单片机技术已经普及到我们的生活、工作、科研、各个领域，并且已经成为一项比较成熟的技术。 本文将设计一种基于单片机控制的温度计。 该温度计是一种多功能温度计，可以使用温度传感器来测量环境温度。 为了监控和显示，可以通过系统键盘修改报警温度上限和下限。 当温度不在设定范围内时，可发出报警。
随着现代工农业技术的发展和人们对生活环境要求的提高，人们也迫切需要检测和控制温度。 本文通过采用蜂鸣器作为电声元件的温度报警器的设计，阐述了该装置设计制造的具体流程和方法。 这种温度报警器结构简单，可操作性强，适用范围广。 如果当前环境温度超过设定的高温临界温度，单片机就会发出报警信号，防止造成不必要的损失。
高温火灾的原因包括：电气线路短路、过载、接触电阻过大等引起高温或火灾； 静电导致高温或火灾； 雷击和其他强电流侵入导致高温或火灾； 最重要的是机房内的电脑、空调等电器设备。 长时间工作导致设备老化、空调故障、无法降温； 因此，机房内的电子产品升温很快，短时间内机房内的温度升高超过设备的正常温度，导致系统瘫痪或火灾。 此时，温度报警系统将发挥应有的作用。
系统设计与理论分析
2.1 设计要求
基本范围-55℃-125℃；
测量温度直接显示在液晶显示屏上；
温度上限可任意设定；
如果测量的温度超过设定范围，蜂鸣器就会发出警报。
2.2 基础系统方案选型与论证
2.2.1 单片机芯片选型方案及论证
由于该微控制器具有以下许多优点，因此我们选择它作为制作本作品的首选芯片。
微控制器特点：
(1)集成度高、体积小、可靠性高
该单片机将各种功能元件集成在一块晶振芯片上，集成度高，体积最小。 芯片本身是根据工业测控环境的要求而设计的。 内部布线很短，其抗工业噪声性能比通用CPU更好。 单片机的程序指令、常量和表格都固化在ROM中，不易损坏。 多路信号通道集中在一颗芯片上，可靠性高。
(2)控制功能强
为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统具备极其丰富的条件：分支转移能力、逻辑运算和I/O口的位处理能力，非常适合专门的控制功能。
(3)低电压、低功耗、易于生产便携式产品
为了满足便携式系统中广泛使用的需要，许多微控制器中的工作电压仅为1.8V～3.6V，工作电流也只有几百微安。
(4)易于扩展
该芯片包含计算机正常运行所需的组件。 芯片外部有许多用于扩展的三总线和并行、串行输入输出引脚，可以方便地组成各种规模的计算机应用系统。
（5）优异的性价比
微控制器的性能极高。 为了提高速度和运行效率，微控制器已经开始使用RISC流水线和DSP等技术。 微控制器的寻址能力也突破了64KB的限制，有的可以达到1MB、16MB。 片上ROM容量可达62MB，RAM容量可达2MB。 由于单片机的广泛使用，销量巨大。 各大公司的商业竞争使得价格非常低，其性价比极高。
选项一：
硬件核心采用ATC89C52芯片。 ATC89C52内部有8KB ROM存储空间、512字节数据存储空间、2K字节EEPROM存储空间。 它与MCS-51系列微控制器完全兼容。 STC89C52可以通过串口下载。
选项二：
使用AT89S51。 AT89S51片内程序存储空间为8K字节，数据存储空间为256字节，无EEPROM存储空间。 它还与MCS-51系列微控制器完全兼容，并具有在线编程和可擦除技术。
这两款微控制器都能完全满足设计需求。 ATC89C51比ATS89C52便宜，抗干扰能力强。 考虑到成本因素，选择ATC89C51。
2.2.2 温度传感器设计方案演示
利用物质各种物理性质随温度变化的规律，将温度转换成电能的传感器。 这些有规律变化的物理性质主要是物理性质。 温度传感器是温度测量仪器的核心部分，种类繁多。 按测量方式可分为接触式和非接触式两大类。 根据传感器材料和电子元件的特性，可分为热电阻和热电偶两大类。
