基于單片機的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)

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1、第2章 基于單片機的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng) 本章導讀 物聯(lián)網(wǎng)是在計算機與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎上，利用RFID、無線通信、嵌入式等技術(shù)，構(gòu)造一個覆蓋世界上萬事萬物的“Internet of Things”。一切物品通過互聯(lián)網(wǎng)進行信息交換和通訊，實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。溫度是物聯(lián)網(wǎng)家居系統(tǒng)中一個十分重要的物理量，對它的測量與控制有十分重要的意義，本文介紹一種基于單片機與溫度傳感器的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)，其中包括系統(tǒng)的方案設計、硬件系統(tǒng)原理與制作、軟件的設計以及系統(tǒng)的調(diào)試等。 2.1 設計任務書 設計任務書中包含了設計的目的、意義、設計的時間安排等，只有了解了這些信息，才能有目的、有計劃地完成系統(tǒng)

2、設計。v2.1.1 設計的目的與意義 設計的目的：利用單片機與溫度傳感器完成一款實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設計，系統(tǒng)應能夠?qū)崟r檢測、顯示當前環(huán)境的溫度信息，并具備報警等功能。 設計的意義：物聯(lián)網(wǎng)就是給物體安裝各類傳感器，然后通過RFID、全球定位系統(tǒng)、紅外感應器等傳輸設備進行信息交換。1999年，美國召開的移動計算和網(wǎng)絡國際會議提出“傳感器網(wǎng)絡是下一個世紀人類面臨的又一個發(fā)展機遇”；2003年，美國技術(shù)評論提出傳感器網(wǎng)絡技術(shù)將是未來改變?nèi)藗兩畹氖蠹夹g(shù)之首。溫度是物聯(lián)網(wǎng)中十分重要的參數(shù)，所以對溫度的測量有十分重要的意義。隨著信息技術(shù)與微電子 技術(shù)的發(fā)展，溫度的監(jiān)控已經(jīng)實現(xiàn)了自動化、智能化。 2.1

3、設計任務書v2.1.2 設計的要求1. 完成系統(tǒng)的設計方案，并論證其可行性。2. 完成系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的設計與制作。3. 完成系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的設計。4. 完成技術(shù)方案報告并撰寫論文 v2.1.3 設計及論文的時間安排第一部分 閱讀相關(guān)資料（2周）。第二部分 設計系統(tǒng)的總體方案（3周）。第三部分 設計硬件系統(tǒng)（3周）。第四部分 編制系統(tǒng)的軟件程序（3周）。 第五部分 系統(tǒng)模塊調(diào)試以及系統(tǒng)總體聯(lián)調(diào)（2周）。第六部分 完成論文寫作準備答辯（3周）。 2.1 設計任務書v2.1.4 摘要 嵌入式技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)極大地推動了溫度監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，也為溫度監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了多種方法，本文利用單片機技

4、術(shù)和傳感器技術(shù)設計了一種實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)。 系統(tǒng)的主控制器是ATMEL公司的AT89S52，傳感器是使用較為廣泛的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它具備獨特的單線接口方式，與微處理器連接時僅需要一條線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。 本文對系統(tǒng)的總體設計方案與論證、硬件系統(tǒng)的設計、軟件系統(tǒng)的設計等做出了詳盡的說明。 關(guān)鍵詞：AT89S52、DS18B20、溫度監(jiān)控、單線接口 2.2 引言v2.2.1 研究背景 2009年8月，溫家寶總理在訪問中科院無錫高新微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心時提出“在激烈的國際競爭中，迅速建立中國的傳感信息中心或感知中國中心”，11月3日，在讓科技引領(lǐng)中國可持

