基于單片機的智能多點溫度監測系統設計

賈宇龍

（內蒙古科技大學，內蒙古 包頭 014010）

0 前言

在日常生活、生產和工作中，對多點溫度的測量需求一直是必要的，比如電力及醫療設備過熱監測、物聯網應用，以及危險環境下的溫度測量。而市面上常見的測量方法存在反饋時間長、系統復雜、精度較差、功能良莠不齊等問題。而該系統以單片機為控制中樞，通過多模塊信息交互，實現多點溫度監測等功能，并最終將數據傳輸到PC 機上，可以做到隨時監測，有效提高了多點測溫的效率和質量。

1 功能描述

用4 片DS18B20 傳感器構成溫度采集系統，具有溫度顯示、溫度報警、參數設置和串口遠程操控能力。

主要功能包括8 個方面。1）4 路溫度采集，測溫范圍：-55 ℃～+125 ℃，精度0.1 ℃。2）8 位數碼管顯示，顯示功能包括提示對應的溫度信息、顯示當前通道號以及當前通道的采集溫度、系統參數值（報警上下限和回差）高溫報警時，200 ms 快速閃爍溫度，低溫報警時，1 s 慢速閃爍溫度。3）具有上下限報警功能，用指示燈提示報警，并閃爍當前溫度值。4）4 個按鍵進行人機交互，按鍵功能包括切換顯示通道、修改報警上下限和報警回差（報警范圍-20 ℃～120 ℃）。5）系統參數（報警上下限和回差）掉電不能丟失。6）PC 通過串口命令可以控制采集系統的行為，包括：讀取報警上下限和報警回差、設置報警上下限和報警回差、讀取當前采集的溫度值、開關自動溫度報文功能。7）采樣周期：500 ms。8）USB 供電方式。

2 系統總體方案

系統主要的設計理念是主從分布思想，一方面，單片機系統可單獨工作，用戶采集溫度通過串口實時控制傳輸并且顯示環境各點的溫度值。另一方面，PC 機可發送控制命令給下位機進行溫度采集，也可進行溫度的處理與顯示，使觀測者可以實時得到溫度的變化情況。即PC 機與單片機系統組成兩級主從分布式多點溫度監測系統，最終通過軟硬件設計完成整個系統設計。

3 系統硬件設計

該系統硬件部分主要包括溫度轉換模塊、串口通信模塊、高低溫報警模塊、溫度顯示及控制模塊、溫度存儲模塊，電路設計框圖如圖1 所示。溫度轉換模塊主要負責將DS18B20 傳輸的字節轉換成機器可識別的十進制溫度。溫度顯示模塊用8 位共陰極數碼管。串口通信模塊主要是負責將數據從下位機傳送至上位機，報警電路模塊負責將實時溫度和設定的溫度上下限進行對比，決定是否啟動報警，溫度存儲模塊主要負責存儲報警上下限。

圖1 電路設計框圖

3.1 單片機模塊

單片機采用80C51 單片機作為控制中樞，采用12 MHz的晶振頻率，內部較為完整的結構及總線、SFR 的集中管理模式、面向工業控制的8 位操作系統和面向控制功能的指令系統是該單片機的優勢特點。此外，該單片機內含的時鐘電路需要外接石英晶體和微調電容。

3.2 溫度傳感器模塊

在該系統中，DS18B20 單總線元件與80C51 的連接采用電源供電。DS18B20 是DALLAS 半導體公司研發的一種單總線改進型數字溫度傳感芯片[1]，可直接與單片機連接，它的測溫范圍在-55 ℃～+125 ℃，測量分辨率達到0.0625 ℃，最大的特點是在不進行其余轉換的情況下，可以直接讀取溫度信息，也可由用戶設定具有不易丟失性的報警上下限，而且在單總線工作模式下，允許多個傳感器同時工作，可以實現雙向通信并且具備抗干擾能力，這樣占用端口少且節省了大量的連接線和邏輯電路，實現了多點測量的主要功能。

3.3 溫度顯示模塊

溫度顯示模塊采用8 位共陰LED 數碼管，一端為輸出段碼端，一端為位選端。為了有效節省輸入輸出端口，即節約硬件資源，系統中用動態掃描的方式進行顯示。

3.4 上下限報警模塊

在溫度高于上限或低于下限時，上下限報警模塊提供報警提示。這一模塊是有2 個陽極接電源的發光二極管以及數碼顯示屏組成，當對應引腳為低電平時被點亮，同時數碼管顯示屏上的數字定時閃爍。

