基于51单片机的温度监测控制系统仿真程序原理图设计

整体方案设计

3.1.1 系统概述
整个系统以STC89C52单片机为核心器件，配合电阻电容晶振等器件，构成单片机的最小系统。其它个模块围绕着单片机最小系统展开。其中包括，传感器采用DS18B20，负责采集温度数据后发给单片机。显示设备采用4位共阴数码管，显示检测到的温度值。按键模块，主要是进行报警值的设置。报警模块采用蜂鸣器+LED的模式，超出报警范围则进行声光报警，同时还有升温和降温装置工作，使得温度恒定在一个范围之内。

原理图：

仿真图：

最小系统模块
3.2.1 STC89C52简介
（1）概述
STC89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的STC89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
STC89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线。STC89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
（2）主要功能特性
 ◆兼容MCS51指令系统；
 ◆8k可反复擦写(>1000次）Flash ROM；
 ◆32个双向I/O口；
◆256x8bit内部RAM ；
 ◆3个16位可编程定时/计数器中断；
◆时钟频率0-24MHz；
 ◆2个串行中断；
 ◆可编程UART串行通道；
 ◆2个外部中断源；
 ◆共8个中断源；
 ◆2个读写中断口线；
 ◆3级加密位；
 ◆低功耗空闲和掉电模式；
◆软件设置睡眠和唤醒功能；

DS18B20传感器电路
3.3.1 DS18B20简介
（1）概述
DS18B20（图3-4）是美国DALLAS半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化，低功耗，高性能，抗干扰能力强，易配微处理器等优点，可直接将温度转化成数字信号处理器处理。测量的温度范围是-55_{125℃，测温误差0.5℃。可编程分辨率9}12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃。相较热电偶传感器而言可实现高精度测温。

（2）特性
独特的1-Wire总线接口仅需要一个管脚来通信；
每个设备的内部ROM上都烧写了一个独一无二的64位序列号；
多路采集能力使得分布式温度采集应用更加简单；
无需外围元件；
供电范围为3.0V至5.5V；
温度可测量范围为：-55℃至+125℃（-67℉至+257℉）；
温度范围超过-10℃至85℃之外时具有±0.5℃的精度；
内部温度采集精度可以由用户自定义为9-Bits至12-Bits；
温度转换时间在转换精度为12-Bits时达到最大值750ms；
用户自定义非易失性的的温度报警设置；
定义了温度报警搜索命令和当温度超过用户自定义的设定值时；
与DS1822程序兼容。
（3）管脚定义
Pin1：(VDD)，可选的电源引脚；
Pin2：(DQ)，单线运用的数据输入/输出引脚；
Pin3：(VDD)，接地端，电源负极；
（4）应用领域
该产品适用于冷冻库，粮仓，储罐，电讯机房，电力机房，电缆线槽等。
轴瓦，缸体，纺机，空调，等狭小空间工业设备测温和控制。
汽车空调、冰箱、冷柜、以及中低温干燥箱等。
供热/制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制。

数码管显示模块
3.4.1 数码管简介
数码管是一类价格便宜使用简单，通过对其不同的管脚输入相对的电流，使其发亮，从而显示出数字能够显示时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数的器件。在电器特别是家电领域应用极为广泛，如显示屏、空调、热水器、冰箱等等。LED数码管（LED Segment Displays）由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样了。如：显示一个“2”字，那么应当是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。数码管的外形如图3-8所示。

LED数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管（图3-9），发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管（图3-10）。常用LED数码管显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。

3.4.2 数码管驱动方式的分类
LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。
静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8=40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。
动态显示，LED数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。
3.4.3 数码管驱动电路
本设计由于采用了4位数码管，如果采用静态驱动的话，将会占用单片机32个IO口，导致单片机IO口不够用，因此采用数码管的动态驱动方式，电路如下图（图3-11）所示，把数码管的数据口接到单片机的PO口上，位选端则由单片机的P27、P26、P25、P24进行控制。只需12个IO口，就可以控制4位数码管的显示。在程序中需要轮流点亮每位数码管，并且保持一定的点亮时间

