基于DS18B20和ISD1420的溫度監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)

林如丹，林知秋

（1. 贛南醫(yī)學(xué)院 信息工程學(xué)院，贛州 341000；2. 江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機(jī)械與電子工程系，贛州 341000）

基于DS18B20和ISD1420的溫度監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)

林如丹1，林知秋2

（1. 贛南醫(yī)學(xué)院 信息工程學(xué)院，贛州 341000；2. 江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機(jī)械與電子工程系，贛州 341000）

1 系統(tǒng)方案選擇和論證

1.1 主控模塊

方案一：采用FPGA作為系統(tǒng)的控制器。

FPGA可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，它把所有的器件都集中在一塊芯片上，體積小，穩(wěn)定性高。同時(shí)FPGA可用EDA軟件仿真調(diào)式,易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。但是由于本系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度要求并不是很高，而FPGA的管腳也比較多，布線(xiàn)起來(lái)會(huì)比較復(fù)雜，成本也會(huì)偏高。

方案二：采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S51單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器。

51系列的單片機(jī)的使用簡(jiǎn)單，軟件編程靈活。自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低。它是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性?xún)r(jià)比的解決方案。

1.2 顯示模塊

方案一：采用LCD顯示。

LCD具有輕薄短小、低耗電量，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢(shì)，可視面積大，畫(huà)面效果好，分辯率高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

方案二：采用LED數(shù)碼管作為顯示。

數(shù)碼管具有低能耗、低損耗、低壓、壽命長(zhǎng)、耐老化、防曬、防潮、防火、防高（低）溫，但由于在這個(gè)電路中需要顯示時(shí)間和溫度，需要用的數(shù)碼管太多，不方便電路的制作。

1.3 溫度采集模塊

方案一：采用熱敏電阻作為溫度采集模塊需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，而且精確度也不夠高，一般只用于溫度比較電路或運(yùn)放電路中，所以此電路不考慮這種溫度采集方式。

方案二：采用DS18B20數(shù)字溫度計(jì)作為溫度采集模塊，其精度可達(dá)到0.0625攝氏度。它具有線(xiàn)路簡(jiǎn)單，體積小, 一線(xiàn)總線(xiàn)的特點(diǎn)。因此用它來(lái)組成一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，具有線(xiàn)路簡(jiǎn)單，在一根通信線(xiàn)，可以?huà)旌芏噙@樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分方便。

1.4 遠(yuǎn)程控制模塊

方案一：通過(guò)GSM（全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)）向監(jiān)控室定時(shí)發(fā)送短信息告知監(jiān)控點(diǎn)的溫度或通過(guò)實(shí)時(shí)顯示，讓監(jiān)控室值班人員及時(shí)了解監(jiān)控情況。但成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利用電路的調(diào)試。

方案二：利用射頻模塊即使告知監(jiān)控人員監(jiān)控情況，此模塊比較簡(jiǎn)單，易與調(diào)試，如果加上天線(xiàn)，可在幾百米外監(jiān)控，所以本電路問(wèn)慢推薦使用這個(gè)模塊。

2 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

結(jié)合系統(tǒng)自身要求和實(shí)際應(yīng)用中的利益問(wèn)題,我們最終選擇了以下方案作為此次作品設(shè)計(jì)的最終方案：

1）主控模塊：采用AT89S51單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器；

2）顯示模塊：采用普通的LCD作為系統(tǒng)的顯示器件；

3）遠(yuǎn)程控制模塊：采用射頻模塊；

4）溫度模塊：采用DS18B20溫度傳感器。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)可分為主控模塊，顯示模塊，語(yǔ)音播報(bào)模塊，溫度采集模塊，遠(yuǎn)程控制模塊。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方框圖

