基于DS18B20溫度監測報警系統的設計與實現

徐 雷，崔子晨，劉俊俊，王浩然，李文娟

（亳州學院電子與信息工程系，安徽亳州236800）

溫度是人們生產生活中的一個重要物理參數，在現代工業生產中，溫度直接影響著產品的質量[1]，因此溫度實時監測非常重要[2]，如溫室大棚中的環境溫度監測[1]、水溫控制[4]、工業冷卻系統中的溫度監測[5]、電纜溫度在線監測[6]、鍋爐溫度控制[7]等。為了提高溫度實時監測系統設計效率，需進行仿真設計[7]。本文在溫度監測系統的硬件電路設計之前進行功能的仿真，為硬件設計提供理論支持，利用經過驗證后的硬件電路模塊搭建完成實現環境溫度的監測及超限報警功能，從而縮短監測系統的開發時間。

1 硬件系統設計

智能溫度監測系統的設計包括單片機最小系統、溫度檢測模塊、顯示模塊。

（1）單片機最小系統是整個硬件電路的控制核心，主要包括51單片機芯片、時鐘電路以及復位電路。時鐘電路由兩個30 pF的電容（圖1中的C2和C3）和一個12 MHz的晶振（圖1中的Y1）組成，主要為單片機的工作提供穩定的時鐘。復位電路由一個開關（圖1中的S1)和一個10 μF的電解電容（圖1中的C1）以及一個800 Ω電阻（圖1中的R1）組成，實現按鍵復位功能。

（2）溫度檢測模塊用于實時監測周圍環境的溫度，該模塊由DS18B20 數字溫度傳感器（圖1 中的DS18B20）和一個4.7 kΩ的上拉電阻（圖1中的R4）組成。溫度傳感器DS18B20是由美國DALLAS公司生產的單總線、數字化溫度傳感器[1-3,8]，具有體積小、精度高、功耗低、測量范圍寬、抗干擾能力強等優點。

（3）顯示模塊的主要作用是實時顯示監測到的周圍環境溫度。本設計用LCD1602字符型LCD來實現（由圖1 中的LCD1602 和R2，R3 組成）。字符型LCD1602 是一種專門用于顯示字母、數字、字符等ASCII碼的顯示器，該顯示器采用軟封裝，接口為標準的SIP16引腳，分電源、通信數據和控制3部分，可以很方便地與單片機進行連接[9]。

（4）在采取遠程視頻監測時，考慮到視頻中聽不到任何聲音，所以采用LED燈的亮和滅來標識溫度是否超限。LED燈亮表示溫度超限，LED滅表示溫度在正常的范圍。

硬件系統設計原理圖如圖1所示。

圖1 硬件系統設計原理圖

2 Proteus軟件和Keil軟件的聯合仿真

Proteus軟件是由英國Lab Center Electronics公司開發的EDA工具軟件，是目前世界上最先進、最完整的多型號微處理器系統的設計與仿真平臺[10]。具有強大仿真功能的Proteus軟件雖然較好地解決了外圍電路和單片機混合仿真的問題，但沒有C51仿真功能，Proteus與Keil C的聯合使用可使這兩個仿真軟件優勢互補。組建單片機應用系統在C51條件下的整機虛擬實驗環境，其中Proteus提供硬件仿真與運行環境，Keil提供軟件執行環境[11]。

利用Proteus 7 Professional畫出硬件系統設計的原理圖，利用Keil uVision3集成開發軟件進行程序的編寫，并生成.HEX文件，利用Proteus軟件和Keil軟件進行聯合仿真，軟件設計時，把溫度正常的范圍設定在0～20 ℃（溫度正常范圍可以根據需要，由軟件設定），當溫度大于等于20 ℃或者低于0 ℃，都為溫度超限。溫度沒有超限正值仿真的結果之一如圖2所示，溫度超限正值仿真的結果之一如圖3所示，負值的結果之一如圖4所示。仿真的過程中，用鼠標調節DS18B20模型上的上、下按鈕，模型上的值會以1度的步進發生變化，此時會觀察到LCD1602模型上顯示溫度的值也會隨之發生變化，仿真結果能夠驗證理論的正確性。

圖2 正值仿真的結果之一：16 ℃

圖3 正值仿真的結果之二：正20 ℃

圖4 負值仿真的結果之一：負1 ℃

3 溫度監測報警系統的實現

利用杜邦線將單片機最小模塊、LCD1602 顯示模塊、LED 燈報警模塊以及由DS18B20 為主要器件的測溫模塊組合到一起，搭建智能溫度監測報警系統。搭建智能監測系統時，由于LCD1602顯示模塊的D0-D7使用的是51單片機核心板的P0口，LED燈報警采用的是流水燈模塊中的一個LED燈，因此在搭建的過程中，根據實際情況進行搭建。軟件編寫的時候，把對應的引腳根據實際情況稍作修改即可。溫度沒有超限的正值測試結果之一如圖5所示，溫度超限正值測試結果之一如圖6所示，從測試的結果可知，此設計能夠實現溫度監測報警功能。測試的過程中，可以利用手指捏著DS18B20溫度傳感器，或者用嘴巴向DS18B20 溫度傳感器呼出熱氣，LCD1602 顯示的溫度都會升高，當手指松開或者不再呼出熱氣，溫度會慢慢降下來。負溫度的測試，本文雖然沒有測試，不過可以提供負溫度測試的方法，比如冬天室外溫度為零下時，把此系統拿到戶外，監測戶外溫度。

圖5 溫度沒超限正值測試的結果之一：10.9 ℃

圖6 溫度超限正值測試的結果之一：21.3 ℃

4 總 結

本文在單片機最小系統的基礎上，以DS18B20溫度傳感器為溫度監測模塊，字符型LCD1602為顯示模塊，LED燈為報警模塊，搭建智能溫度監測系統，通過Proteus和Keil軟件仿真的結果驗證了該方案的可行性，利用杜邦線把實際硬件電路模塊與51單片機核心板連接起來，搭建智能溫度監測系統，實現實時監測環境溫度的功能。在設計本監測系統時，軟件仿真為后期的硬件設計提供了理論支持，硬件電路采用已經成功實現功能的電路模塊進行搭建，大大縮短了系統的開發時間，有利于產品占領該領域的市場。