5、續(xù)發(fā)展的講話中，溫總理再次提出“要著力突破傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，及早部署后IP時代相關(guān)技術(shù)研發(fā)，使信息網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)成為推動產(chǎn)業(yè)升級、邁向信息社會的發(fā)動機”。 溫度傳感器在整個物聯(lián)網(wǎng)中是重要的節(jié)點，廣泛應用于智能樓宇、大棚、倉庫、農(nóng)田監(jiān)測等領(lǐng)域。DS18B20數(shù)字溫度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的最新可組網(wǎng)、單線數(shù)字式溫度傳感器，十分適合在智能監(jiān)控領(lǐng)域使用。 本課題來源于工程實踐，應用性較強，下面將介紹本課題的研究背景、本論文的各部分內(nèi)容安排等。 2.2 引言v2.2.2 本文研究的主要內(nèi)容 本課題利用單片機AT89S52、數(shù)字溫度傳感器DS18B20、液晶顯示屏、蜂鳴器、EEPROM等設計了一個

6、具有實現(xiàn)檢測、實時顯示的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，主要工作有：l完成系統(tǒng)的總體設計方案。l了解單片機、傳感器的工作原理與特性，完成硬件系統(tǒng)的設計。l完成軟件系統(tǒng)的設計。l調(diào)試運行，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和程序的可靠性。l撰寫論文和技術(shù)報告。 2.3 系統(tǒng)總體方案的設計與論證 系統(tǒng)方案決定了整個系統(tǒng)的可實現(xiàn)性和性能。為了可以高指標地完成系統(tǒng)設計，就必須要對系統(tǒng)的各個設計方案進行權(quán)衡與綜合，既要考慮到滿足設計要求，又要考慮到系統(tǒng)的可行性和易行性。所以系統(tǒng)方案的論證顯得尤為重要。本節(jié)首先介紹本系統(tǒng)總體方案的設計，然后詳細說明硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的設計方案。 v 2.3.1 系統(tǒng)總體方案設計 基于單片機和溫度傳感器的實時

7、溫度監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案如下圖所示，該系統(tǒng)由單片機、數(shù)字溫度傳感器DS18B20、EEPROM 24C02、蜂鳴器等組成，當傳感器監(jiān)測到溫度信息后傳輸給微控制器，微控制器對接收到的數(shù)據(jù)進行處理，將數(shù)據(jù)實時顯示到液晶顯示屏上，系統(tǒng)設置了兩個閾值，一旦現(xiàn)場溫度超出了或者低于閾值，系統(tǒng)通過蜂鳴器進行報警。系統(tǒng)還具備電子密碼鎖的功能，防止非工作人員誤操作了系統(tǒng)。 如下圖中，傳感器模塊與微控制器模塊是系統(tǒng)的核心部分，各模塊在單片機的控制下完成指定功能。 2.3 系統(tǒng)總體方案的設計與論證v2.3.2 系統(tǒng)方案的論證 系統(tǒng)由單片機、傳感器、EEPROM、液晶顯示屏等組成。 2.4 系統(tǒng)硬件各模塊設計 硬件包括

8、電源模塊、微控制器模塊、液晶顯示模塊、EEPROM模塊、溫度采集模塊、鍵盤輸入電路等組成。 v2.4.1 系統(tǒng)電源 單片機AT89S52的供電電壓為4.0V到5.5V，溫度傳感器的供電電壓為3V到5V，CAT24C02供電電壓為1.8V到6V，所以系統(tǒng)選用5V電壓供電，可以讓所有芯片正常工作。室內(nèi)場合可以直接用5V的電源適配器，室外場合可用太陽能供電板。 v2.4.2 單片機AT89S52電路 單片機是系統(tǒng)的控制核心，因此單片機模塊的設計也是硬件設計的核心部分，這部分設計的成功與否決定了整個系統(tǒng)能否正常工作。 2.4 系統(tǒng)硬件各模塊設計v2.4.3 溫度采集電路 1. DS18B20的結(jié)構(gòu)框圖

9、 DS18B20的結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示，從圖中可以看出，DS18B20的三個主要數(shù)字部件是：64位激光ROM、溫度傳感器、非易失性溫度報警觸發(fā)器TH、TL。 器件既可以用外部電壓供電，也可以從通訊線上獲得能量，過程為：在信號線處于高電平器件把能量存儲在內(nèi)部電容里，信號線處于低電平器件消耗電容上的電容。 2.4 系統(tǒng)硬件各模塊設計v 2.4.3 溫度采集電路2. DS18B20的測量原理 DS18B20通過偏上測量技術(shù)實現(xiàn)溫度的測量，溫度測量電路如下圖所示。 2.4 系統(tǒng)硬件各模塊設計v2.4.3 溫度采集電路3. 提高溫度值分辨率 控制器從DS18B20中讀取溫度值，將0.5位（LSB）從讀取的