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用AT89S51單片機(jī)作為控制核心，可以手動(dòng)設(shè)置溫度的上、下限值和實(shí)時(shí)語(yǔ)音播報(bào)，也可以遠(yuǎn)程遙控設(shè)置溫度上、下限值和實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程播報(bào)，如只要有一樣與設(shè)定的值不符合時(shí)，即溫度過(guò)高或過(guò)低，則該系統(tǒng)會(huì)發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警，起到防患功能。此電路還添加了時(shí)鐘，可通過(guò)手動(dòng)設(shè)置和遙控設(shè)置。

3.1 主控單元電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用AT89S51單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心。采用單片機(jī)的P0口控制LCD顯示溫度值。鍵盤(pán)控制采用P2口，其中P2.4是對(duì)當(dāng)前功能的設(shè)置，P2.3是數(shù)字加功能鍵，P2.2是數(shù)字減功能鍵，這兩個(gè)口分別對(duì)溫度的上/下限值進(jìn)行設(shè)置。P2.1是語(yǔ)音播報(bào)和選項(xiàng)確定鍵。P2.0是DS18B20溫度傳感器的接線(xiàn)口，P1口是ISD1420語(yǔ)音芯片的接線(xiàn)口。

3.2 顯示模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用LCD來(lái)做顯示部分，其優(yōu)點(diǎn)是顯示的內(nèi)容更多，接線(xiàn)更方便，通過(guò)單片機(jī)的P0口可控制LCD的顯示。如檢測(cè)到溫度發(fā)生變化時(shí)，LCD會(huì)隨著發(fā)生相應(yīng)的變化起到實(shí)時(shí)顯示的作用。

3.3 語(yǔ)音播報(bào)電路的設(shè)計(jì)

語(yǔ)音播報(bào)模塊采用語(yǔ)音芯片ISD1420構(gòu)成，該芯片能夠高質(zhì)量地完成聲音錄制與還原，最大錄音時(shí)間為20秒，具備分段錄音功能，其工作電壓在4.5V—5.5V范圍，使用直接電平/邊緣存儲(chǔ)技術(shù)，省去了A/D、D/A轉(zhuǎn)換。其內(nèi)部集成了大容量的EERPOM，不再需要擴(kuò)展存儲(chǔ)器，便于與單片機(jī)連接。

該電路的S0鍵為錄音鍵，S1、S2鍵為播放鍵，當(dāng)S1按下產(chǎn)生一個(gè)低電平后松開(kāi)，需等錄音放完之后才能停止放音，而S2需一直按著才能觸發(fā)播報(bào)電路進(jìn)行放音。A0-A7為地址選擇端，將ISP1420的A0-A7直接與單片機(jī)的P1口相連，就可以實(shí)現(xiàn)錄音地址選擇功能。

3.4 溫度采集電路的設(shè)計(jì)

采用DS18B20溫度傳感器進(jìn)行采集溫度值，其精度可達(dá)到0.0625攝氏度。在進(jìn)行單片機(jī)操作處理時(shí)，首先對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位操作，將數(shù)據(jù)線(xiàn)拉低并保持480-960μS再釋放，然后由上拉電阻拉高15-60μS，最后再由DS18B20發(fā)出響應(yīng)低電平60-240μS即完成復(fù)位操作。此電路中，我們用DS18B20可實(shí)現(xiàn)溫度負(fù)值的讀取，其溫度范圍為-3 0℃～120℃。

3.5 射頻模塊電路的設(shè)計(jì)

在這個(gè)設(shè)計(jì)電路中，我們采用PT2262/PT2272來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸功能。在測(cè)溫點(diǎn)，我們用一個(gè)射頻發(fā)射模塊，向外界發(fā)射電路的各種狀態(tài)信號(hào)，同時(shí)有一個(gè)射頻接收模塊可隨時(shí)被檢測(cè)人員的遙控器遙控，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控人員的遠(yuǎn)程遙控功能。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是單片機(jī)對(duì)接受信號(hào)的處理，外部按鍵的設(shè)定，驅(qū)動(dòng)數(shù)顯、語(yǔ)言播報(bào)的控制和射頻模塊的無(wú)線(xiàn)發(fā)送，軟件實(shí)現(xiàn)的功能是：

