温度报警器

温度报警设计

摘要

在日常生活中，温度是一种最基本的环境参数，它是与人类的生活、工作关系最密切的物理量，也是各门学科与工程研究设计中经常遇到，必须精确测量和不可忽略的物理量。由于现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，能够独立工作的温度检测与显示系统应用于诸多领域。本文主要介绍了一个基于89S51单片机的测温系统，详细描述了利用数字温度传感器DS18B20开发测温系统的过程，重点对传感器在单片机下的硬件连接，软件编程以及各模块系统流程进行了详尽分析，特别是数字温度传感器DS18B20的数据采集过程。对各部分的电路也一一进行了介绍,该系统可以方便的实现实现温度采集和显示，并可根据需要任意设定上下限报警温度，它使用起来相当方便，具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点，适合于我们日常生活和工、农业生产中的温度测量，也可以当作温度处理模块嵌入其它系统中，作为其他主系统的辅助扩展。DS18B20与AT89C51结合实现最简温度检测系统，该系统结构简单，抗干扰能力强，适合于恶劣环境下进行现场温度测量，便于实际检测使用，有广泛的应用前景。

关键词：单片机A T89S52；温度传感器DS18B20；温度测量

目录

第1章绪论 (2)

第2章设计方案及思路 (3)

2.1 整体设计 (3)

2.2 电路构思 (3)

2.3 设计方案 (4)

第3章单元电路设计 (4)

3.1 电源的设计 (4)

3.1.1 任务和要求 (4)

3.1.2 整流桥选择 (5)

3.1 3 参数的计算 (5)

3.2 放大器电路的设计 (6)

3.2.1 设计任务和要求 (6)

3.2.2 设计原理 (6)

3.2.3 设计方案 (6)

3.3 窗口比较器电路的设计 (8)

3.4 温度报警电路的设计 (9)

3.4.1 低温报警电路 (10)

3.4.2 高温报警电路 (11)

第4章电路的仿真 (12)

4.1 仿真软件简介 (12)

4.2 电路仿真 (12)

第5章电路的装调和分析 (13)

5.1 电源的装调 (13)

5.2 放大电路和比较电路的装调 (13)

5.3 报警电路的装调 (14)

5.4 整体电路的装调 (14)

5.5 实验结果分析 (15)

第6章总结和体会 (15)

参考文献 (17)

致谢 (18)

附录 (19)

附录A 元器件管脚图 (19)

附录B 元器件清单 (21)

附录C 总原理图 (22)

第1章绪论

温度是一个十分重要的物理量，对它的测量与控制有十分重要的意义。随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高，人们也迫切需要检测与控制温度。对于温度控制，各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳定性与自适应能力的要求越来越高，在工业自动化控制中占有非常重要的地位，随着科学技术的迅猛发展，单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，自动化、智能化均离不开单片机的应用。将单片机控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严重滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。

现代社会是信息化的社会，随着安全化程度的日益提高，机房作为现代化的枢纽，其安全工作已成为重中之重，机房内一旦发生故障，将导致整个系统的瘫痪，造成巨大的损失和社会影响。造成高温火灾有：电气线路短路、过载、接触电阻过大等引发高温或火灾；静电产生高温或火灾；雷电等强电侵入导致高温或火灾；最主要是机房内电脑、空调等用电设备长时间通电工作，导致设备老化，空调发生故障，而不能降温；因此机房内所属的电子产品发热快，在短时间内机房温度升高超出设备正常温度，导致系统瘫痪或产生火灾，这时温度报警系统就发挥应有的功能，其可应用于小型机房、仓库、实验室、温棚等小型场所，适合于对小型无人值守场所现场温度湿度的测量，控制与短信报警。

随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术得到了迅速的发展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。伴随着科学技术的发展，电子技术有了更高的飞跃，我们现在完全可以运用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测，而且我们可以很容易地做到多点的温度检测，并且还可以进行不同地点的实时温度检测和控制。