蜂鸣器模块
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。当接通电源后多谐振荡器起振，输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。本设计使用的是电磁式蜂鸣器。
此外，蜂鸣器还有有源蜂鸣器与无源蜂鸣器的区别。注意这里的“源”不是指电源，而是指震荡源。也就是说，有源蜂鸣器内部带震荡源，所以只要一通电就会叫；而无源内部不带震荡源，所以如果用直流信号无法令其鸣叫，必须用2K-5K的方波去驱动它。本设计使用的是有源蜂鸣器。
由于蜂鸣器工作时，需要的电流比较大，单片机的IO口输出的电流又比较小，所以这里利用三极管的开关管功能来控制蜂鸣器发音，本设计选用的三极管型号是PNP三极管S8550，而且本设计选用的蜂鸣器属于有源蜂鸣器，即在蜂鸣器内部已经内置了震荡电路，单片机无需连续发出高低电平来驱动它，而只要输出高（或低）电平即可，这大大简化了单片机程序的设计。由于选用的是PNP型而单片机上电IO口默认是高电平的，所以上电时蜂鸣器是不会发出鸣叫的。

继电器电路
继电器是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
按继电器的工作原理或结构特征分类的不同，大致可将继电器分为电磁继电器、固体继电器、温度继电器、舌簧继电器、时间继电器、高频继电器、极化继电器、光继电器、声继电器、热继电器、仪表式继电器、霍尔效应继电器、差动继电器等。
本设计中采用的继电器属于电磁式继电器。电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路。
继电器模块的电路如下图（图3-15）所示。继电器使用的是5V电压触发的。由于继电器由导通到关断瞬间，由于工作线圈有电感的性质，所以会在继电器的线圈的低电压端产生一个瞬间电压尖峰，通常能高达数十倍的线圈额定工作电压。所以这里接入一个二极管在继电器两端，因为二极管的负端通常接到VCC，因此电压尖峰将被抑制。保护了板上的电子元件。当单片机的IO口给PNP三极管一个低电平后后，三极管导通，继电器供电，因此继电器从断开变为闭合，最终将小风扇或加热膜接入5V电压，这样就实现了单片机控制加温或降温的效果。