1）設(shè)定溫度的范圍；

2）處理接受的信號(hào)；

3）顯示實(shí)際溫度值并用語(yǔ)音播報(bào)當(dāng)前顯示的溫度值；

4）能通過(guò)射頻模塊實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

通過(guò)按鍵對(duì)報(bào)警溫度的設(shè)定，并可通過(guò)另外的按鍵對(duì)實(shí)際值和設(shè)定溫度值的切換顯示。由LCD顯示數(shù)值。編寫(xiě)單片機(jī)的程序?qū)邮苄盘?hào)的經(jīng)行處理，轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制數(shù)輸出顯示溫度的實(shí)際值。語(yǔ)音播報(bào)先給ISD1420的地址錄上需要的發(fā)音，再由單片編程調(diào)用地址發(fā)音。射頻發(fā)射由單片機(jī)程序控制，當(dāng)處于不同溫度范圍時(shí)控制RS2262發(fā)射，由RS2272接受顯出不同的狀態(tài)，主程序如下：

5 系統(tǒng)測(cè)試與總結(jié)

5.1 溫度測(cè)試

打開(kāi)電源，設(shè)定不同的溫度范圍，將溫度傳感器DS18B20放入一些放有冰塊的容器當(dāng)中，待冰融化后用熱得快加熱，知道加熱溫度報(bào)警停止加熱，記錄這一個(gè)過(guò)程中實(shí)際溫度的變化和測(cè)試顯示溫度的值。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

5.2 測(cè)試結(jié)果分析與結(jié)論

測(cè)試結(jié)果表明，在軟硬件的結(jié)合下溫度控制報(bào)警系統(tǒng)能達(dá)到較高的性能指標(biāo)。由于采用了高精度的溫度傳感器DS18B20，能自動(dòng)的將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化成準(zhǔn)確二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)以便單片識(shí)別。并使用了人性化的功能，能用語(yǔ)音讀出當(dāng)前的測(cè)量溫度值，能在100米外接受報(bào)警信號(hào)。可在0℃-90℃之間設(shè)定，能非常方便的人工設(shè)定溫度值，自動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)加熱功能，能將溫度維持在設(shè)定的范圍之內(nèi)，測(cè)量值與實(shí)際值非常接近，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

[1]駱德漢.1種基于AD590的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].航空計(jì)測(cè)技術(shù),1995,02.

[2]梁波,梁清華.溫度變換器AD590的研究與應(yīng)用[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào),1995,04.

[3]曹衛(wèi)芳.基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究[D].山東科技大學(xué).2005.

[4]徐亞飛.遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制單元的研究[D].武漢理工大學(xué),2005.

[5]柳延領(lǐng),王金紅.基于ISD1420語(yǔ)音播報(bào)器的研究與實(shí)現(xiàn)[J].黑龍江科技信息,2008,18.

The temperature control alarm systems based on DS18b20 and ISD1420

LIN Ru-dan1, LIN Zhi-qiu2

本設(shè)計(jì)以AT89S51單片機(jī)為核心，采用DS18B20溫度傳感器來(lái)檢測(cè)溫度，通過(guò)LCD實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度，并可通過(guò)射頻模塊遙控檢測(cè)點(diǎn)。系統(tǒng)采用ISD1420語(yǔ)音播報(bào)技術(shù)。系統(tǒng)在檢測(cè)到溫度上下限值時(shí)通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)來(lái)報(bào)警，同時(shí)電路將通過(guò)射頻收發(fā)模塊告知遠(yuǎn)處的監(jiān)控室，監(jiān)控人員可通過(guò)射頻遙控對(duì)其實(shí)施遠(yuǎn)程控制。

DS18B20；ISD1420；單片機(jī)；溫度監(jiān)控；報(bào)警

林如丹（1983 -），女，福建福州人，講師，碩士，研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ碳夹g(shù)。

TP277

A

1009-0134(2011)5(上)-0074-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).26

2010-12-26