第2章设计方案及思路

2.1 整体设计

本设计主要介绍了用单片机和数字温度传感器DS18B20相结合的方法来实现温度的采集，以单片机AT89S52芯片为核心，辅以温度传感器DS18B20和LED 数码管及必要的外围电路，构成了一个多功能单片机数字温度计。该装置适用于人民的日常生活和工、农业生产的温度测量与报警，实现对温度的监测。其主要研究内容包括两方面，一是对系统硬件部分的设计，包括温度采集电路和显示电路；二是对系统软件部分的设计，应用C语言实现温度的采集与显示。通过利用数字温度传感器DS18B20进行设计，能够满足实时检测温度的要求，同时通过LED数码管的显示功能，可以实现不间断的温度显示，并带有复位功能。复位电路使片内单片机的片内寄存器初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。复位电路有两种基本形式，即上电复位和开关复位。为了保证温度计的正常工作，采用上电且开关复位，也就是CR复位。

通过对本课题的设计能够熟悉数字温度计的工作原理及过程，了解各功能器件(单片机、DS18B20、LED)的基本原理与应用，掌握各部分电路的硬件连线与程序编写，最终完成对数字温度计的总体设计。

2.2 电路构思

本次温度报警电路的设计我们用压电陶瓷蜂鸣器作为报警电路的电声元件，通过电压的变化来模拟温度的高低，以0℃为0mv，温度每上升1℃，递增2mv；由于变化的电压值较小，所以我们采用放大电路对其进行放大100倍，然后通过后级比较电路对电压进行比较，当温度在10℃至30℃范围内（允许误差±1℃）即电压在20mv至60mv时报警器不发声响，当温度超过这个范围时，即当接收到的输入电压（前级放大器的输出）小于2V（10℃时放大器输出为2V）或者大于

6V时（30℃时放大器输出为6V），输出高电平以驱动后级的发生报警电路报警器发出声响，并根据不同音调区分温度的高低，即当温度高与30℃时，报警器发出两种频率交换的“嘀—嘟”声响；当温度低于10℃时，报警器发出单频率声响。

2.3 设计方案

单片机温度控制系统结构如图2.1硬件结构图所示。

图2.1温度控制系统硬件结构图

根据整体构思，所设计电路分为四个模块：直流电源、信号放大电路，比较电路和报警电路。其中直流电源由变压器、整流桥、滤波电路、稳压器组成；放大器的设计采用集成运放放大；对于比较器我们选择窗口比较器，通过电压的变化可以模拟实现高温低温。报警电路有单双频之分，选用555定时器作成多谐振荡器，以分别实现单双频报警。

第3章单元电路设计

3.1 电源的设计

3.1.1任务和要求

直流稳压5V,12V电源的设计，输入交流电220v（峰值312v）50hz。

稳定直流电源设计的一般思路是让输入电压交流电220v（峰值312v）50hz先通过

电压变压器（降压到合适的数值，如16v），，再通过整流网络（将正弦波电压转换为直流脉动电压（直交流成分均有）），然后经过滤波网络（减小电压的脉动），最后经过稳压网络（使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻的影响）。采用整流桥实现整流的目的，以1000uF的大电解电容作为滤波电路，采用固定式三端集成稳压器7812、7805来稳定输出电压。

如下图所示，220V（幅值311V）50Hz交流电经变压器220:16输出两组独立的16V 交流电，经整流桥、大电容滤波后分别经过集成稳压块7812与7805作用得到+12、+5V的直流输出电压。稳压电源组成如图3.1所示：

图3.1 直流电源系统方框图

电源变压器：将电网提供的220V交流电压转换为各种电路设备所需的交流电压。

直流电源电路图

3.1.2整流桥选择

整流桥有两根输入交流线和两根输出直流线。经过整流桥上正极MC7812经过稳压、滤波可提供一个+12V电压；+12V电压再经过MC7805后，经过稳压、滤波就可以提供一个+5V的电压。整流桥负极接地。整流桥的这样就可以给后面的系统提供工作电压了。

3.1 3参数的计算

（1）稳压管型号，输入电压和输入电流

220v电网电压经过通用变压器T1降压至16V，16V交流电压经桥式电路整流，C1的滤波作用后变成直流电压，整流成直流的电压，需要+12v的电压，故选用7812型号；稳压管的压差6v左右，则输出12v左右，选用7805型号的，经过稳压管的消耗，稳压管的电压输出为+5v。