程序设计


#include <reg52.h>            // 包含头文件
#include <intrins.h>#define uchar unsigned char       // 以后unsigned char就可以用uchar代替
#define uint  unsigned int      // 以后unsigned int 就可以用uint 代替sbit DQ = P1^1;                       // DS18B20传感器的引脚定义
sbit w1 = P2^4;                    // 数码管第1位的控制引脚
sbit w2 = P2^5;                        // 数码管第2位的控制引脚
sbit w3 = P2^6;                        // 数码管第3位的控制引脚
sbit w4 = P2^7;                        // 数码管第4位的控制引脚
sbit Buzzer  = P1^0;           // 蜂鸣器引脚
sbit JdqLow  = P2^0;           // 温度过低继电器控制(加热)
sbit JdqHig  = P2^1;           // 温度过高继电器控制(降温)
sbit LedLow  = P2^2;           // 温度低指示灯
sbit LedHig  = P2^3;           // 温度高指示灯
sbit KeySet  = P3^2;           // 设置按键
sbit KeyDown = P3^3;           // 减按键
sbit KeyUp   = P3^4;           // 加按键/*   数码管的显示值：  0    1    2    3    4    5     6   7    8    9    -   */
uchar code Array1[]={ 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x40 };/*                     0.   1.   2.   3.   4.   5.    6.  7.   8.   9.  */
uchar code Array2[]={ 0xBf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef };uchar Buff[4];                   // 显示缓冲区
uchar ShowID=1;                    // 当前显示的是哪一个数码管int AlarmLow=150;               // 默认报警的温度下限值是15度
int AlarmHig=300;              // 默认报警的温度上限值是30度/*********************************************************/
// 毫秒级的延时函数，time是要延时的毫秒数
/*********************************************************/
void DelayMs(uint time)
{uint i,j;for(i=0;i<time;i++)for(j=0;j<112;j++);
}/*********************************************************/
// 延时15微秒
/*********************************************************/
void Delay15us(void)
{_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
}/*********************************************************/
// 复位DS18B20（初始化）
/*********************************************************/
void DS18B20_ReSet(void)
{uchar i;DQ=0;i=240;while(--i);DQ=1;i=30;while(--i);while(~DQ);i=4;while(--i);
}/*********************************************************/
// 向DS18B20写入一个字节
/*********************************************************/
void DS18B20_WriteByte(uchar dat)
{uchar j;uchar btmp;for(j=0;j<8;j++){btmp=0x01;btmp=btmp<<j;btmp=btmp&dat;if(btmp>0)      // 写1{DQ=0;Delay15us();DQ=1;Delay15us();Delay15us();Delay15us();Delay15us();}else         // 写0{DQ=0;Delay15us();Delay15us();Delay15us();Delay15us();DQ=1;Delay15us();}}
}/*********************************************************/
// 读取温度值
/*********************************************************/
int DS18B20_ReadTemp(void)
{uchar j;int b,temp=0; DS18B20_ReSet();                            // 产生复位脉DS18B20_WriteByte(0xcc);            // 忽略ROM指令DS18B20_WriteByte(0x44);          // 启动温度转换指令DS18B20_ReSet();                         // 产生复位脉DS18B20_WriteByte(0xcc);            // 忽略ROM指令DS18B20_WriteByte(0xbe);          // 读取温度指令for(j=0;j<16;j++)                            // 读取温度数量{                      DQ=0;_nop_();_nop_();DQ=1;    Delay15us();b=DQ;Delay15us();Delay15us();Delay15us();b=b<<j;temp=temp|b;}temp=temp*0.0625*10;                 // 合成温度值并放大10倍                  return (temp);                              // 返回检测到的温度值
}/*********************************************************/
// 定时器初始化
/*********************************************************/
void TimerInit()
{TMOD = 0x01;                  // 使用定时器0，工作方式1   TH0  = 248;                       // 给定时器0的TH0装初值TL0  = 48;                      // 给定时器0的TL0装初值ET0  = 1;                           // 定时器0中断使能EA   = 1;                           // 打开总中断TR0  = 1;                          // 启动定时器0
}/*********************************************************/
// 显示温度值
/*********************************************************/
void ShowTemp(int dat)
{if(dat<0)                                               // 负号{Buff[0]=Array1[10];dat=0-dat;}else                                                      // 百位{Buff[0]=Array1[dat/1000];}Buff[1]=Array1[dat%1000/100];     // 十位Buff[2]=Array2[dat%100/10];           // 个位Buff[3]=Array1[dat%10];                   // 小数后一位
}/*********************************************************/
// 报警判断
/*********************************************************/
void AlarmJudge(int dat)
{if(dat<AlarmLow)                // 判断温度是否过低{LedLow=0;                          // 温度低指示灯亮LedHig=1;                            // 温度高指示灯灭JdqLow=0;                            // 温度过低的继电器闭合(开始加热)JdqHig=1;                           // 温度过高的继电器断开(停止降温)Buzzer=0;                           // 蜂鸣器报警}else if(dat>AlarmHig)       // 判断温度是否过高{LedLow=1;                          // 温度低指示灯灭LedHig=0;                            // 温度高指示灯亮JdqLow=1;                            // 温度过低的继电器断开(停止加热)JdqHig=0;                           // 温度过高的继电器闭合(开始降温)Buzzer=0;                           // 蜂鸣器报警}else                                       // 温度正常{LedLow=1;                          // 温度低指示灯灭LedHig=1;                            // 温度高指示灯灭JdqLow=1;                            // 温度过低的继电器断开(停止加热)JdqHig=1;                           // 温度过高的继电器断开(停止降温)Buzzer=1;                           // 蜂鸣器停止报警}
