基于单片机的实时温度监控系统

china_ 第 2章 基于单片机的实时温度监控系统 china_ 本章导读 物联网是在计算机与互联网技术的基础上，利用 RFID、 无线通信、嵌入式等技术，构造一个覆盖世界上万事万物 的“ Internet of Things”。一切物品通过互联网进行信 息交换和通讯，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管 理。温度是物联网家居系统中一个十分重要的物理量，对 它的测量与控制有十分重要的意义，本文介绍一种基于单 片机与温度传感器的实时温度监控系统，其中包括系统的 方案设计、硬件系统原理与制作、软件的设计以及系统的 调试等。 china_ 2.1 设计任务书 设计任务书中包含了设计的目的、意义、设计的时间安排等，只有 了解了这些信息，才能有目的、有计划地完成系统设计。 2.1.1 设计的目的与意义 设计的目的：利用单片机与温度传感器完成一款实时温度监控系统的 设计，系统应能够实时检测、显示当前环境的温度信息，并具备报警等 功能。 设计的意义：物联网就是给物体安装各类传感器，然后通过 RFID、 全球定位系统、红外感应器等传输设备进行信息交换。 1999年，美国召 开的 移动计算和网络 国际会议提出“传感器网络是下一个世纪人类 面临的又一个发展机遇”； 2003年，美国 技术评论 提出传感器网络 技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。温度是物联网中十分重要 的参数，所以对温度的测量有十分重要的意义。随着信息技术与微电子 技术的发展，温度的监控已经实现了自动化、智能化。 china_ 2.1 设计任务书 2.1.2 设计的要求 1. 完成系统的设计方案，并论证其可行性。 2. 完成系统硬件系统的设计与制作。 3. 完成系统软件系统的设计。 4. 完成技术方案报告并撰写论文 2.1.3 设计及论文的时间安排 第一部分 阅读相关资料（ 2周）。 第二部分 设计系统的总体方案（ 3周）。 第三部分 设计硬件系统（ 3周）。 第四部分 编制系统的软件程序（ 3周）。 第五部分 系统模块调试以及系统总体联调（ 2周）。 第六部分 完成论文写作准备答辩（ 3周）。 china_ 2.1 设计任务书 2.1.4 摘要 嵌入式技术、微电子技术、传感器技术极大地推动了温度 监控技术的发展，也为温度监控系统的实现提供了多种方法， 本文利用单片机技术和传感器技术设计了一种实时温度监控 系统。 系统的主控制器是 ATMEL公司的 AT89S52，传感器是使 用较为广泛的数字温度传感器 DS18B20，它具备独特的单线 接口方式，与微处理器连接时仅需要一条线即可实现微处理 器与 DS18B20的双向通讯。 本文对系统的总体设计方案与论证、硬件系统的设计、软 件系统的设计等做出了详尽的说明。 关键词： AT89S52、 DS18B20、温度监控、单线接口 china_ 2.2 引言 2.2.1 研究背景 2009年 8月，温家宝总理在访问中科院无锡高新微纳 传感网工程技术研发中心时提出“在激烈的国际竞争中， 迅速建立中国的传感信息中心或感知中国中心”， 11 月 3日，在 让科技引领中国可持续发展 的讲话中，温 总理再次提出“要着力突破传感网、物联网关键技术，及 早部署后 IP时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动 产业升级、迈向信息社会的发动机”。 温度传感器在整个物联网中是重要的节点，广泛应用 于智能楼宇、大棚、仓库、农田监测等领域。 DS18B20 数字温度传感器是 DALLAS公司生产的最新可组网、单线 数字式温度传感器，十分适合在智能监控领域使用。 本课题来源于工程实践 ， 应用性较强 ， 下面将介绍本课 题的研究背景 、 本论文的各部分内容安排等 。 china_ 2.2 引言 2.2.2 本文研究的主要内容 本课题利用单片机 AT89S52、数字温度传感器 DS18B20、液晶显示屏、蜂鸣器、 EEPROM等设计了一 个具有实现检测、实时显示的温度监控系统，主要工作有： 完成系统的总体设计方案。 了解单片机、传感器的工作原理与特性，完成硬件系统的 设计。 完成软件系统的设计。 调试运行，保证系统的稳定性和程序的可靠性。 撰写论文和技术报告。 china_ 2.3 系统总体方案的设计与论证 系统方案决定了整个系统的可实现性和性能。为了可以高指标地完 成系统设计，就必须要对系统的各个设计方案进行权衡与综合，既要考 虑到满足设计要求，又要考虑到系统的可行性和易行性。所以系统方案 的论证显得尤为重要。本节首先介绍本系统总体方案的设计，然后详细 说明硬件系统与软件系统的设计方案。 