（2）故输入电压UI=12+3+0.6=15.6v，

电源变压器的副边电压有效值：

U2=15.6／1.2≈13v，所以变压器的输出电压取值是13v，输出电压是最大值是

√2*13≈18v

（3）滤波电容：C=1000uF～6000uF

所以电解电容的参数：1000uF

3.2放大器电路的设计

3.2.1设计任务和要求

设计一个10℃～30℃以外的温度报警器，需要用电压来代表温度，设1℃用电路，对电压进行放大，为后续电路做好铺垫。

3.2.2 设计原理

用直流恒压源供电，为了满足增大输入电阻，减小输出电阻，以减少电源的内阻消耗，提高电路的带负载能力。所选运算放大器功耗低；输出电压与输入电压同相。用一个可调电位器来模拟温度的变化。

3.2.3设计方案

选运算放大器：LM324

介绍：LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。它的特点是将4个功能独立的运放集成在同一个集成芯片里，这样可以大大减少各运放由于制造工艺不同带来的器件性能差异；采用统一的电源，有利于电源噪声的降低和电路性能指标的提高。

特点：

1.短路保护输出。

2.真差动输入级。

3.可单电源工作：3V-32V。

4.低偏置电流：最大100nA。

2mv代替，那么在10℃～30℃则表示成20mv～60mv，即电源供的电压在20mv～60mv 范围以外的电路报警，而电源提供的电压为5v，与所取电压相差很大，这时需要将所取电压放大100倍，即2V～6V以外的电压电路报警，需设计一个放大器

5.每封装含四个运算放大器。

6.具有内部补偿的功能。

7.共模范围扩展到负电源。

8.行业标准的引脚排列

9.输入端具有静电保护功能。

具体设计原理：电压串联负反馈，同相比例放大。

UI UN UP ==(1)

)

4(1)3(11)2(0UI R RF UO UP R RF UN R RF UO RF UN

UO R UN ??? ??+=??? ??+=??? ??+=-=-得到

上式表明uo 与ui 同相且uo 大于ui 。

电阻选择：因为电源电压为+5V ，应选择千欧级电阻，以满足输入电压毫伏级的要求。 放大器电路图：

电路分析：

此电路是同相比例运算电路，电路引入了电压串联负反馈。根据“虚短”和“虚断”,因为净输入电压为0，Up=UN=UI ，UO=（1+Rf/R ）=（1+99/1）Up=100Ui ,

即：U R

R U RV 1

2

30)

1(+

=

R 1

（如电路总图图）处加一个+12v 的直流电压（即7812的输出端），通过滑动电

位器R V 1来改变放大器的输入电压U RV 1。根据实验设计要求（当温度在10℃至30℃范围内（允许误差±1℃）时报警器不发声响，当温度超过这个范围时，报警器发出声响。以0℃为0mv ，温度每上升1℃，递增2mv ）即低于20mv 报警（単频），20mv-60mv 不报警，高于60mv 报警（双频）。

U

RV 1

最大为12÷100000×1000=0.12v=120mv

U

RV 1

经过LM324放大100倍后，就变为0～1.9v 报警（単频），2v ～6v 不报

警，6.1v~10v 报警（双频）。再经窗口比较器比较输出给后续电路。

3.3窗口比较器电路的设计

窗口比较器电路图：

由LM324中的两个运放组成1个窗口比较器，以12v 为电源电压，经过60k 、40k 、

20k 电阻的分压使窗口比较器的两个基准电压分别为2V 、6V 。

放大器的输出电压U0与两个基准电压进行比较，若U0小于2v，则B运放输出为高电平，输出端接一个保护电阻经过D2稳压管使输出电压稳定在5v；若U0在2v 与6v之间，则运放B与A输出都为低电平，即电压为0；若U0大于6v，则运放A 输出为高电平，输出端接一个保护电阻经过D1稳压管使输出电压稳定在5v。

注意事项：

稳压管D1、D2的作用是稳定窗口比较器的输出电压，但前提是窗口比较器的输出电压必须大于稳压管D1、D2的稳压值。运放输出端所加保护电阻不应过大否则稳压管将起不到稳压作用