现代信息技术的三大基础是信息采集（即传感器技术）、信息传输（通信技术）和信息处理（计算机技术）。 温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段；
(1)传统分立温度传感器(含敏感元件)；
(2)模拟集成温度传感器/控制器；
(3)智能温度传感器。 世界新型温度传感器正在从模拟向数字化、从集成化向智能化、网络化发展。
20世纪90年代中期推出的第一款智能温度传感器采用8位A/D转换器，测温精度较低，分辨率仅为1°C。 国外相继推出了多种高精度、高分辨率的智能温度传感器，采用9~12位A/D转换器，分辨率一般可达到0.5~0.0625℃。 美国达拉斯半导体公司新开发的DS1624高分辨率智能温度传感器，可输出13位二进制数据，分辨率高达0.03125℃，测温精度为±0.2℃。 为了提高多路智能温度传感器的转换率，有些芯片采用了高速逐次逼近型A/D转换器。 目前，智能温度传感器的总线技术也已经标准化、标准化。 使用的总线主要有单线(1-Wire)总线、I2C总线、SMBus总线和spI总线。 作为从机，温度传感器可以通过专用总线接口与主机进行通信。
选项一：
由于该设计是温度测量电路，因此可以使用热敏电阻等器件来利用其温度传感效应。 采集随被测温度变化的电压或电流，并进行A/D转换后，即可用单片机对数据进行处理。 处理后，测得的温度可显示在显示电路上。 这种设计需要使用A/D转换电路，温度传感电路比较麻烦。
选项二：
再者，考虑到温度传感器的使用，在单片机电路的设计中，大多数都会用到传感器，所以这是很容易想到的。 因此，可以使用温度传感器DS18B20。 该传感器可以方便地直接读取测量的温度值。 转换以满足设计要求。
从以上两种方案来看，都可以完全满足设计需要。 不难看出，如果采用第二种方案，电路比较简单，软件设计也比较简单，所以采用第二种方案。
2.3 电路设计的最终决定
综上所述，本项目选用以上方案：采用STC89C52单片机作为主控系统； 采用DS18B20作为传感器； 采用液晶作为显示装置。
硬件系统设计
3.1 ATC89C51简介
AT89C51是一款低电压、高性能CMOS 8位微处理器，带有4K字节FLASH存储器（FPEROM——Flash Programmable and Erasable Read Only Memory），俗称单片机。
3.1.1 ATC89C51主要功能及PDIP封装
ATC89C51的主要功能如表1所示，其PDIP封装如图1所示
主要特点
兼容MCS51指令系统
8K可重复擦除Flash ROM
32个双向I/O端口
256×8位内部RAM
3 个 16 位可编程定时器/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
共有6个中断源
2条读写中断线
3 级加密位
低功耗空闲和掉电模式
睡眠和唤醒功能的软件设置
表1：STC89C51的主要功能
3.1.2 S
ATC89C51引脚介绍
① 主电源引脚（2针）
VCC（Pin40）：电源输入，接+5V电源
GND(Pin20)：地线
②外部晶振引脚（2个引脚）
XTAL1(Pin19)：片内振荡电路输入端
XTAL2(Pin20)：片内振荡电路输出端
③控制引脚（4）
RST/VPP（引脚9）：复位引脚。 引脚上的高电平持续 2 个机器周期将重置微控制器。
ALE/PROG(Pin30)：地址锁存使能信号
PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号
EA/VPP（引脚31）：程序存储器的内部和外部选通。 当连接到低电平时，从外部程序存储器读取指令。 如果连接到高电平，则从内部程序存储器读取指令。
