]+1;

ng=1;

}

//分解高温各数位到待显示串中

Alarm_HI_LO_STR[4]=Alarm_Temp_HL[0]/100+'0';

Alarm_HI_LO_STR[5]=Alarm_Temp_HL[0]/10%10+'0';

Alarm_HI_LO_STR[6]=Alarm_Temp_HL[0]%10+'0';

//屏蔽高位不显示

if(Alarm_HI_LO_STR[4]=='0')Alarm_HI_LO_STR[4]=' ';

if(Alarm_HI_LO_STR[4]==' '&&Alarm_HI_LO_STR[5]=='0')

Alarm_HI_LO_STR[5]=' ';

//'-'符号显示

if(ng){

if(Alarm_HI_LO_STR[5]==' ')Alarm_HI_LO_STR[5]='-';

else if(Alarm_HI_LO_STR[4]==' ')Alarm_HI_LO_STR[4]='-';

else Alarm_HI_LO_STR[3]='-';

}

//低温报警值

ng=0;

if(Alarm_Temp_HL[1]<0)//如果为负数则取反加1

{

Alarm_Temp_HL[1]=~Alarm_Temp_HL[1]+1;

ng=1;

}

//分解高温各数位到待显示串中

Alarm_HI_LO_STR[12]=Alarm_Temp_HL[1]/100+'0';

Alarm_HI_LO_STR[13]=Alarm_Temp_HL[1]/10%10+'0';

Alarm_HI_LO_STR[14]=Alarm_Temp_HL[1]%10+'0';

//屏蔽高位不显示

if(Alarm_HI_LO_STR[12]=='0')Alarm_HI_LO_STR[12]=' ';

if(Alarm_HI_LO_STR[12]==' '&&Alarm_HI_LO_STR[13]=='0')

Alarm_HI_LO_STR[13]=' ';

//'-'符号显示

if(ng){

if(Alarm_HI_LO_STR[13]==' ')Alarm_HI_LO_STR[13]='-';

else if(Alarm_HI_LO_STR[12]==' ')Alarm_HI_LO_STR[12]='-';

else Alarm_HI_LO_STR[11]='-';

}

//显示高低温报警温度值

Set_LCD_POS(0x00);//显示标题

for(i=0;i<16;i++)Write_LCD_Data(Alarm_Temp[i]);

Set_LCD_POS(0x40);//显示高低温

for(i=0;i<16;i++)Write_LCD_Data(Alarm_HI_LO_STR[i]);

} 

void LCD_Initialise(){

Write_LCD_Command(0x38);DelayXus(5);

Write_LCD_Command(0x01);DelayXus(5);

Write_LCD_Command(0x06);DelayXus(5);

Write_LCD_Command(0x0c);DelayXus(5);

}

void main(){

LCD_Initialise();

IE=0x82;

TMOD=0x01;

TH0=-1000/256;

TL0=-1000%256;

TR0=0;

K1=1;

Set_Alarm_Temp_Value();

Read_Temperature();

Delay(50000);

Delay(50000);

while(1){

if(K1==0)

{

//显示报警温度上下限

Read_Temperature();

Disp_Alarm_Temperature();

DelayXus(100);

}else

{

//正常显示当前温度，越界时报警

Read_Temperature();

if(DS18B20_IS_OK){

if(HI_Alarm==1||LO_Alarm==1)TR0=1;

else TR0=0;

Display_Temperature();

}

DelayXus(100);

}

}

}