3.4温度报警电路的设计

根据任务与要求，要有两种不同的报警声音，因此我们设计两种报警电路，单频报警电路和双频报警电路。

音频报警电路的制作可以用NE555和电阻、电容组成，我们选用555集成定时器来制作多谐振荡器从而做出音频电路。

3.4.1低温报警电路

此电路中4端口接窗口比较器的D1稳压输出，4端口为一个复位端，当D1为高电平（温度低于10℃即放大电路输出电压小于2v）时，此多谐振荡器工作，蜂鸣器发出单频声音报警。

此振荡电路的振荡周期为=

T

()?

?

+

=

+C

R

R

T

T4

4

5

2

12ln

2

占空比：

R

R

R

R

q

4

5

5

4

2

+

+

=

单频产生的波形如下图：

3.4.2高温报警电路

高温报警采用双频报警，该部分用到了两片555定时器。U1的作用是控制高低音的持续时间；U2的作用是将高音与低音转换成频率然后输出。

双频的高低音持续时间以及高低音频率只与和555外部连接的电容C和电阻有关，因此我们可以通过改变555外部电路的电容和电阻的大小来控制多谐振荡电路的振荡周期从而控制蜂鸣器发出声音的高低和频率。

U2的4端接D1端稳压输出电压，当D1为高电平（温度高于30℃即放大电路输出电压大于6v）时，此多谐振荡器工作，蜂鸣器发出“嘀—嘟”的双频声音报警。

双频产生的波形如下图：

第4章电路的仿真

4.1仿真软件简介

本次电路仿真用的是Protues软件，Protues软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。Protues软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：

（1）原理布图

（2）PCB自动或人工布线

（3）SPICE电路仿真

革命性的特点：

（1）互动的电路仿真用户甚至可以实时采用诸如RAM,ROM,键盘，马达，LED,LCD,AD/DA,部分SPI部件，部分IIC器件。

（2）仿真处理器及其外围电路可以仿真51系列、A VR、PIC、ARM等常用主流单片机。

还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。

4.2电路仿真

通过用Protues软件进行仿真，将各个模块连接好后进行仿真。仿真结果：当温度低于10℃时发出单频报警输出波形如下：

当温度高于10℃时发出单频报警输出波形如下：

第5章电路的装调和分析

5.1电源的装调

选用22V~16V的变压器，一个LM7912，一个LM7812，一个LM7805,1000uF 电解电容一个，小电容若干个，接好电源电路。在接电源的过程中遇到了如下问题：用万用表测量从LM7912输出的电压值没有达到12V。

故障排除：经过仔细的检查发现电路接通后LM7912发热，最后判断该三端稳压器是坏的，不能使用。更换LM7912后正常。

5.2 放大电路和比较电路的装调

1.发现放大电路的放大倍数较小，不满足需求。

解决：改变了滑动变阻器的数值，使放大倍数在50左右。

2.比较器输出端稳压管输出电压高电平太高。

解决：经检查发现稳压管不满足电路要求，计算参数更换电容后输出高电平正常。

5.3 报警电路的装调

单频报警控制电路是由一块NE555组成，双音频报警控制电路的主要元件是两块NE555，将以上模块连接在一起就构成了所要求功能的温度报警电路。

问题1：电路连接好后调节温度模拟电位器超出30℃温度时高温双频不报警。

解决：发现555定时器是坏的，更换后正常报警。

问题2：高温报警发音与所要求的声音不同。

解决：由于555定时器振荡周期和频率有其外部所接的电阻和电容决定，所以通过计算后得到了更合理的参数，更换了电阻与电容后正常。发出的声音即为“嘀---嘟”的报警声。