}/*********************************************************/
// 按键扫描
/*********************************************************/
void KeyScanf()
{if(KeySet==0)                                    // 如果设置按键被按下{/* 设置温度下限 */LedLow=0;                                     // 点亮绿色灯（代表当前正在设置温度下限）LedHig=1;                                      // 熄灭红色灯Buzzer=1;                                      // 关闭蜂鸣器ShowTemp(AlarmLow);                 // 显示温度下限值DelayMs(10);                              // 延时去抖while(!KeySet);                          // 等待按键释放DelayMs(10);                               // 延时去抖while(1){if(KeyDown==0)                                // 如果“减”按键被按下{if(AlarmLow>-550)                      // 判断当前温度下限是否大于-55度{AlarmLow--;                             // 温度下限值减去0.1度ShowTemp(AlarmLow);               // 刷新显示改变后的温度下限值DelayMs(200);                           // 延时}}if(KeyUp==0)                                   // 如果“加”按键被按下                   {if(AlarmLow<1250)                       // 判断当前温度下限是否小于125度{AlarmLow++;                               // 温度下限值加上0.1度ShowTemp(AlarmLow);               // 刷新显示改变后的温度下限值DelayMs(200);                           // 延时}}if(KeySet==0)                                  // 如果“设置”按键被按下{break;                                           // 退出温度下限值的设置，准备进入上限值的设置}}/* 设置温度上限 */LedLow=1;                                     // 熄灭绿色灯LedHig=0;                                      // 点亮红色灯（代表当前正在设置温度上限）ShowTemp(AlarmHig);                 // 显示温度上限值DelayMs(10);                              // 延时去抖while(!KeySet);                          // 等待按键释放DelayMs(10);                               // 延时去抖while(1){if(KeyDown==0)                            // 如果“减”按键被按下                           {if(AlarmHig>-550)                   // 判断当前温度上限是否大于-55度{AlarmHig--;                         // 温度上限值减去0.1度ShowTemp(AlarmHig);           // 刷新显示改变后的温度上限值DelayMs(200);                       // 延时}}if(KeyUp==0)                               // 如果“加”按键被按下                   {if(AlarmHig<1250)                   // 判断当前温度上限是否小于125度{AlarmHig++;                           // 温度上限值加上0.1度ShowTemp(AlarmHig);           // 刷新显示改变后的温度上限值DelayMs(200);}}if(KeySet==0)                              // 如果“设置”按键被按下{break;                                       // 准备退出设置模式}}/* 退出设置模式 */LedLow=1;                                 // 熄灭绿灯LedHig=1;                                   // 熄灭红灯DelayMs(10);                         // 延时去抖while(!KeySet);                      // 等待按键释放DelayMs(10);                           // 延时去抖}
}/*********************************************************/
// 主函数
/*********************************************************/
void main()
{int temp;uchar i;TimerInit();                                      // 定时器0的初始化（数码管的动态扫描）Buff[0]=Array1[0];                          // 刚上电显示4个0Buff[1]=Array1[0];Buff[2]=Array1[0];Buff[3]=Array1[0];for(i=0;i<8;i++)                              // 由于传感器刚上电读出的温度不稳定，因此先进行几次温度的读取并丢弃{DS18B20_ReadTemp();DelayMs(120);}while(1){EA=0;                                                 // 屏蔽中断temp=DS18B20_ReadTemp();            // 读取温度值EA=1;                                                  // 恢复中断ShowTemp(temp);                              // 显示温度值AlarmJudge(temp);                           // 判断是否需要报警for(i=0;i<100;i++)                     // 延时并进行按键扫描{KeyScanf();                    DelayMs(10);                                }}
}/*********************************************************/
// 定时器0服务程序
/*********************************************************/
void Timer0(void) interrupt 1
{TH0  = 248;               // 给定时器0的TH0装初值TL0  = 48;              // 给定时器0的TL0装初值P0=0x00;                    // 先关闭所有显示w1=1;w2=1;w3=1;w4=1;if(ShowID==1)           // 判断是否显示第1位数码管{w1=0;                      // 打开第1位数码管的控制开关P0=Buff[0];            // 第1位数码管显示内容   }if(ShowID==2)            // 判断是否显示第2位数码管{w2=0;                      // 打开第2位数码管的控制开关P0=Buff[1];            // 第2位数码管显示内容   }if(ShowID==3)            // 判断是否显示第3位数码管{w3=0;                      // 打开第3位数码管的控制开关P0=Buff[2];            // 第3位数码管显示内容   }if(ShowID==4)            // 判断是否显示第4位数码管{w4=0;                      // 打开第4位数码管的控制开关P0=Buff[3];            // 第4位数码管显示内容   }   ShowID++;                 // 切换到下一个数码管的显示if(ShowID==5)ShowID=1;
}

附： http://www.jh-tec.cn/archives/7212