10、值中截去，這個值稱為TEMP_READ，然后讀取計數(shù)器中剩余的值，這個值是門周期結(jié)束后保留下來的值，稱為COUNT_REMAIN，每一度的計數(shù)值稱為COUNT_PER_C，實際溫度值可以用以下公式計算，即：4. 溫度采集電路的設計 DS18B20采用的是單總線結(jié)構(gòu)，硬件電路十分簡單，如下圖所示，一腳接地，二腳為數(shù)據(jù)線，三腳為可選電源線。這里沒有采用寄生電源，用的是電源供電，將數(shù)據(jù)線通過4.7K電阻上拉。 2.4 系統(tǒng)硬件各模塊設計 2.4 系統(tǒng)硬件各模塊設計v2.4.4 EEPROM存儲電路 EEPROM選擇了CAT24WC02，這是一款2K位串行CMOS EEPROM，通過IIC總線接口進行

11、操作，有一個專門的寫保護功能，其管腳配置圖如下圖所示。 2.4 系統(tǒng)硬件各模塊設計 A0，A1，A2為器件地址線，用于多個器件級聯(lián)時設置器件地址，當這些腳懸空時默認值為0（24WC01除外）。WP為寫保護引腳，如果WP連接到Vcc，所有內(nèi)容都被寫保護，即只能讀取，當WP管腳連接到Vss或者懸空時，允許器件進行正常的讀/寫操作。SCL，SDA為IIC總線接口。芯片管腳描述如下表所示，連接圖如下圖所示。 管腳名稱功能A0，A1，A2器件地址選擇SDA串行數(shù)據(jù)、地址傳輸線SCL串行時鐘WP寫保護 Vcc 1.8V6V工作電壓Vss地 2.4 系統(tǒng)硬件各模塊設計v2.4.5 鍵盤輸入電路 在一個需要人

12、機交互的電子系統(tǒng)中，鍵盤是必不可少的輸入裝置。鍵 盤是有許多按鍵開關(guān)組成的，一旦按鍵按下，單片機I/O口的電平會發(fā)生變化，單片機通過判斷I/O口電平的變化來識別按鍵。在單片機的接口應用中，鍵盤接口一般分為兩種：一種是獨立式鍵盤，一種是矩陣式鍵盤。 2.4 系統(tǒng)硬件各模塊設計 獨立式鍵盤的每一個按鍵都有一個信號線與單片機相連，每一個鍵互不影響，這種鍵盤的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，但是缺點也是顯而易見的，那就是占用資源過多，按鍵數(shù)目越多，占用的I/O口就越多，所以如果系統(tǒng)需要的按鍵比較多時，一般采用矩陣式鍵盤。 矩陣式鍵盤的按鍵連接在行、列線構(gòu)成的矩陣電路的交叉處，每當有按鍵按下時通過該鍵將相應的

13、行、列線連通，如下圖所示。獲取鍵值的過程為：CPU先將某一個行線為低，其余行線為高，比如這里先將P1.4置為0，然后CPU讀取列線的值，如果P1.1為0，說明P1.1與P1.4相連了，那么可以確定“1”號鍵被按下了，以此類推。 2.4 系統(tǒng)硬件各模塊設計v2.4.6 蜂鳴器電路 在單片機的應用系統(tǒng)中，蜂鳴器是常用的設備，蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。 壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成，多諧振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成。當接通電源后，多諧振蕩器起振，輸出1.52.5kHZ的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(fā)聲。 電磁式蜂鳴器由振蕩器、