④可编程输入/输出引脚（32引脚）
ATC89C51微控制器有4组8位可编程I/O端口，即P0、P1、P2和P3端口。 每个端口有 8 位（8 个引脚），总共 32 个。
P0口（Pin39~Pin32）：8位双向I/O端口线，命名为P0.0~P0.7
P1口（Pin1~Pin8）：8位准双向I/O口线，命名为P1.0~P1.7
P2口（Pin21～Pin28）：8位准双向I/O口线，命名为P2.0～P2.7
P3口（Pin10~Pin17）：8位准双向I/O口线，命名为P3.0~P3.7
图1：ATC89C51封装图
3.1.3 最小微控制器系统：
当ATC89C51单片机的RST引脚引入高电平并维持2个机器周期时，单片机内部执行复位操作。 按钮手动复位有两种类型：电平模式和脉冲模式。 电平复位是通过电阻将RST端连接到电源VCC来实现的。 最小系统如图 2 所示。
图2 单片机最小系统电路
该电路采用ATC89C51单片机最小系统作为控制核心，测温电路由DS18B20提供，输入部分采用三个独立的按钮S1、S2、S3。 液晶显示部分。 具体电路连接详见附录1。
3.2 DS18B20传感器简介
3.2.1 DS18B20 概述
在现代检测技术中，传感器占据着不可动摇的重要地位。 主机处理数据的能力已经相当强了，但对于处理现实世界中的模拟量却是无能为力。 如果没有各种准确可靠的传感器来检测非电信号和模拟信号并提供可靠的数据，计算机就无法发挥其应有的作用。 传感器将非电转化为电。 放大后转换为数字量输入计算机。 计算机分析并处理信号。 因此，传感器技术与计算机技术的结合在自动化、信息化中发挥着重要作用。
可以利用各种传感器和微处理技术来测量、控制和检查各种工业参数和工业产品，准确测量产品性能，及时发现隐患。 为提高产品质量、提高产品性能、预防事故的发生提供必要的信息和更可靠的数据。 由于系统的工作环境比较恶劣，测量要求也比较高，因此选择合适的传感器非常重要。 目前，全球新型温度传感器正从模拟向数字、从集成向智能化、网络化快速发展。 智能温度传感器DS18B20正向高精度、多功能、总线标准化、高可靠性和安全性、虚拟传感器和网络传感器的开发、单片测温系统的开发等高科技方向快速发展。 因此，智能温度传感器DS18B20作为一种温度测量装置已广泛应用于人们的日常生活和工农业生产中。
美国DALLAS公司生产的DS18B20可联网数字温度传感器芯片，采用不锈钢保护管封装。 耐磨耐冲击、体积小、使用方便、包装形式多样。 适用于各种狭小空间设备的数字温度测量和控制。 。 它具有独特的单线接口模式。 DS1820与微处理器连接时，只需要一根端口线即可实现微处理器与DS1820之间的双向通信； 测温范围-55℃~+125℃，固有测温分辨率0.5℃；支持多点联网功能； 只需三根线路即可并联多个DS1820，实现多点测温； 工作电源3~5V/DC； 使用过程中无需外部元件。
DS18B20的性能特点如下：
（1）采用DALLAS独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时，只需要一根端口线即可实现微处理器与DS18B20之间的双向通信；
(2)使用过程中无需外接元件；
(3)可用数据线供电，供电电压范围：+3.0V～+5.5V；
(4) 温度测量范围：-55～+125℃。 固有温度测量分辨率为0.5℃。 在-10℃～+85℃范围内，可保证测量误差不超过0.5℃，在-55～+125℃范围内，测量误差不超过2℃；
(5)可通过编程实现9至12位数字读取模式；
(6) 用户可设置非易失性报警上下限；
(7) 支持多点联网功能。 只需3根线路即可并联多个DS18B20，实现多点测温。
