基于51單片機(jī)的溫度監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

孫曉倩

（武夷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）

基于51單片機(jī)的溫度監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

孫曉倩

（武夷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）

隨著時(shí)代的發(fā)展和計(jì)算技術(shù)、電子元件加工技術(shù)的不斷提高，單片機(jī)已經(jīng)應(yīng)用到了我們生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，單片機(jī)技術(shù)發(fā)展至今也已經(jīng)相當(dāng)成熟，應(yīng)用十分廣泛，給人們帶來了極大的便利.本文研究的溫度監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)使用的是STC89C52單片機(jī)，文章首先闡述了開發(fā)測溫系統(tǒng)的過程，分別對DS18B20溫度傳感器的應(yīng)用，傳感器與單片機(jī)的硬件連接部分和軟件編程，以及系統(tǒng)流程做了比較詳細(xì)的介紹.該溫度監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)具有溫度顯示功能，報(bào)警溫度可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)定，其突出特點(diǎn)是體積小、使用范圍廣泛、精度和靈敏度都很高和功率消耗低等，可以作為一個(gè)獨(dú)立的控制模塊，也可以當(dāng)作一個(gè)子模塊應(yīng)用于其他系統(tǒng)中.當(dāng)把DS18B20與STC89C52兩個(gè)單片機(jī)結(jié)合起來使用時(shí)，可以構(gòu)建一個(gè)簡單的控制系統(tǒng)，該溫控系統(tǒng)可用于惡劣干擾環(huán)境下的溫度控制，具有一定的應(yīng)用前景.

51單片機(jī)；控制；STC89C52；DS18B20

1 設(shè)計(jì)內(nèi)容及其性能指標(biāo)

本次設(shè)計(jì)的對象是溫度報(bào)警系統(tǒng)，控制部分是51單片機(jī)，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括硬件的聯(lián)接和軟件的設(shè)計(jì)，文章對各個(gè)功能的子模塊做了比較詳細(xì)的介紹.

主要性能指標(biāo)：單片機(jī)實(shí)時(shí)檢測溫度傳感器DS18B20的狀態(tài)，并將DS18820得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.上電后數(shù)碼管顯示當(dāng)前的環(huán)境溫度，通過按鍵可設(shè)置高低溫報(bào)警值，當(dāng)檢測到的溫度高于設(shè)置的報(bào)警值的時(shí)候，蜂鳴器報(bào)警同時(shí)報(bào)警燈閃爍，溫度檢測精確到0.1度.并具有掉電保存功能，數(shù)據(jù)保存在單片機(jī)內(nèi)部EEPOM中，進(jìn)入設(shè)置界面后如果沒有鍵按下系統(tǒng)會在15秒后自動退出設(shè)置界面.

2 系統(tǒng)方案比較、設(shè)計(jì)與論證

該系統(tǒng)主要由溫度測量和溫度設(shè)置及系統(tǒng)狀態(tài)顯示三部分電路組成，下面介紹實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)功能的方案.

2.1主控制器模塊

方案1：

主控制器采用可編程邏輯器件（CPLD）.

方案2：

采用STC89C52單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，用其實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度和報(bào)警，以實(shí)現(xiàn)其既定的性能指標(biāo).

綜上所述，本次設(shè)計(jì)采用STC89C52作為主控制器.

2.2溫度測量

方案1：

選用DS18B20溫度傳感器對溫度進(jìn)行測量，其輸出的信號為數(shù)字信號，方便單片機(jī)對溫度信號的采集、處理和控制，而且電路簡單，占用空間小.該單片機(jī)性能穩(wěn)定，且線形好.當(dāng)測量溫度在0到100之間時(shí)線形偏差都小于1℃.除此之外，由于DS18B20單片機(jī)采用單總線的數(shù)據(jù)傳輸方式，由DS18B20和STC89C52構(gòu)成的測溫裝置輸出的溫度信號，的數(shù)字信號，可以直接連接計(jì)算機(jī).這樣，測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就顯得十分簡單，占用的體積也不大.同時(shí)，通過采用51單片機(jī)控制讓軟件編程的自由度大大增加，既可以通過編程實(shí)現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制，而且它還具有體積小，硬件實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、簡單，安裝也十分方便等優(yōu)點(diǎn).它也可以單獨(dú)對多DS18B20進(jìn)行控制工作，還可以與PC機(jī)通信上傳數(shù)據(jù)，另外，微控制器STC89C52在工業(yè)控制上也有著十分廣泛的應(yīng)用，無論是編程技術(shù)還是外圍功能電路的配合使用都已經(jīng)發(fā)展得很成熟.