14、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)聲。 2.4 系統(tǒng)硬件各模塊設計v2.4.7 液晶顯示電路 液晶顯示部分采用162液晶顯示模組，它是專門用于顯示字母、數(shù)字、符號的液晶顯示模塊，它的顯示特性為：l 5V電壓供電，低功耗、高可靠。l內(nèi)置160個57點陣字符和32個510點陣字符。l 64字節(jié)的自定義字符RAM，可自定義8個58點陣字符或4個511點陣字符。l顯示方式：STN、半透、正顯。l驅(qū)動方式：1/16 DUTY，1/5 BIAS。l視角方向：6點。l背光方式：底部L

15、ED。l通訊方式：4位或8位并口。l適配MC51和M6800系列MPU的操作時序。 2.5 系統(tǒng)軟件各模塊設計 軟件系統(tǒng)由主程序、實時溫度采集程序、液晶顯示程序、電子密碼鎖程序、蜂鳴器報警程序、EEPROM存儲與讀寫程序、鍵盤掃描程序等組成。2.5.1 實時溫度采集程序初始化DS18202. 讀一個字節(jié)3. 寫一個字節(jié)4. 讀取64位序列碼5. 讀取溫度 2.5 系統(tǒng)軟件各模塊設計2.5.2 EEPROM存儲與讀寫程序 EEPROM選用的是使用較為廣泛的CAT24C02，該芯片基于IIC總線協(xié)議。 IIC總線的協(xié)議定義：只有在總線空閑時才允許啟動數(shù)據(jù)傳送；在數(shù)據(jù)傳送過程中，當時鐘線為高電平時，

16、數(shù)據(jù)線必須保持穩(wěn)定狀態(tài)，不允許有跳變，時鐘線為高電平時，數(shù)據(jù)線的任何電平變化將被看作總線的起始或停止信號。 1. 開始與停止2. 24C02向MCU傳輸數(shù)據(jù)3. MCU向24C02傳輸數(shù)據(jù) 2.5 系統(tǒng)軟件各模塊設計v 2.5.3 電子密碼鎖程序 為了系統(tǒng)的安全性，設置了電子密碼鎖，防止非相關(guān)人員的誤操作。電子密碼鎖的程序主要分為密碼驗證與密碼修改兩部分。1. 密碼驗證 2. 密碼修改2.5.4 蜂鳴器報警程序2.5.5 鍵盤掃描程序2.5.6 液晶顯示程序 1. 寫指令數(shù)據(jù)到LCD 2. 寫數(shù)據(jù)到液晶 3. 清屏子程序 2.5 系統(tǒng)軟件各模塊設計v2.5.7 主程序設計主程序的流程圖如圖所示

17、。 2.6 系統(tǒng)調(diào)試方法及性能測試 掌握調(diào)試系統(tǒng)的方法對于設計的效率至關(guān)重要，特別是本系統(tǒng)涉及到的器件種類繁多。程序的模塊較多，本節(jié)介紹在本系統(tǒng)設計過程中的調(diào)試方法，這有助于系統(tǒng)的快速設計。 v2.6.1 系統(tǒng)調(diào)試方法 本系統(tǒng)涉及到的模塊主要有：液晶、EEPROM、DS18B20等。在系統(tǒng)設計時應對各模塊分別進行測試，如測試EEPROM時，將1，2，3，4，5，6分別寫入，然后再讀取，從而判斷EEPROM是否工作正常。DS18B20相關(guān)的操作較多，可分步測試，即讀取64位ROM，將其在液晶屏上顯示，再對照DATASHEET，判斷讀取是否成功。分模塊、分步測試是十分有效的方法。 2.6 系統(tǒng)調(diào)試方法及性能測試v2.6.2 系統(tǒng)性能測試 1. 電子密碼鎖功能測試 2. 溫度監(jiān)控功能測試 2.7 本章小結(jié) 本章介紹了一種基于單片機與DS18B20溫度傳感器的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設計，該接收器使用單片機作為主控制器，涉及到了1602液晶屏、基于IIC總線的EEPROM等器件的使用。在設計過程中包括了器件的選擇、硬件設計、軟件設計和調(diào)試等完整的開發(fā)設計的過程，對讀者很有幫助。