(8)负电压特性，即具有电源反接保护电路。 当电源电压极性接反时，可以保护DS18B20不因发热而烧毁，但此时芯片无法正常工作；
（9）DS18B20的转换速率比较高，转换一个9位温度值只需要93.75ms；
（10）适应各种单片机或系统；
(11) 包含64位激光校正只读存储ROM。 扣除8位产品序列号和8位循环冗余校验码（CRC）后，产品序列号占用48位。 产品序列号在出厂前存储在其 ROM 中。 当组成大型温度控制系统时，允许在单线总线上连接多个DS18B20。
3.2.2 DS18B20引脚介绍
图3：DS18B20引脚
各引脚的功能为： I/O为数据输入/输出端（即单线总线）。 它是一个开漏输出。 外接上拉电阻后，正常情况下为高电平。 UDD为可选外部供电端子，不用时接地，GND为地，NC为空脚。
3.2.3 DS18B20 内部结构
DS18B20的内部结构主要包括7部分：寄生电源、温度传感器、64位激光（输）ROM和单线接口、高速寄存器（即raft RAM，用于存储中间数据）、TH触发寄存器和TL触发寄存器，分别用于存储用户设置的温度上限和下限、存储和控制逻辑以及位循环冗余校验码（CRC）生成器。
图4：DS18B20内部结构
图5：DS18B20测温原理图
3.3 LCD1602液晶显示管简介
3.3.1 LCD1602液晶显示管概述
LCD1602是一款工业字符液晶，可同时显示16×02或32个字符。 LCD1602液晶显示器原理 LCD1602液晶显示器的原理是利用液晶的物理特性，通过电压来控制其显示区域。 有电的时候就会有显示器，这样就可以显示图形了。 1602液晶屏又称1602字符液晶屏。 它是专门用于显示字母、数字、符号等的点阵液晶模块。
它由若干个5X7或5X11点阵字符位组成。 点阵字符的每一位可显示一个字符。 每一位之间有点间隔，每行之间也有间隔，起到字符间距和行距的作用。 间距的影响，因此无法很好地显示图形（使用自定义CGRAM，显示效果也不好）。
1602LCD表示显示内容为16X2，即可以显示两行16字符液晶模块（显示字符和数字）。 市面上的字符液晶屏大多基于HD44780液晶芯片，控制原理完全相同。 因此，基于HD44780编写的控制程序可以很容易地应用于市场上大多数字符液晶显示器。
3.3.2 LCD1602液晶显示管基本参数及引脚功能
1602LCD分为带背光和不带背光两种。 大多数基础控制器是HD44780。 带背光的比不带背光的厚。 有无背光在应用上没有区别。 两者的尺寸差异如下图所示。
LCD1602液晶显示接口原理图
LCD1602主要技术参数：
显示容量：16×2字符
芯片工作电压：4.5-5.5V
工作电流：2.0mA（5.0V）
模块最佳工作电压：5.0V
字符尺寸：2.95×4.35（宽×高）毫米
1602LCD采用标准14针（不带背光）或16针（带背光）接口。
各引脚接口说明如下表
引脚1：VSS为地电源。
引脚2：VDD连接5V正极电源。
引脚3：VL为LCD对比度调节端。 连接正极电源时对比度最弱，接地时对比度最高。 当对比度太高时，就会出现“重影”。 对比度可以通过10K电位器调节。
引脚4：RS为寄存器选择。 当电平为高时，选择数据寄存器，当电平为低时，选择指令寄存器。
引脚5：R/W为读写信号线。 当电平为高电平时，进行读操作，当电平为低电平时，进行写操作。当RS和R/W都为低电平时，可以写入指令或显示地址。 当RS为低电平，R/W为高电平时，可以读取忙信号。 当RS为高电平时，R/W为低电平。 可以写入数据
引脚6：E端为使能端。 当E端从高电平跳变到低电平时，液晶模块执行命令。
引脚7至14：D0至D7是8位双向数据线。
引脚15：背光正极。
第16脚：背光负极。
4、软件系统设计
4.1 KEIL软件简介
