基于at89s51单片机的温度测控与报警电路设计(编辑修改稿)

基于at89s51单片机的温度测控与报警电路设计(编辑修改稿)内容摘要：

件 (2)集成电路温度检测元件 (3)核磁共振温度检测器 (4)热噪声温度检测器 (5)石英晶体温度检测器 (6)光纤温度检测器 (7)激光温度检测器。 目前国内外的温度控制方式越来越趋向于智能化，温度测量首先是由温度传感器来实现的。 测温仪器由温度传感器和信号处理两部分组成。 温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电的或其它形式的信 号 ,传递给信号处理电路进行信号处理转换成温度值显示出来。 温度传感器随着温度变化而引起变化的物理参数有 : 膨胀、电阻、电容、热电动势 ,磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。 随着生产的发展 ,新型温度传感器还会不断出现 ,目前 ,国内外通用的温度传感器及测温仪大致有以下几种 : 热膨胀式温度计、电阻温度计、 热电偶、辐射式测温仪表、石英温度传感器测温仪。 主要研究内容及章节安排 本 文设计 以 AT89S51 单片机为核心的温度控制 和报警电路。 实现温度的智能控制，使负载能够在温度的工作环境下正常工作。 在了解和 研究 温度智能控制的原理后，能够得到温度检测及控制报警电路 相应模块的实现思路， 设计出相应的电路图并能够将电路图仿真，仿真成功后将硬件焊接并测试。 最终实现设计的功能。 重 点研究内容该系统中各核心模块的的详细设计方案，得出结论和分析。 本设计首先在第二章给出系统的总体设计方案，同时介绍在系统设计时各方案的选择过程，比较各个方案的效果，第三章给出硬件设计的电路图及数据。 第四章介绍软件设计。 最后第五章在仿真软件 Proteus 和 Keil 的联合调试下仿真整个电路。 也提出在此过程中的不足及待扩展方面。 成都理工大学 2020 届本科毕业设计（论文） 3 第 2 章 电路的总体设计 系统设计组成 本设计以 AT89S51为核心，控制整个系统。 适合在一定温度条件的环境下，电路中用到了继电器，通过单片机的弱点系统来控制与继电器项链的强电系统，从而保证强点系统控制的安全性。 系统的利用数字温度传感器 DS18B20 采集数据并送给单片机，单片机处理之后将采集的数据送给 LCD1602 显示一边操作人员直观的了解当前温度。 我们给系统正常工作设定为0℃ 50℃ ，如果当前温度在这个温度设定范围内，则单片机控制继电器闭合，使继电器控制的负载回路导通，是系统正常工作；若当前温度不在这个范围内，则说明当前温度不满足工作需求，此时单片机控制蜂鸣器发出警报，并且控制继电器使负载停止工作。 并根据当前温度，若温度小于 0℃ ，则启动加热装置，若温度高于 50℃ ，则启动降温装置，直到达到系统温度，蜂鸣器停止报警，负载回路导通，重新开始工作。 从而达到一个自动控制的作用，整个系统形成一个闭环温度值，系统变化参数为温度的值，负载的工作取决于环境温度的变化，通过单片机弱电控制与继电器相连的强电 系统，从而解决了强电系统直接控制对操作人员有一定危险性的特点。 电路各部分的主要功能、构成和技术方案 电路主要功能组成 电路功能如图 21 所示： 图 21 电路主要功能组成图 成都理工大学 2020 届本科毕业设计（论文） 4 温度采集功能 ：由温度传感器检测当前环境温度，并将温度传给单片机 AT89S51。 温度显示功能：采集到的温度，能够直接显示在 LCD1602上， 于使用者的操作和观测。 温度报警功能：对采集到的温度自动判断并进行声音和光报警，起到提示的作用。 温度控制功能：由两部分组成，分别是加热和降温装置，实现智能全自动操作。 电路原理框图 电路原理如图 22所示： 图 22 电路原理框图 本设计是对温度进行实时监测与控制，设计的温度控制电路实现了基本的温度控制功能：当温度低于设定下限温度时，系统自动启动继电器驱动加热电路加温，使温度上升。 当温度上升到下限温度以上时，停止加温；当温度高于设定上限温度时，系统通过继电器驱动风扇降温，使温度下降。 当温度下降到上限温度以下时，停止降温。 温度在上下限温度之间时，继电器驱动负载工作。 LCD1602 显示采集到的当前温度。 成都理工大学 2020 届本科毕业设计（论文） 5 温度测控与报警电路方案论证 单片机应用系统的硬件电路设计就是为本单片机温控系统选择合适的、最优的系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、 A/D 转换器、设计合适的接口电路等。 系统设计应本着以下原则： (1) 尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。 (2) 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。 软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。 由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用 CPU 时间。 (3) 系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。 系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。 方案一： 测温电路的设计，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行 A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到 A/D转换电路，感温电路比较麻烦，放弃此方案。 方案二： 采用数码管做显示，显示温度数据。 用 74LS164 驱动数码管， DS18B20 采集温度数，24CXX 系列作存储，利用单片机进行连接。 经过反复考虑，系统成功较高，时间反应速度缓慢，数码管和驱动部分占用硬件资源大，能量消耗大，不够理想，放弃此方案。 方案三： 采用 AT89S51 芯片，使用 DALLAS 公司的温度传感器 DS18B20 读取温度，芯片体积小，三个管脚，硬件连接简单，节省 I/O 口。 显示用 LCD1602，减小了系统的能耗。 报警模块用三极管驱动蜂鸣器发出警报。 控制模块通过继电器弱电控制强电。 为了仿真，负载和加热模块接一个 12V的灯泡，通过灯泡的亮灭来观察控制效果，直观又节约资源。 最后通过比较，选择了这个方案。 成都理工大学 2020 届本科毕业设计（论文） 6 第 3 章 温度测控与报警的硬件电路设计 电路硬件电路总体设计概述 温度自动控制系统实际上是对温度参数的采集而根据采集的温度来自动进行控制。 目的是使负载能够工作，通过单片机只能控制而改变温度，使环境温度达到设定范围。 主要应用于一些需要特殊温度需求的地方，比如机房等，通过实时只能监控。 某些可惜实验也需要温度在一定范围内进行，都可以通过本系统来控制。 