5.4整体电路的装调

通过上面电路的的连接检查整体电路无误后接通电源，然后通过电位器模拟温度变化；

1，当温度低于10℃时发出“嘀——嘀”的单频报警；

2．当温度高于30℃时发出“嘀——嘟”的双频报警

总体电路图见附录C

5.5 实验结果分析

相对误差为：

{（12-12.052）/12}*100%=0.56%<10%在误差范围内；

{（5.081-5）/5}*100%=0.86%<10% 在误差范围内。

第6章总结和体会

大学三年就会在这最后的毕业设计总结上划上一个圆满的句号。我曾经以为时间是一个不快不慢的东西，但现在我感到时间过得是多么的飞快，三年了，感觉在一眨眼之间结束了我的大学生涯。毕业，最重要的一个过程，最能把理论知识运用到实践当中的过程就数毕业设计了。这也是我从一个学生走向社会的一个转折，另一个生命历程的开始。毕业设计的一个月，我学到了很多，也成熟了很多。

通过这次设计，我了解了更多电子产品设计的一般过程，特别是对单片机C 语言产生了更深的兴趣，能用Portel，PROTEUS等专业软件，掌握了电子电路调试的方法，能独立解决设计与调试过程中出现的一般问题，能正确选用元器件与材料，能对所设计电路的指标和性能进行测试并提出改进意见，能查阅各种有关手册和正确编写设计报告。

通过这次对数字温度计的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于数字温度计的原理与设计理念，要设计一个电路总要先用仿真仿真成功之后才实际接线的。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。

通过一个一个步骤的跟进，让我对很多电子元器件的结构和基本特性有了一定的了解，对电路的实际操作让我对电路有了深刻的理解。焊接过程是一个很有趣的过程，通过小心翼翼的一个个引脚的焊接，最终成就我们的温度传感器，每一步都那么的谨慎以防与相邻的电路短接。在很大的程度上锻炼了我的耐心，同时也能够对整个电路设计及走向有一个深刻的了解、理解。

我觉得能够在这次毕业设计中学到很多的东西，以往不注意的细节，在这一次设计中是必须让自己去注意的。也是这三年来所学到知识的一个体现，我深深的知道，每一次的学习实践环节都是那么的来之不易，都是通过老师的深思熟虑后，才给我们定下目标。然后让我们在知识的海洋里翱翔，让我们随着年龄的增长不断的扩充自己的知识领域，也逐渐成熟，逐渐长大，老师同时也教导我们逐渐成为一个能够为身边的人，为家庭，为国家做出点贡献的人，教导我们学会感恩。所以，我在这次的毕业设计中，认真对待每一个过程，希望自己的认真，自己最后的毕业设计的成果能够回报老师这么多年来的教导，这么多年的奉献。

参考文献

[1] 华成英，童诗白.模拟电子技术基础.四版.北京：高等教育出版社，2006.

[2] 阎石.数字电子技术基础.五版.北京：高等教育出版社，2006.

[3] 李晓荃.单片机原理与应用［M］.北京：电子工业出版社，2000年8月

[4] 杨帮文新型继电器实用手册[M].北京:北京人民邮电出版社.2004

[5]《电子技术基础（课程技术资料）》. 陕西理工学院电信工程系编

[6]《电子元器件应用手册》.人民邮电出版.

[7] 李中发主编数字电子计时第一版,中国水利水电出版社，2001.

[8] 马忠梅.单片机的C语言应用程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998

[9] 何立民单片机的Ｃ语言应用程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社，1997

[10]华中理工大学电子教研室编康华光主编;电子技术基础（数字部分）.北京：高等教育出版社，2000.

[11]清华大学电子学教研室编，余孟尝主编，数字电子技术基础简明教程第二版.北京：高等教育出版社，1999.

[12] 何立民AVR单片机原理与接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社，2002

致谢

历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师—XX老师，她对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。三年的大学学习和生活期间，也始终感受着导师的精心培养和无私的关怀，我受益匪浅。在此向各位老师表示深深的感谢和崇高的敬意。

这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破，那也就不叫论文了。希望这次的经历能让我在以后学习中激励我继续进步。不积跬步何以至千里，本设计能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。正是有了他们的悉心帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利完成，在此向系的全体老师表示由衷的感谢，感谢他们三年来的辛勤栽培。

感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多你问素材，还在论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！

附录

附录A元器件管脚图

1. AT89S51管脚图

AT89S51是一种低功耗、高性能CMOS8位微

控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。

使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制

造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。

AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，

256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，

2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个

6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振

及时钟电路。

另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，

支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一AT89S52引脚图

个中断或硬件复位为止。