Keil是美国Keil公司的C51编译器，嵌入Keil uVision集成开发环境中。 Keil是目前最常用的编译器。 支持浮点等类型，支持多维数组，可以生成相应的汇编代码，可以直接编译汇编代码程序并嵌入多种工具，可以方便地链接生成可执行文件。 Keil uVision 2 IDE是Keil Software公司的产品。 它集成了项目管理、编译工具、代码编写工具、代码调试和完整的仿真。 适合个人开发或者人数较少、开发流程管理不成熟的开发团体。 这款功能强大的软件提供了一个简单的开发平台，让开发人员在开发过程中可以专注于项目本身，加快开发速度。
4.1.1 系统程序设计流程图
4.1.2 主程序软件设计
通过以上原理，我们对密码锁的整体运行环境有了充分的了解。 我们画出主程序和子程序流程图，并使用Keil软件对单片机进行编程，如图4-1所示，主程序功能流程图：
4-1 主程序功能流程图
4.2.2 温度采集软件设计
图4-2所示为温度采集的软件设计。 主要功能是完成DS18B20的初始化，读取温度，将温度转换成压缩的BCD码并在显示屏上显示传感器测量的实际温度。 读温度子程序的主要功能是读取RAM中的9个字节。 读取时需要进行CRC校验。 如果检查出现错误，温度数据将不会被重写。
返回
DS18B20复位
跳过 ROM 命令
读取温度指令
读操作CRC校验
9字节完成了吗？
CRC校验是否正确？
移入温度寄存器
4-2 温度采集软件设计流程图
4.2.3 温度采集算法软件设计
图4-3是温度采集算法流程图。 温度计算子程序将RAM中读取的值转换为BCD码并确定正负温度值。 程序流程图如下。
开始
零度以下的温度？
温度值的补数用“-”号设置
计算小数点后温度
以整数位计算温度
设置“+”号
返回
4-3 温度采集算法流程图
4.2.4 温度转换命令子程序软件设计
图4-4是温度转换命令子程序流程图。 温度转换命令子程序主要发送温度转换启动命令。 当使用12位分辨率时，转换时间约为750ms。 本次程序设计中，用1s来表示程序延迟。 该方法等待转换完成。
4-4 温度转换指令子程序流程图
4.2.5 DS18B20 程序流程图
不
是的
发出温度转换指令
写入18B20
读取温度前重置
显示测温点位置
18B20复位
开始
18B20存在吗？
延迟
发出读取温度命令
写入18B20
读取温度值数据
返回
延迟
图4-5 程序流程图
5.系统运行分析
5.1 Proteus软件简介
Proteus软件是英国Labcenter electronics公司推出的一款EDA工具软件。 它不仅具有其他EDA工具软件的仿真功能，还可以仿真微控制器及外围器件。 它是目前模拟微控制器和外围设备的最佳工具。 Proteus是世界著名的EDA工具（仿真软件）。 从原理图布局、代码调试，到单片机与外围电路的协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现从概念到产品的完整设计。 在PROTEUS中绘制原理图后，加载编译好的目标代码文件：*.HEX。 在PROTEUS原理图中可以看到模拟的物理运行状态和过程。
PROTEUS不仅可以可视化许多单片机实例的功能，还可以可视化许多单片机实例的运行过程。 利用Proteus软件进行单片机系统仿真设计是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术的综合应用，有利于培养学生的电路设计能力和仿真软件操作能力； 在单片机课程设计和全国大学生电子设计竞赛中，我们使用Proteus开发环境来训练学生。 在没有硬件投资的情况下，学生们普遍反映，学习微控制器比单纯学习书本知识更容易被接受，也更容易提高。 实践证明，利用Proteus进行成功的系统仿真开发然后实际生产，可以大大提高单片机系统设计的效率。 因此，Proteus具有较高的推广利用价值。