方案2:

采用熱電偶溫差電路測溫，溫度檢測部分可以使用低溫?zé)崤迹瑹犭娕加蓛蓚€(gè)焊接在一起的異金屬導(dǎo)線所組成（如圖1所示），熱電偶產(chǎn)生的熱電勢由兩種金屬的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電勢組成.通過將參考結(jié)點(diǎn)保持在已知溫度并測量該電壓，便可推斷出檢測結(jié)點(diǎn)的溫度.用帶有A/D通道的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集部分，再將隨被測溫度變化的電流或電壓采集過來，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，這樣在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來.熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是工作溫度范圍非常寬，且體積小，但是它們也存在著輸出電壓小、容易遭受來自導(dǎo)線環(huán)路的噪聲影響以及漂移較高的缺點(diǎn)，并且這種設(shè)計(jì)需要用到A/D轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩.

通過對以上兩種方案的對比，易得出方案二可測量溫度范圍更寬、體積占用更小，缺點(diǎn)是線性誤差相對較大.方案一的優(yōu)點(diǎn)是測溫裝置電路簡單、精確度較高、實(shí)現(xiàn)方便、軟件設(shè)計(jì)也比較簡單，所以本次設(shè)計(jì)的溫度測量采用了方案一.

2.3設(shè)置溫度

方案1：

采用鍵盤輸入設(shè)置溫度，鍵盤則可以用4個(gè)按鍵，一個(gè)復(fù)位鍵，一個(gè)功能設(shè)定鍵，一個(gè)加減一個(gè)減鍵.四個(gè)鍵比較常用，而且用到的接口得到了極好的利用，僅需要4個(gè)接口.

方案2:

可采用4*4矩陣鍵盤，該鍵盤需要8個(gè)接口，而我們不需這么多鍵.

綜上所述，溫度設(shè)置方面我們選擇第一種方案.

2.3顯示模塊

方案1：

用數(shù)碼管充當(dāng)顯示模塊.數(shù)碼管由于具有使用簡單，顯示速度快，顯示效果簡潔明了等特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用.

方案2：

通過LCD液晶進(jìn)行顯示.LCD具有顯示內(nèi)容豐富、清晰，顯示信息量大，顯示快速，使用方便等特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用.但對于本系統(tǒng)我們不需要顯示豐富的內(nèi)容，而且LCD液晶價(jià)格昂貴，因此我們未選擇此方案.

綜上所述，顯示模塊我們選擇方案1.

2.4電源選取

對于系統(tǒng)供電電源的選取我擬定了兩種方案：

方案1：

采用額定輸出電壓為5V的蓄電池.蓄電池的優(yōu)點(diǎn)是電壓穩(wěn)定，電流驅(qū)動能力強(qiáng)，但是其體積相對較大，與本系統(tǒng)的小巧輕便的設(shè)計(jì)不相匹配，所以我們放棄了此方案.

方案2：

采用3節(jié)1.5V干電池共4.5V做電源，經(jīng)過一段時(shí)間的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該供電電源能夠滿足系統(tǒng)正常持續(xù)工作，也滿足小體積的設(shè)計(jì)需求，電池更換也比較方便，是比較理想的選擇.

綜上所述，電源的選取我們采用方案2.

3 系統(tǒng)器件選擇

3.1溫度傳感器的選擇

一般而言，比較常見的溫度傳感器件，譬如熱敏電阻等，它們都是通過測量電壓后按照對應(yīng)的關(guān)系轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度表示出來，因此，為了較好的實(shí)現(xiàn)功能，它們需要各種外部電路來支持，相應(yīng)的總體的制作成本相對而言較高，硬件電路也較為復(fù)雜.而本系統(tǒng)采用DS18B20，它既可以支撐本系統(tǒng)的各項(xiàng)功能需求，同時(shí)又能有效地解決以上問題.

3.2控制芯片的選擇

通常，我們對一些小型控制都會從最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的角度去考慮控制設(shè)備的選取，在本設(shè)計(jì)中，我們采用STC89C52芯片作為主控制芯片，它不僅能達(dá)到本設(shè)計(jì)的使用要求，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所需功能，而且價(jià)格低廉，經(jīng)濟(jì)實(shí)用.此外，它和STC-51系列完全兼容指令系統(tǒng)和管腳，具有51系列單片機(jī)的所有功能和特點(diǎn)，并且，它的工作電源電壓適用范圍很廣，可為2.7-6V，當(dāng)它工作于12Mhz時(shí)，空閑態(tài)和動態(tài)電流分別為1mA和5.5mA，這樣的小功耗非常適合本系統(tǒng)的電池電源.

