基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控系統(tǒng)

china_ 第 2章 基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控系統(tǒng) china_ 本章導(dǎo)讀 物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用 RFID、 無線通信、嵌入式等技術(shù)，構(gòu)造一個(gè)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(jìn)行信 息交換和通訊，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)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(gè)十分重要的物理量，對(duì) 它的測(cè)量與控制有十分重要的意義，本文介紹一種基于單 片機(jī)與溫度傳感器的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控系統(tǒng)，其中包括系統(tǒng)的 方案設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)原理與制作、軟件的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的 調(diào)試等。 china_ 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)書 設(shè)計(jì)任務(wù)書中包含了設(shè)計(jì)的目的、意義、設(shè)計(jì)的時(shí)間安排等，只有 了解了這些信息，才能有目的、有計(jì)劃地完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 2.1.1 設(shè)計(jì)的目的與意義 設(shè)計(jì)的目的：利用單片機(jī)與溫度傳感器完成一款實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)，系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)、顯示當(dāng)前環(huán)境的溫度信息，并具備報(bào)警等 功能。 設(shè)計(jì)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(yīng)器等傳輸設(shè)備進(jìn)行信息交換。 1999年，美國召 開的 移動(dòng)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò) 國際會(huì)議提出“傳感器網(wǎng)絡(luò)是下一個(gè)世紀(jì)人類 面臨的又一個(gè)發(fā)展機(jī)遇”； 2003年，美國 技術(shù)評(píng)論 提出傳感器網(wǎng)絡(luò) 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(duì)溫度的測(cè)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(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化。 china_ 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)書 2.1.2 設(shè)計(jì)的要求 1. 完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并論證其可行性。 2. 完成系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作。 3. 完成系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 4. 完成技術(shù)方案報(bào)告并撰寫論文 2.1.3 設(shè)計(jì)及論文的時(shí)間安排 第一部分 閱讀相關(guān)資料（ 2周）。 第二部分 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體方案（ 3周）。 第三部分 設(shè)計(jì)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(zhǔn)備答辯（ 3周）。 china_ 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)書 2.1.4 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(dòng)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(shí)現(xiàn)提供了多種方法， 本文利用單片機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)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(dú)特的單線 接口方式，與微處理器連接時(shí)僅需要一條線即可實(shí)現(xiàn)微處理 器與 DS18B20的雙向通訊。 本文對(duì)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案與論證、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、軟 件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等做出了詳盡的說明。 關(guān)鍵詞： AT89S52、 DS18B20、溫度監(jiān)控、單線接口 china_ 2.2 引言 2.2.1 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(shí)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(shí)代相關(guān)技術(shù)研發(fā)，使信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)成為推動(dòng) 產(chǎn)業(yè)升級(jí)、邁向信息社會(huì)的發(fā)動(dòng)機(jī)”。 溫度傳感器在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)中是重要的節(jié)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用 于智能樓宇、大棚、倉庫、農(nóng)田監(jiān)測(cè)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(shí)踐 ， 應(yīng)用性較強(qiáng) ， 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 。 