基于单片机的温度监测系统设计与实现

摘要：本文重点阐述了对单片机温度监测系统的详细设计方法。实现了检测温度、时间，实时显示温度、时间，温限设定及参数存储，过限报警；且参数可调可存储，包括温度上限、温度下限、温度采集周期。以此来体现微型计算机系统在智能化领域中的广泛应用。

关键词：单片机 温度 前后台系统 液晶显示

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）06-0160-02

在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。温度采集应用非常广泛：从家居环境，到交通运输；从农业生产，到工业控制；从陆地设备，到航空航天。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用MCS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。本文以基于单片机的温度监测系统为例进行介绍，希望能收到举一反三和触类旁通的效果。

1 系统功能分析

1.1 基本功能

检测温度、时间；实时显示温度、时间；温限设定及参数存储；过限报警。

1.2 主要技术参数

温度检测范围：-20℃-+99℃；测量精度：≤0.5℃；显示方式：温度：四位显示；时间：YY-MM-DD HH：MM：SS；报警方式：温度过高：红色闪灯；温度过低：绿色闪灯。

1.3 其它要求

参数可调可存储，包括温度上限、温度下限、温度采集周期。

2 系统总体设计

2.1 MCU选型及最小系统

STC89C系列单片机具有高可靠、低成本、低功耗的特点。设计中选用的STC89C58RC型单片机具有最高80M外频；片内32KFlash ROM做为程序存储器；片内1280字节RAM做为数据存储器；拥有片内4个8位I/O接口、3个定时器、1个看门狗、UART接口等资源。

2.2 温度采集模块设计

温度采集模块主要使用DS18B20温度传感器。DS1820 是这样测温的：用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。计数器被预置到对应于-55℃的一个值。如果计数器在门周期结束前到达0，则温度寄存器（同样被预置到-55℃）的值增加，表明所测温度大于-55℃。同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。然后计数器又开始计数直到0，如果门周期仍未结束，将重复这一过程。斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性，以期在测温时获得比较高的分辨力。这是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数的的值来实现的。因此，要想获得所需的分辨力，必须同时知道在给定温度下计数器的值和每一度的计数值。 DS1820内部对此计算的结果可提供0.5℃的分辨力。温度以16bit 带符号位扩展的二进制补码形式读出。数据通过单线接口以串行方式传输。

2.3 实时时钟模块设计

2.4 参数存储模块设计

这里使用非易失EEPROM存储器AT24C64芯片来实现参数的存储功能。它同样采用了IIC总线进行通信。如此将AT24C64与PCF8563做为IIC从机器件共同接入IIC总线，使用两条I/O引脚P2.6和P2.7分别与IIC的SCL和SDA相连。这样既节约了I/O资源，同时也减少了程序设计的工作量。

2.5 报警指示模块设计

3 软件设计

系统中的软件设计采用了前后台系统的思想。利用单片机的中断处理能力，完成前台工作，主要功能是按周期采集温度和中断检测按键输出。后台程序循环处理其它功能，包括界面的显示，时间获取，具体按键码的响应，数据远程传输，参数调整及存储等。

下面，结合总体设计思路，把四个主要模块的软件设计进行简要说明。

3.1 EEPROM存储程序

3.3 温度采集程序

采样周期定时器触发了温度的一次采集。在采集温度过程中主要使用DS18B20的驱动程序进行温度值的获取。函数为：unsigned int ReadTemperature（）；函数的执行过程对DS18B20进行了操作，这些操作包括：温度传感器复位；跳过序列号读取；启动温度转换；等待转换完毕；重新复位温度传感器；跳过序列号读取；启动读取命令；读取温度低有效位；读取温度高有效位；计算温度，返回温度值。

3.4 报警输出程序

报警输出采用I/O控制单色灯闪烁来完成控制。报警的判断在温度监测状态完成，主要工作是将当前采集的温度与参数结构体中的温度上下限进行对比判断，从而决定是否闪灯报警。

4 调试

4.1 IIC总线调试

系统中EEPROM芯片和PCF8563实时时钟芯片均采用IIC总线与单片机通信，在电路设计时采用两条I/O引脚分别与IIC的SCL和SDA相连，在程序设计时首先根据两个器件的特性选定了总线的通信速率范围。

4.2 按键调试

本系统中设计了4个按键。按键的功能在不同界面是复用的，这在程序设计上带来了一定的复杂度。最初按照设计阶段的方案进行编码，程序运行时按键功能并未完全实现，总会出现按键无响应和花屏现象。经过对程序进一步的跟踪，发现了问题出现在按键码处理后未及时清除的错误。更正后问题得到了解决。

4.3 联合调试

当多个模块的驱动程序完成后，系统开发进入了集成阶段。这时也是问题出现最多的一个阶段。每当有新的模块驱动程序加入系统，实现其功能时，就会出现一些符号冲突问题和接口不统一的问题。经过联合整理和优化，问题逐一解决。

4.4 参数设置调试

系统中涉及到了一些参数的设置，如温度上限、下限、采温周期、串口开关。由于现实中这些参数的调整是有一定范围限定和约束的，在代码最终测试阶段完善了这些约束。

5 结语

基于单片机的温度监测是当前工业生产中温度控制的重要组成部分，本系统的设计与实现，可以为进一步开发基于单片机的实用型温度控制系统提供较好的设计基础，具有一定的实际应用价值。

参考文献

[1]高洪志.MCS-51单片机原理及应用技术教程[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[2]赵亮，侯国瑞.单片机C语言编程与实例[M].北京：人民邮电出版社，2003.

[3]1602数据手册.

[4]DS18B20数据手册.

[5]PCF8563数据手册.

[6]AT24C64芯片数据手册.

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