本设计是一个闭环自动控制系统。 弱电控制强电，单片机控制继电器的开合，再控制负载的工作状态。 避免了使用人员直接接触强点系统导致的危险性。 本设计的硬件部分分为六个模块：单片机系统模块、温度采集模块、温度显示模块、温度报警模块、温度控 制模块、负载模块。 单片机系统模块 单片机简介 单片机也被称为 微控制器 （ Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机，它最早是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。 早期的单片机都是 8 位或 4位的。 其中最成功的是 INTEL 的 8031，因为简单可靠而性能不错 获得了很大的好评。 此后在 8031 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，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成都理工大学 2020 届本科毕业设计（论文） 7 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。 单片机比专用处理器更适合应用于 嵌入式系统 ，因此它得到了最多的应用。 事实上单片机 是世界上数量最多的 计 算机。 现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。 手机、电话、 计算器 、家用电器、电子玩具、 掌上电脑 以及鼠 标等电脑配件中都配有 12 部单片机。 而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。 汽车上一般配备 40 多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台 单片机在同时工作。 单片机的数量不仅远超过 PC 机和其他计算的总和 ，甚至比人类的数量还要多。 单片机又称单片微控制器 ,它不是完成某一个逻辑功能的芯片 ,而是把一个计算机系统集成到一个芯 片上。 相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了 I/O设备。 概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。 它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。 单片机已经渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等 领域都有着十分广泛的用途。 AT89S51 芯片介绍 AT89S51 为 ATMEL 所生产的可电气烧录清洗的 8051 相容单芯片，其内部程序代码容量为 4KB。 AT89S51 主要功能列举如下： 为一般控制应用的 8 位单芯片 晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至 12MHz） 内部程式存储器（ ROM）为 4KB 内部数据存储器（ RAM）为 128B 外部程序存储器可扩充至 64KB 外部数据存储器可扩充至 64KB 32 条双向输入输出线，且每条均可以单独做 I/O 的控制 5 个中断向量源 2 组独立的 16 位定时器 成都理工大学 2020 届本科毕业设计（论文） 8 1 个全多工串行通信端口 1 8751 及 8752 单芯片具有数据保密的功能 1单芯片提供位逻辑运算指令 AT89S51 各引脚功能介绍 ： A T 89S 51 图 31 AT89S51单片机引脚图 VCC： AT89S51 电源正端输入，接 +5V。 VSS：电源地端。 XTAL1： 单芯片系统时钟的反相放大器输入端。 XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一 20PF 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。 RESET： AT89S51 的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间， AT89S51 便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址 0000H 处开始读入程序代码而执行程序。 EA/Vpp： EA为英文 External Access的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平 动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM 中）来执行程序。 因此在 8031 及 8032 中， EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。 如果是使用 8751 内部程序空间时，此引脚要接成高电平。 此外，在将程序代码烧录至 8751 内部 EPROM 时，可以利用此引脚来输入 21V 的烧录高压（ Vpp）。 成都理工大学 2020 届本科毕业设计（论文） 9 ALE/PROG： ALE 是英文 Address Latch Enable的缩写，表示地址锁存器启用信号。 AT89S51 可以利用这支引脚来触发外部的 8位锁存器（如 74LS373），将 端口 0 的地址总线（ A0～ A7）锁进锁存器中，因为 AT89S51 是以多工的方式送出地址及数据。 平时在程序执行时 ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的 1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。 此外在烧录 8751 程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。 PSEN：此为 Program Store Enable的缩写，其意为程序储存启用，当 8051 被设成为读取外部程序代码工作模式时（ EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到 EPROM的 OE脚。 AT89S51可以利用 PSEN及 RD引脚分别启用存在外部的 RAM与 EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用 64K的定址范围。 PORT0（ ～ ）：端口 0 是一个 8 位宽的开路汲极（ Open Drain）双向输出入端口，共有 8个位， 表示位 0， 表示位 1，依此类推。 其他三个 I/O 端口（ P PP3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路， P0 在当做 I/O用时可以推动 8 个 LS的 TTL 负载。 如果当 EA引脚为低电平时（即取用。