2.3.1 系统总体方案设计 基于单片机和温度传感器的实时温度监控系统的总体方案如下图所 示 ， 该系统由单片机 、 数字温度传感器 DS18B20、 EEPROM 24C02、 蜂鸣器等组成 ， 当传感器监测到温度信息后传输给微控制器 ， 微控制器 对接收到的数据进行处理 ， 将数据实时显示到液晶显示屏上 ， 系统设置 了两个阈值 ， 一旦现场温度超出了或者低于阈值 ， 系统通过蜂鸣器进行 报警 。 系统还具备电子密码锁的功能 ， 防止非工作人员误操作了系统 。 如下图中 ， 传感器模块与微控制器模块是系统的核心部分 ， 各模块 在单片机的控制下完成指定功能 。 china_ 2.3 系统总体方案的设计与论证 微 控 制 器传 感 器 液 晶 显 示 屏 电 子 密 码 锁 键 盘 输 入 设 备 2.3.2 系统方案的论证 系统由单片机、传感器、 EEPROM、液晶显示屏等组成。 china_ 2.4 系统硬件各模块设计 硬件包括电源模块、微控制器模块、液晶显示模块、 EEPROM模块、温度采集模块、键盘输入电路等组成。 2.4.1 系统电源 单片机 AT89S52的供电电压为 4.0V到 5.5V，温度传感器 的供电电压为 3V到 5V， CAT24C02供电电压为 1.8V到 6V，所 以系统选用 5V电压供电，可以让所有芯片正常工作。室内场合 可以直接用 5V的电源适配器，室外场合可用太阳能供电板。 2.4.2 单片机 AT89S52电路 单片机是系统的控制核心 ， 因此单片机模块的设计也是硬件 设计的核心部分 ， 这部分设计的成功与否决定了整个系统能否正 常工作 。 china_ 2.4 系统硬件各模块设计 2.4.3 温度采集电路 1. DS18B20的结构框图 DS18B20的结构框图如下图所示，从图中可以看出， DS18B20的三个主要数字部件是： 64位激光 ROM、温度 传感器、非易失性温度报警触发器 TH、 TL。 器件既可以用外部电压供电，也可以从通讯线上获得能 量，过程为：在信号线处于高电平器件把能量存储在内部电 容里，信号线处于低电平器件消耗电容上的电容。 china_ 2.4 系统硬件各模块设计 2.4.3 温度采集电路 2. DS18B20的测量原理 DS18B20通过偏上测量技术实现温度的测量，温度测量 电路如下图所示。 china_ 2.4 系统硬件各模块设计 2.4.3 温度采集电路 3. 提高温度值分辨率 控制器从 DS18B20中读取温度值，将 0.5 位 （ LSB）从读取的值中截去，这个值称为 TEMP_READ， 然后读取计数器中剩余的值，这个值是门周期结束后保留 下来的值，称为 COUNT_REMAIN，每一度的计数值称为 COUNT_PER_C，实际温度值可以用以下公式计算，即： 4. 温度采集电路的设计 DS18B20采用的是单总线结构，硬件电路十分简单， 如下图所示，一脚接地，二脚为数据线，三脚为可选电源 线。这里没有采用寄生电源，用的是电源供电，将数据线 通过 4.7K电阻上拉。 china_ 2.4 系统硬件各模块设计 china_ 2.4 系统硬件各模块设计 2.4.4 EEPROM存储电路 EEPROM选择了 CAT24WC02，这是一款 2K位串行 CMOS EEPROM，通过 IIC总线接口进行操作，有一个专 门的写保护功能，其管脚配置图如下图所示。 china_ 2.4 系统硬件各模块设计 A0， A1， A2为器件地址线 ， 用于多个器件级联时设置器件地址 ， 当这 些脚悬空时默认值为 0（ 24WC01除外 ） 。 WP为写保护引脚 ， 如果 WP连接 到 Vcc， 所有内容都被写保护 ， 即只能读取 ， 当 WP管脚连接到 Vss或者悬空 时 ， 允许器件进行正常的读 /写操作 。 SCL， SDA为 IIC总线接口 。 芯片管脚 描述如下表所示 ， 连接图如下图所示 。 管脚名称 功能 A0， A1， A2 器件地址选择 SDA 串行数据、地址传输线 SCL 串行时钟 WP 写保护 Vcc 1.8V6V工作电压 Vss 地 china_ 2.4 系统硬件各模块设计 2.4.5 键盘输入电路 在一个需要人机交互的电子系统中 ， 键盘是必不可少的输入装置 。 键 盘是有许多按键开关组成的 ， 一旦按键按下 ， 单片机 I/O口的电平会发生 变化 ， 单片机通过判断 I/O口电平的变化来识别按键 。 在单片机的接口应 用中 ， 键盘接口一般分为两种：一种是独立式键盘 ， 一种是矩阵式键盘 。 china_ 2.4 系统硬件各模块设计 独立式键盘的每一个按键都有一个信号线与单片机相连，每一个键互不影响，这 种键盘的优点是结构简单，使用方便，但是缺点也是显而易见的，那就是占用资源过 多，按键数目越多，占用的 I/O口就越多，所以如果系统需要的按键比较多时，一般采 用矩阵式键盘。 矩阵式键盘的按键连接在行、列线构成的矩阵电路的交叉处，每当有按键按下时 通过该键将相应的行、列线连通，如下图所示。