china_ 2.2 引言 2.2.2 本文研究的主要內(nèi)容 本課題利用單片機(jī) AT89S52、數(shù)字溫度傳感器 DS18B20、液晶顯示屏、蜂鳴器、 EEPROM等設(shè)計(jì)了一 個(gè)具有實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、實(shí)時(shí)顯示的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，主要工作有： 完成系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。 了解單片機(jī)、傳感器的工作原理與特性，完成硬件系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)。 完成軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 調(diào)試運(yùn)行，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和程序的可靠性。 撰寫論文和技術(shù)報(bào)告。 china_ 2.3 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)與論證 系統(tǒng)方案決定了整個(gè)系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性和性能。為了可以高指標(biāo)地完 成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，就必須要對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行權(quán)衡與綜合，既要考 慮到滿足設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，然后詳細(xì) 說明硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。 2.3.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)和溫度傳感器的實(shí)時(shí)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(jī) 、 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20、 EEPROM 24C02、 蜂鳴器等組成 ， 當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到溫度信息后傳輸給微控制器 ， 微控制器 對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 ， 將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示到液晶顯示屏上 ， 系統(tǒng)設(shè)置 了兩個(gè)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(jìn)行 報(bào)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(jī)的控制下完成指定功能 。 china_ 2.3 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)與論證 微 控 制 器傳 感 器 液 晶 顯 示 屏 電 子 密 碼 鎖 鍵 盤 輸 入 設(shè) 備 2.3.2 系統(tǒng)方案的論證 系統(tǒng)由單片機(jī)、傳感器、 EEPROM、液晶顯示屏等組成。 china_ 2.4 系統(tǒng)硬件各模塊設(shè)計(jì) 硬件包括電源模塊、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。 2.4.1 系統(tǒng)電源 單片機(jī) 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。 2.4.2 單片機(jī) AT89S52電路 單片機(jī)是系統(tǒng)的控制核心 ， 因此單片機(jī)模塊的設(shè)計(jì)也是硬件 設(shè)計(jì)的核心部分 ， 這部分設(shè)計(jì)的成功與否決定了整個(gè)系統(tǒng)能否正 常工作 。 china_ 2.4 系統(tǒng)硬件各模塊設(shè)計(jì) 2.4.3 溫度采集電路 1. DS18B20的結(jié)構(gòu)框圖 DS18B20的結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示，從圖中可以看出， DS18B20的三個(gè)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(bào)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(hào)線處于高電平器件把能量存儲(chǔ)在內(nèi)部電 容里，信號(hào)線處于低電平器件消耗電容上的電容。 china_ 2.4 系統(tǒng)硬件各模塊設(shè)計(jì) 2.4.3 溫度采集電路 2. DS18B20的測(cè)量原理 DS18B20通過偏上測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量，溫度測(cè)量 電路如下圖所示。 china_ 2.4 系統(tǒng)硬件各模塊設(shè)計(jì) 2.4.3 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）從讀取的值中截去，這個(gè)值稱為 TEMP_READ， 然后讀取計(jì)數(shù)器中剩余的值，這個(gè)值是門周期結(jié)束后保留 下來的值，稱為 COUNT_REMAIN，每一度的計(jì)數(shù)值稱為 COUNT_PER_C，實(shí)際溫度值可以用以下公式計(jì)算，即： 4. 溫度采集電路的設(shè)計(jì) 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。 china_ 2.4 系統(tǒng)硬件各模塊設(shè)計(jì) china_ 2.4 系統(tǒng)硬件各模塊設(shè)計(jì) 2.4.4 EEPROM存儲(chǔ)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(jìn)行操作，有一個(gè)專 門的寫保護(hù)功能，其管腳配置圖如下圖所示。 china_ 2.4 系統(tǒng)硬件各模塊設(shè)計(jì) A0， A1， A2為器件地址線 ， 用于多個(gè)器件級(jí)聯(lián)時(shí)設(shè)置器件地址 ， 當(dāng)這 些腳懸空時(shí)默認(rèn)值為 0（ 24WC01除外 ） 。 WP為寫保護(hù)引腳 ， 如果 WP連接 到 Vcc， 所有內(nèi)容都被寫保護(hù) ， 即只能讀取 ， 當(dāng) WP管腳連接到 Vss或者懸空 時(shí) ， 允許器件進(jìn)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(shí)鐘 WP 寫保護(hù) Vcc 1.8V6V工作電壓 Vss 地 china_ 2.4 系統(tǒng)硬件各模塊設(shè)計(jì) 2.4.5 鍵盤輸入電路 在一個(gè)需要人機(jī)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(jī) I/O口的電平會(huì)發(fā)生 變化 ， 單片機(jī)通過判斷 I/O口電平的變化來識(shí)別按鍵 。 