5.2 Proteus仿真图
图5-2所示为仿真总体示意图。
图5-2 仿真总体示意图
最小系统示意图
温度传感器原理图
调节温度上下限开关示意图
温度报警蜂鸣器原理图
温度显示液晶原理图
单片机接线原理图
5.3 硬件调试
硬件调试主要是测试各个硬件部分是否能够完成设计的功能。
系统的性能调试主要基于主程序。 硬件调试比较简单，直接插上即可。 对于软件调试，可以先编写显示程序并检查硬件的正确性，然后分别编写并调试主程序和从程序。 由于DS18B20与单片机采用串行数据传输，因此在对DS18B20进行编程时，必须严格保证读写时序，否则将读不到测量结果。
焊接过程中，用万用表测试每根导线是否短路或断路。 这样，焊接完成后，就不用怀疑电路被堵塞了。 由于电路非常复杂，节省了大量的故障排除工作。 初步焊接最小系统，检查二极管是否能正常闪烁，以确定单片机是否工作正常。 整体电路焊接完毕后，通电测试所有硬件芯片的输入输出电压是否在设计要求的范围内，以判断单片机是否工作。
5.4 调试结果
调试过程中出现了很多问题。 显示屏一开始没有显示。 经排查，发现地线未接，导致显示屏无法开机。 连接后，显示屏正常亮起，但无法显示想要的结果。 我调整可变电阻并改变背光，但仍然不显示。 经过和同学讨论，我们知道这是一个程序问题。 于是我们修改了程序，最终调试出了想要的效果。
总结与讨论
通过这次实验，我们组对51单片机的温度采集与报警系统有了更深入的了解。 通过对前人学习的回顾和学习，我们充分发挥了对所学知识的理解和运用，最终完成了本次实验。 这为我今后进一步深化学习积累了宝贵的经验。 写论文的过程也是专业知识学习的过程。 它使我能够利用现有的专业基础知识来设计、分析和解决一个理论或实际问题，并将知识转化为实践能力的训练。 它培养了我运用所学知识解决实际问题的能力。
本文的设计使我们加深了对51单片机的了解，熟悉了单片机系统的设计流程，取得了丰硕的成果。 技术在不断改进。 作为新时代的我们，要提高能力，适应新时代的发展。 知识来源于实践，需要从生活中去探索。
在设计实验的过程中，我们面临着这三个方面的困难。 第一个是如何设计符合要求的单片机系统。 我们团队通过分工合作，在网上查找，找到了一张比较适合我们要求的示意图。 然后我们研究理解了各个模块的功能，发现了难点。 如何概括各个模块的功能？ 经过我们组的讨论和研究，了解了各个模块的功能和原理。 第二个问题是如何修改和编写程序代码。 我们在原有代码的基础上，对基础代码进行了调研和研究，了解了基础代码的运行情况，然后进行修改，使其满足要求。 对于我们需要的代码，曾经出现过好几次代码不成功，烧入单片机时没有任何反应的情况。 我们的解决办法是先对单片机进行电路测试，看看电路本身是否存在问题，然后纠正问题。 更详细地阅读代码本身，然后找到相应的错误并进行修改。 在反复纠错和修改的过程中，我们逐渐对51单片机的温度采集和报警系统有了更深入的了解和认识； 第三个难点在于电路板的焊接过程。 首先是时间紧迫。 周三和周四只有几个小时有时间焊接。 第二个就是中间焊接错误导致代码被烧进去没有反应的问题。 对电路各部分进行测试后，发现其中一个元件烧坏，更换后问题解决。 通过该组实验，我们对51微控制器的温度收集和警报系统有了更深入的了解，并且还提高了我们发现和解决问题的能力。 对于我们来说，完成该实验是最重要的事情。 因素。
从本文设计中，我们真正意识到了知识的重要性，尤其是将理论与实践融入理论，运用我们学到的理论知识的需求，并利用我们学会的知识将其应用于实际情况。
附录1：物理图片：
附录2：参考
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