基于单片机的数字温度计设计
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摘要：随着国民经济的发展，人们需要对各中加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制。介绍一种基于AT89C51单片机的一种温度测量及报警电路，该电路采用DS18820作为温度监测元件，测量范围0℃～+100℃，使用LED模块显示，能设置温度报警上下限。详细给出了软硬件系统的各部分电路，该电路设计新颖、功能强大、结构简单，在数字、智能化方面有广泛的用途。
关键词：温度测量 DS18820 AT89C51单片机 LM016L液晶模块
近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，传统的温度控制方式，主要缺点是温度波动范围大，不能满足高精度，高速度的控制要求。本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计，具有体积小、可靠性高、抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。
1 系统硬件构成
本次设计主要由单片机、测温模块、显示模块、报警模块、按键模块、复位电路和晶振电路构成。利用单片机控制温度传感器进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限报警温度。该系统扩展性非常强，它可以在设计中加入时钟芯片以获取时间数据，在数据处理同时显示时间，并且可以对某些时间点的温度数据进行存储，利用键盘来进行调时和温度查询，获得的数据可以通过串口与计算机进行串口通信，方便的采集和整理时间温度数据。
2 关键硬件设计
2.1 单片机的选择
单片机AT89C51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。
80C51有40个引脚，4个8位并行I/O口，1个全双工异步串行口，同时内含5个中断源，2个优先级，2个16位定nO/计数器。80C51的存储器系统由4K的程序存储器(掩膜ROM)，和128B的数据存储器(mm)组成。
2.2 温度传感器
DALLAS最新单线数字温度传感器DS18820是一种新型的“一线器件”，其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。温度测量范围为-55～+125摄氏度，可编程为9位～12位转换精度，测温分辨率可达0.0625摄氏度，分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出;其工作电源既可以在远端引入，也可以采用寄生电源方式产生;多个DS18820可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18820通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。
DS18820可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18820的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图2所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18820时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。当DS18820处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。
2.3 LCD液晶显示
显示器是人与机器沟通的重要界面，本文采用LM016L做为显示屏。LM016L液晶模块采用HD44780控制器，HD44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，LM016L与单片机MCU通讯可采用8位或4位并行传输两种方式，HD44780控制器由两个8位寄存器，指令寄存器(IR)和数据寄存器(DR)忙标志(BF)，显示数mm(DDmm)，字符发生器ROMA(cGOROM)字符发生器mm(CGmm)，地址计数器mm(Ac)。IR用于寄存指令码，只能写入不能读出，DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入DDmm和CGmm，或者暂存从DDmm和CGmm读出的数据，BF为1时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，DDTAM用来存储显示的字符，能存储80个字符码，CGROM由8位字符码生成5*7点阵字符160中和5*10点阵字符32种。
如图3所示，用89C51的`P2口作为数据线，用P3.2、P3.1、P3.0分别作为LCD的E、R/W、RS。其中E是下降沿触发的片选信号，R/W是读写信号，RS是寄存器选择信号本模块设计要点如下：显示模块初始化：首先清屏，再设置接口数据位为8位，显示行数为1行，字型为5～7点阵，然后设置为整体显示，取消光标和字体闪烁，最后设置为正向增量方式且不移位。向LCD的显示缓冲区中送字符，程序中采用2个字符数组，一个显示字符，另一个显示电压数据，要显示的字符或数据被送到相应的数组中，完成后再统一显示，首先取一个要显示的字符或数据送到LCD的显示缓冲区，程序延时2.5ms,判断是否够显示的个数，不够则地址加一取下一个要显示的字符或数据。
2.4 串口通讯模块
80C51内部已集成通信接口URT，只需扩展一片MAX232芯片将输出信号转换成RS-232协议规定的电平标准,MAX232是一种双组驱动器，接收器，每个接收器将EIA/TIA-232-E电平输入转换为5V TTL/CMOS电平。・每个驱动器将TTL/CMOS输入电平转换为EIA/TIA-232-E电平。即EIA接口，就是把5V转换为-8V到*15V电位0V转换为8V到15V再经RXD输出，接收时由RXD输入，把-8V到-15V电位转换为5V，8V到15V转换为OV。MAX232的工作电压只需5V，内部有振荡电路产生正负9V电位。
3 软件程序设计
从软件的功能不同可分为两大类：一是监控软件(主程序)，它是整个控制系统的核心，专门用来协调各执行模块和操作者的关系。二是执行软件(子程序)，它是用来完成各种实质性的功能如测量、计算、显示、通讯等。每一个执行软件也就是一个小的功能执行模块。这里将各执行模块一一列出，并为每一个执行模块进行功能定义和接口定义。各执行模块规划好后，就可以规划监控程序了。首先要根据系统的总体功能选择一种最合适的监控程序结构，然后根据实时性的要求，合理地安排监控软件和各执行模块之间地调度关系。主程序流程见图4。