获取键值的过程为： CPU先将某一个 行线为低，其余行线为高，比如这里先将 P1.4置为 0，然后 CPU读取列线的值，如果 P1.1为 0，说明 P1.1与 P1.4相连了，那么可以确定“ 1”号键被按下了，以此类推。 china_ 2.4 系统硬件各模块设计 2.4.6 蜂鸣器电路 在单片机的应用系统中，蜂鸣器是常用的设备，蜂鸣 器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗 匹配器及共鸣箱、外壳等组成，多谐振荡器由晶体管或集成 电路构成。当接通电源后，多谐振荡器起振，输出 1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发 声。 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片 及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通 过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和 磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。 china_ 2.4 系统硬件各模块设计 2.4.7 液晶显示电路 液晶显示部分采用 16 2液晶显示模组，它是专门用于显示 字母、数字、符号的液晶显示模块，它的显示特性为： 5V电压供电，低功耗、高可靠。 内置 160个 5 7点阵字符和 32个 5 10点阵字符。 64字节的自定义字符 RAM，可自定义 8个 5 8点阵字符或 4 个 5 11点阵字符。 显示方式： STN、半透、正显。 驱动方式： 1/16 DUTY， 1/5 BIAS。 视角方向： 6点。 背光方式：底部 LED。 通讯方式： 4位或 8位并口。 适配 MC51和 M6800系列 MPU的操作时序。 china_ 2.5 系统软件各模块设计 软件系统由主程序 、 实时温度采集程序 、 液晶显示程序 、 电子密码锁程序 、 蜂鸣器报警程序 、 EEPROM存储与读写程 序 、 键盘扫描程序等组成 。 2.5.1 实时温度采集程序 1.初始化 DS1820 2. 读一个字节 3. 写一个字节 4. 读取 64位序列码 5. 读取温度 china_ 2.5 系统软件各模块设计 2.5.2 EEPROM存储与读写程序 EEPROM选用的是使用较为广泛的 CAT24C02，该芯片基 于 IIC总线协议。 IIC总线的协议定义：只有在总线空闲时才允许启动数据传送； 在数据传送过程中，当时钟线为高电平时，数据线必须保持稳定 状态，不允许有跳变，时钟线为高电平时，数据线的任何电平变 化将被看作总线的起始或停止信号。 1. 开始与停止 2. 24C02向 MCU传输数据 3. MCU向 24C02传输数据 china_ 2.5 系统软件各模块设计 2.5.3 电子密码锁程序 为了系统的安全性，设置了电子密码锁，防止非相关人员的误操作。电 子密码锁的程序主要分为密码验证与密码修改两部分。 1. 密码验证 2. 密码修改 2.5.4 蜂鸣器报警程序 2.5.5 键盘扫描程序 2.5.6 液晶显示程序 1. 写指令数据到 LCD 2. 写数据到液晶 3. 清屏子程序 china_ 2.5 系统软件各模块设计 2.5.7 主程序设计 主程序的流程图如图所示 。 开 始 输 入 密 码 初 始 化 D S 1 8 B 2 0 是 否 正 确 ？ 初 始 化 成 功 ？ 读 取 并 显 示 温 度 温 度 是 否 在 阈 值 范 围 内 ？ 蜂 鸣 器 报 警 否 是 是 否 否 是 china_ 2.6 系统调试方法及性能测试 掌握调试系统的方法对于设计的效率至关重要，特别是 本系统涉及到的器件种类繁多。程序的模块较多，本节介绍 在本系统设计过程中的调试方法，这有助于系统的快速设计。 2.6.1 系统调试方法 本系统涉及到的模块主要有：液晶、 EEPROM、 DS18B20等。在系统设计时应对各模块分别进行测试，如 测试 EEPROM时，将 1， 2， 3， 4， 5， 6分别写入，然后再 读取，从而判断 EEPROM是否工作正常。 DS18B20相关的 操作较多，可分步测试，即读取 64位 ROM，将其在液晶屏 上显示，再对照 DATASHEET，判断读取是否成功。分模块、 分步测试是十分有效的方法。 china_ 2.6 系统调试方法及性能测试 2.6.2 系统性能测试 1. 电子密码锁功能测试 2. 温度监控功能测试 2.7 本章小结 本章介绍了一种基于单片机与 DS18B20温度传感器的实时 温度监控系统的设计，该接收器使用单片机作为主控制器， 涉及到了 1602液晶屏、基于 IIC总线的 EEPROM等器件的 使用。在设计过程中包括了器件的选择、硬件设计、软件设 计和调试等完整的开发设计的过程，对读者很有帮助。 china_