3.5 溫度存儲模塊

AT24C02 是Atmel 公司開發的一種低功耗 CMOS 型可編程只讀存儲器芯片[2]。AT24C02 有一個16 字節頁寫緩沖器和一個專門的寫保護端口，用來支持硬件的寫保護。它通過兩線串行電可擦除接口（I2C）總線模式進行數據傳輸操作，所以占用硬件的資源和接口線較少，傳輸時鐘頻率達400 kHz。在程序運行時數據可進行改寫，掉電后數據不丟失，相當于單片機的硬盤。

3.6 按鍵控制模塊

按鍵在人機交互中起著重要作用。該系統從實際出發設定了4 個獨立式按鍵，分別是用來實現切換溫度通道、設置溫度回差、設定報警溫度的上下限和查看上下報警溫度的功能。單片機的輸入輸出口與按鍵接地后直接連接，不會影響其他按鍵的狀態。程序設計為低電平觸發。除此之外，為了確保按鍵閉合后有有效的輸入信號，需要對其進行消抖處理。比起硬件消抖來說，軟件消抖簡單易行，因此采用軟件處理辦法來消除按鍵抖動的影響。

3.7 上位機模塊

系統開始運行后，PC 機與單片機系統組成兩級主從分布式溫度監測系統，兩者通過串行通信線相互連接，由PC 機向單片機傳輸工作方式指令。上位機構成了設計的主系統，主要是在Windows 系統下的PC 機，對整個系統進行控制監測，可發送控制命令給下位機進行溫度采集，在PC 機上也可進行溫度的處理與顯示。下位機80C51 構成從系統。

4 系統軟件設計

4.1 主程序設計

該系統的主程序采用C 語言編程，對不同模塊進行驅動編程、功能定義和接口定義，主要由DS18B20 子程序、AT24C02 子程序、控制按鍵子程序、上下限報警子程序、數碼顯示子程序、菜單設置子程序等組成，進而實現不同模塊間的數據傳輸，最后完成整個運行。

4.2 DS18B20驅動程序設計

分為4 個步驟。1）初始化。2）ROM 操作指令。3）存儲器操作指令。4）數據傳輸。

4.3 AT24C02驅動程序設計

分為4 個步驟。1）起始信號。2）（頁）寫字節和（頁）讀字節。3）等待應答和發送應答。4）終止信號。

5 運行結果

結果表明，Proteus 與Keil 聯調構建的實際電路在仿真系統中運行良好，最終可實現對所需要監測的環境溫度的全面控制， 將測溫數據通過串口通信傳輸給計算機。通過切換對應序號DS18B20 的加溫減溫按鍵，可在數碼管顯示屏上得到對應的序號值和溫度值，測溫范圍為-55 ℃～+125 ℃。

通過調節溫度通道開關設置，按下后不停的在4 個溫度傳感器之間不斷切換，并在數碼管顯示屏上得到此時的序號和溫度。通過調節設置按鈕，可切換3 種設置狀態。1）設置報警上限。2）設置報警下限。3）設置溫度回差，實現控制報警（報警范圍-20 ℃～120 ℃）。在設置狀態下，可通過按下數值加、數值減按鍵，調節對應狀態下的報警上限、報警下限及回差。

如果傳感器溫度高于報警上限，報警模塊中的高溫報警LED 燈亮起，顯示屏200 ms 快速閃爍當前溫度。如果傳感器溫度低于報警下限，報警模塊中的低溫報警LED 燈亮起，顯示屏1 s 慢速閃爍當前溫度。涉及回差時，比如上限溫度40 ℃，不存在回差，那么當溫度超過40 ℃時報警，降到40 ℃以下時取消報警。當設置上限溫度40 ℃，存在回差2 ℃，那么當溫度到40 ℃時報警，回到38 ℃以下時取消報警。

6 結語

該次設計可較好的完成預期設計效果，節省了搭建實物的時間與經費。該系統可用于多種應用場景，在大多數危險環境下可以實現實時監測環境溫度的功能，如果再加上后期控制系統設計、智能控制空調等控溫設備，即可構建完整的環境溫度監測方案，有較強的實用價值。