4 硬件實(shí)現(xiàn)及單元電路設(shè)計(jì)

4.1主控制模塊

4.2顯示模塊電路

4.3數(shù)碼管顯示驅(qū)動電路、

4.4溫度傳感器(DS18B20)電路

4.5蜂鳴器、發(fā)光二極管報(bào)警電路

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1程序結(jié)構(gòu)分析

本控制系統(tǒng)的主程序由三個(gè)子程序組成，分別控制數(shù)碼管的顯示、處理溫度信號、對按鍵進(jìn)行設(shè)定和報(bào)警控制.其中溫度信號處理模塊將完成溫度原始數(shù)據(jù)的接收、處理和顯示功能.

5.2系統(tǒng)程序流程

主程序功能包括溫度的實(shí)時(shí)顯示、處理和顯示DS18B20實(shí)時(shí)測量值，測量時(shí)間間隔為1秒.再將測量值與設(shè)定的報(bào)警溫度比較，從而判斷是否應(yīng)該報(bào)警.

5.2.1DS18B20初始化程序流程

發(fā)復(fù)位命令發(fā)跳過ROM命令初始化成功結(jié)束.

5.2.2讀溫度子程序流程

讀溫度子程序的主要功能是從DS18B20中讀出溫度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)移入溫度暫存器保存.

發(fā)復(fù)位命令發(fā)跳過ROM命令發(fā)讀取溫度命令移入溫度暫存器結(jié)束.

5.3程序仿真結(jié)果

將編寫后的程序進(jìn)行調(diào)試仿真，最終在軟件上可以實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的要求.以下分別是程序在Keil上的調(diào)試仿真結(jié)果和單片機(jī)調(diào)入hex文件后在Proteus中的仿真結(jié)果.

經(jīng)過Keil軟件和Proteus軟件的調(diào)試與仿真，從軟件上驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，為系統(tǒng)硬件上的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)，可以進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)步驟.

6 系統(tǒng)的安裝與調(diào)試

6.1安裝步驟

1.檢查元件的好壞

按電路圖羅列的元件清單買好元件后，首先檢查買來的元件型號、規(guī)格和數(shù)量是否正確，其次再檢查買來的元件是否可以正常工作，即按照各元件的檢測方法進(jìn)行檢測.在檢查好后才可上件、焊件，防止出現(xiàn)錯(cuò)誤焊件后不便改正.

2.放置、焊接各元件

根據(jù)電路圖將元件進(jìn)行放置、焊接，為了操作方便，同時(shí)也能避免操作失誤引起不必要的返工，在電路板的焊接過程中要遵循先低后高的原則，即先焊接位置相對較低的元件，然后焊接其他相對較高的元件.另外，對于特別容易損壞的和精度較高的元件焊接過程需要特別注意，焊接完畢需要檢測其性能的好壞.在焊集成芯片時(shí)注意芯片的安裝方向，并且保證連續(xù)焊接時(shí)間不要超過10s.

6.2電路的調(diào)試

首先接入顯示程序，看顯示正不正常.在調(diào)試程序時(shí)，在排除電路焊接錯(cuò)誤，元器件故障等問題后，發(fā)現(xiàn)有的指令用的不正確，導(dǎo)致電路功能不能完全實(shí)現(xiàn)，通過不斷的修改部分電路和程序后，終于在硬件上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)測溫報(bào)警的功能.

7 結(jié)論

本溫度報(bào)警器，通過單片機(jī)實(shí)時(shí)檢測溫度傳感器DS18B20的狀態(tài)，并將DS18820得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.上電后數(shù)碼管顯示當(dāng)前的環(huán)境溫度，通過按鍵可設(shè)置高低溫報(bào)警值，當(dāng)檢測到的溫度高于設(shè)置的報(bào)警值的時(shí)候，蜂鳴器報(bào)警同時(shí)報(bào)警燈閃爍，溫度檢測精確到0.1度.并具有掉電保存功能，數(shù)據(jù)保存在單片機(jī)內(nèi)部EEPOM中，進(jìn)入設(shè)置界面后如果沒有鍵按下系統(tǒng)會在15秒后自動退出設(shè)置界面.由于采用了4節(jié)干電池供電使系統(tǒng)的抗干擾性得到加強(qiáng).在軟件上，充分利用了STC89C52的系統(tǒng)資源，系統(tǒng)運(yùn)行流暢.

本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，系統(tǒng)反映快速靈活，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，該溫度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案正確、可行，各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定、可靠.此外，若更改部分程序，可以將報(bào)警功能拓展，連接到相關(guān)的預(yù)防設(shè)備上，讓設(shè)備自動采取措施去除警報(bào).例如，可連接至空調(diào)系統(tǒng)或滅火系統(tǒng)，使之采取措施實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)溫度功能等.

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〔2〕周明德.微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

〔3〕何力民.單片機(jī)高級教程[M].北京:北京航空大學(xué)出版社，2000.

〔4〕金發(fā)慶,等.傳感器技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

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1673-260X（2015）12-0024-03