在單片機(jī)的接口應(yīng) 用中 ， 鍵盤接口一般分為兩種：一種是獨(dú)立式鍵盤 ， 一種是矩陣式鍵盤 。 china_ 2.4 系統(tǒng)硬件各模塊設(shè)計(jì) 獨(dú)立式鍵盤的每一個(gè)按鍵都有一個(gè)信號(hào)線與單片機(jī)相連，每一個(gè)鍵互不影響，這 種鍵盤的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，但是缺點(diǎn)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(shí)，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(dāng)有按鍵按下時(shí) 通過該鍵將相應(yīng)的行、列線連通，如下圖所示。獲取鍵值的過程為： CPU先將某一個(gè) 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(hào)鍵被按下了，以此類推。 china_ 2.4 系統(tǒng)硬件各模塊設(shè)計(jì) 2.4.6 蜂鳴器電路 在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，蜂鳴器是常用的設(shè)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(dāng)接通電源后，多諧振蕩器起振，輸出 1.52.5kHZ的音頻信號(hào)，阻抗匹配器推動(dòng)壓電蜂鳴片發(fā) 聲。 電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動(dòng)膜片 及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號(hào)電流通 過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動(dòng)膜片在電磁線圈和 磁鐵的相互作用下，周期性地振動(dòng)發(fā)聲。 china_ 2.4 系統(tǒng)硬件各模塊設(shè)計(jì) 2.4.7 液晶顯示電路 液晶顯示部分采用 16 2液晶顯示模組，它是專門用于顯示 字母、數(shù)字、符號(hào)的液晶顯示模塊，它的顯示特性為： 5V電壓供電，低功耗、高可靠。 內(nèi)置 160個(gè) 5 7點(diǎn)陣字符和 32個(gè) 5 10點(diǎn)陣字符。 64字節(jié)的自定義字符 RAM，可自定義 8個(gè) 5 8點(diǎn)陣字符或 4 個(gè) 5 11點(diǎn)陣字符。 顯示方式： STN、半透、正顯。 驅(qū)動(dòng)方式： 1/16 DUTY， 1/5 BIAS。 視角方向： 6點(diǎn)。 背光方式：底部 LED。 通訊方式： 4位或 8位并口。 適配 MC51和 M6800系列 MPU的操作時(shí)序。 china_ 2.5 系統(tǒng)軟件各模塊設(shè)計(jì) 軟件系統(tǒng)由主程序 、 實(shí)時(shí)溫度采集程序 、 液晶顯示程序 、 電子密碼鎖程序 、 蜂鳴器報(bào)警程序 、 EEPROM存儲(chǔ)與讀寫程 序 、 鍵盤掃描程序等組成 。 2.5.1 實(shí)時(shí)溫度采集程序 1.初始化 DS1820 2. 讀一個(gè)字節(jié) 3. 寫一個(gè)字節(jié) 4. 讀取 64位序列碼 5. 讀取溫度 china_ 2.5 系統(tǒng)軟件各模塊設(shè)計(jì) 2.5.2 EEPROM存儲(chǔ)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(shí)才允許啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳送； 在數(shù)據(jù)傳送過程中，當(dāng)時(shí)鐘線為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線必須保持穩(wěn)定 狀態(tài)，不允許有跳變，時(shí)鐘線為高電平時(shí)，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(hào)。 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) china_ 2.5 系統(tǒng)軟件各模塊設(shè)計(jì) 2.5.3 電子密碼鎖程序 為了系統(tǒng)的安全性，設(shè)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(yàn)證與密碼修改兩部分。 1. 密碼驗(yàn)證 2. 密碼修改 2.5.4 蜂鳴器報(bào)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 china_ 2.5 系統(tǒng)軟件各模塊設(shè)計(jì) 2.5.7 主程序設(shè)計(jì) 主程序的流程圖如圖所示 。 開 始 輸 入 密 碼 初 始 化 D S 1 8 B 2 0 是 否 正 確 ？ 初 始 化 成 功 ？ 讀 取 并 顯 示 溫 度 溫 度 是 否 在 閾 值 范 圍 內(nèi) ？ 蜂 鳴 器 報(bào) 警 否 是 是 否 否 是 china_ 2.6 系統(tǒng)調(diào)試方法及性能測(cè)試 掌握調(diào)試系統(tǒng)的方法對(duì)于設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)過程中的調(diào)試方法，這有助于系統(tǒng)的快速設(shè)計(jì)。 2.6.1 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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)各模塊分別進(jìn)行測(cè)試，如 測(cè)試 EEPROM時(shí)，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(cè)試，即讀取 64位 ROM，將其在液晶屏 上顯示，再對(duì)照 DATASHEET，判斷讀取是否成功。分模塊、 分步測(cè)試是十分有效的方法。 china_ 2.6 系統(tǒng)調(diào)試方法及性能測(cè)試 2.6.2 系統(tǒng)性能測(cè)試 1. 電子密碼鎖功能測(cè)試 2. 溫度監(jiān)控功能測(cè)試 2.7 本章小結(jié) 本章介紹了一種基于單片機(jī)與 DS18B20溫度傳感器的實(shí)時(shí) 溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該接收器使用單片機(jī)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(shè)計(jì)過程中包括了器件的選擇、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè) 計(jì)和調(diào)試等完整的開發(fā)設(shè)計(jì)的過程，對(duì)讀者很有幫助。 china_