基于单片机的智能温度测量系统设计
摘 要
传统检测温度的方法是用模拟温度传感器。信号经取样、放大后通过模数转换，再交给单片机处理。这种方法经过众多器件，易受干扰、不易控制且精度不高。本文介绍了一种基于单片机的智能温度测量系统，系统主要通过对单总线可编程温度传感器DS18B20的特性及其工作原理进行了分析、研究，显示模块由两位一体的共阳数码管和两个9012组成。并以ATC51单片机为开发平台，通过相应的软、硬件设计开发出具有实用价值的智能温度测量系统。该测温系统能取得并显示8点的温度数据，可直接应用在一些需要测量温度的场合。
本设计的多点温度测量系统由单片机、温度传感器、显示电路、报警电路、通信模块共5个模块组成。本文对以上五个部分的软硬件设计作了详细的阐述，介绍了核心芯片的选型，外围电路的连接，芯片与芯片之间的连接电路，程序设计方法和相应的软件程序。本系统结构简单，抗干扰能力强，适合于恶劣环境下进行现场温度测量，有广泛的应用前景。 关键词 ：单片机，温度传感器，共阳数码管
Abstract
Traditional testing temperature method is to use simulated
temperature sensor. Signal by sampling, amplification, then delivered by frequency-field SCM processing. This method after numerous device, easy interference, not easy to control and the precision is not high. This paper introduces a kind of intelligent temperature measurement based on single-chip microcomputer system, mainly through single bus programmable temperature sensor DS18B20 characteristic and work principle are studied and the display module consists of two one of Yang digital tubes and two 9012 composition. And with ATC51 for development platform, and through the corresponding software and hardware design develop practical intelligent temperature measuring system. The temperature measuring system can obtain and display the 8 o 'clock temperature data, which can be directly applied in some requires measuring temperature occasion. This design of multi-point temperature measuring system by single-chip microcomputer, temperature sensors, display circuit, alarm circuit, communication module totally 5 module. In this paper, the design of the software and hardware above five parts for detail, introduces the core chip periphery, circuit connection, chip and cmos circuit connection between, program design method and the corresponding software programs. This system structure is simple, strong anti-jamming capability, suitable for a harsh environment temperature measurement on the site, have broad application prospect.
Keywords: single-chip microcomputer, temperature sensor, Total Yang
digital tube
第1章 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
温度是一种最基本的环境参数，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。
温度是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。随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高,人们也迫切需要检测与控制温度:如大气及空调房中温度的高低,直接影响着人们的身体健康;在大规模集成电路生产线上,环境温度不适当,会严重影响产品的质量。
测温技术在生产过程中，在产品质量控制和监测，设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用。
那么传统的温度测量装置一般都是通过热电偶、热电阻或PN结测温电路经过相应的信号调理电路，转换成A/D转换器能接受的模拟量，再经过采样、保持电路进行A/D转换，最终送入单片机及其相应的外围电路来完成监控的。以这种方式的话，当单片机进行多点温度测量时，所用模拟温度传感器增多，单片机的转换与处理任务很重，对系统的可靠性要求会很苛刻，是系统变得复杂。因此设计一种基于Atmel公司的ATC51的温度测量系统，利用美国Dallas半导体公司推出的一种智能数字温度传感器DS18B20来实现温度的精确测量，以RT1602C为字符液晶显示器显示被测温度，具有实用价值。具有可靠性高、线路简单、测量精度高、功能便于扩展等优点。
1.2 国内发展现状
我国对于温室控制技术的研究较晚，始于20世纪80年度。我国工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机控制技术，该技术仅限于温度、湿度和CO2浓度等单项环境因子的控制。我国温室设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。我国温室现状还远温室装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。 1.3国外发展状况
国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现状世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着全自动化、无人化的方向发展。像园艺强国荷兰，以先进的鲜花技术著称于世，其玻璃温室全部由计算机操作。英国伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术可以观测50千米以外温室内的光、温、湿、气和水等环境状况，进行遥控。 1.4 系统整体目标
要求单片机系统应具有可靠性高、操作维护方便、性价比高等特点。
1.4.1可靠性
高可靠性是单片机系统应用的前提，在系统设计的每一个环节都应给将可靠性作为首要设计准则。提供系统的可靠性通常通过以下几个方面考虑：使用可靠性高的元器件；设计电路板时布线和接地要合理；对供电电源采用抗干扰措施；输入输出通道采用抗干扰措施；进行软硬件滤波；系统自诊断功能等。 1.4.2 操作维护方便
在系统软硬件设计时，应从操作者角度考虑操作和维护方便，尽量减少对操作人员专用知识的要求，以利于系统的推广。因此在设计时，要尽量减少人机交互接口，多采用操作内置或简化的方法。同时系统应配有现场故障诊断程序，一旦发生故障能有效地保证对故障定位，以便进行维护。 1.4.3 性价比
单片机除体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性价比。一个单片机应用系统能否被广泛使用，性价比是其中一个关键因素。因此，在设计时，除了保持高性能外，尽可能降低成本，如简化外围硬件电路，在系统性能和速度允许的情况下尽可能用软件功能代替硬件功能等。
第2 章 元器件简介
2.1 ATC51单片机
ATC51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。ATC2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的ATC51是一种高效微控制器，ATC2051是它的一种精简版本。ATC单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案
2.2 DS18C20
DSl8B20是美国Dallas半导体公司推出的一种智能数字温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过编程实现9～12位的数字值读数方式；可以分别在93.75ms和750 ms内完成9位和12位的数字量；从DS18B20读出信息或写入DS18B20信息仅需要1根口线(单线接口)；温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。
第3章 系统实现
3.1 方案选择
以单片机为控制核心，采用温度测量，通信技术，误差修正等关键技术，以温度传感器作为测量元件，构成智能温度测量系统。该系统，可分为温度测量电路，数据储存及显示电路，语音报警电路，选用的主要器件有：温度传感器DS18C51,共阳数码管， ATC51单片机等。
3.2温度传感器设计
在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。另外一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案，新型数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。
3.2.1 DS18B20的主要特性
●适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数
据线供电
独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯
（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温
（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内
（5）温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃
（6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温
（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快
（8）测量结果直接输出数字温度信号，以\"一线总线\"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力
（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
二、DS18B20的外形和内部结构
DS18B20内部结构主要由四部分组成：位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形及管脚排列如下图1:
图1： DS18B20外形及引脚排列图
DS18B20引脚定义：
(1)DQ为数字信号输入/输出端； (2)GND为电源地；
(3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
图2： DS18B20内部结构图