基于DS18B20的智能測溫系統(tǒng)的設(shè)計

賈海云

摘要：溫度測量在生產(chǎn)生活和工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，傳統(tǒng)溫度計有性能單一、使用壽命短、可靠性低等問題。本設(shè)計采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，結(jié)合單片機AT89S52控制技術(shù)，實現(xiàn)智能測量溫度的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可設(shè)置報警溫度的閾值，當測量溫度超過設(shè)定的警戒溫度上下限時，蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲且指示燈閃爍顯示，產(chǎn)生報警信號，同時具有精度高、抗干擾能力強和硬件開銷低的特點。

關(guān)鍵詞：溫度測量;溫度傳感器DS18B20;單片機AT89S52;報警溫度;蜂鳴器;指示燈

中圖分類號：TP391? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）09-0251-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

1概述

溫度是衡量儀器儀表、電子設(shè)備等器件能否正常工作的一個重要指標，是實現(xiàn)生產(chǎn)自動化需要重點監(jiān)測的一個參數(shù)。常見的溫度測量方法是直接用溫度計讀取，如水銀溫度計，酒精溫度計等，人們可以觀察其刻度值知道當前的溫度。但是這些常見的溫度計存在測溫精度差，讀數(shù)不方便等問題。因此，本設(shè)計選用智能數(shù)字溫度傳感器DS18B20和單片機實現(xiàn)溫度的監(jiān)測。具有單總線接口的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，溫度的轉(zhuǎn)換精度可以有4種，測量溫度范圍比較廣，可編程實現(xiàn)測溫轉(zhuǎn)換精度等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于恒溫控制器、溫度報警系統(tǒng)。

隨著電子技術(shù)和微型計算機的快速發(fā)展，單片機在各行各業(yè)發(fā)揮的作用與日俱增。單片機實際上是把一個微型計算機系統(tǒng)集成在單一芯片上，其具有體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、控制能力強等優(yōu)勢。本設(shè)計采用單片機AT89S52作為控制核心，對環(huán)境溫度進行實時監(jiān)測;采用溫度傳感器DS18B20作為溫度采集的核心器件;溫度的顯示采用4個共陽極數(shù)碼管顯示;通過按鍵設(shè)置上下限報警溫度;若溫度超過限制，啟動蜂鳴器和指示燈實現(xiàn)聲光報警。

2硬件電路的設(shè)計

基于單片機AT89S52的智能溫度監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路在單片機最小系統(tǒng)基礎(chǔ)上，還有溫度傳感器DS18B20構(gòu)成的檢測電路、4個共陽極數(shù)碼管構(gòu)成的溫度數(shù)值顯示電路、蜂鳴器和發(fā)光二極管構(gòu)成的聲光報警電路、電源電路、數(shù)據(jù)下載接口等電路，如圖1所示。

2.1單片機最小系統(tǒng)

單片機的最小系統(tǒng)是保證單片機能正常工作的所必需的最少硬件電路，由復(fù)位電路、時鐘電路、存儲器電路和電源電路組成。復(fù)位電路的作用是為單片機產(chǎn)生復(fù)位信號，保證單片機上電后從一個確定的狀態(tài)開始工作。時鐘電路用來產(chǎn)生時鐘脈沖信號，它就像人類的心臟，缺少了時鐘信號單片機就無法正常運轉(zhuǎn)。存儲器電路讓系統(tǒng)從片內(nèi)程序存儲器中開始執(zhí)行程序。電源電路驅(qū)動單片機，給其提供電能保障。

2.2智能溫度傳感器DS18B20系統(tǒng)

溫度傳感器DS18B20的VDD引腳接+5V的外部電源，GND引腳接地，DQ引腳接單片機的P1.0引腳，為了保證總線空閑時為高電平狀態(tài)，需要接一個大小為10k的上拉電阻，這樣就可以用單總線的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

2.3數(shù)碼管顯示電路

4個共陽極數(shù)碼管構(gòu)成的溫度數(shù)值顯示電路中，位選端選取單片機P3.4、P3.5、P3.6、P3.7引腳，與數(shù)碼管的公共端相接。PNP三極管為驅(qū)動管，其導(dǎo)通時將小電流放大為大電流，驅(qū)動數(shù)碼管工作，使其有足夠的顯示亮度。選取單片機P1口作為控制數(shù)碼管顯示字符的段選端，在某個位選端為高電平時，只要段選端P1口送出需要顯示字符的代碼，數(shù)碼管就能顯示該字符。

2.4聲光報警系統(tǒng)和電源電路

聲光報警系統(tǒng)中蜂鳴器與單片機P2.3引腳相連，用PNP三極管驅(qū)動它。當溫度超過范圍設(shè)定范圍時，蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲，同時二極管閃爍顯示，即可起到聲光報警的作用。電源電路用LM7805穩(wěn)壓器來產(chǎn)生穩(wěn)定的5v電壓。

3系統(tǒng)的程序設(shè)計

本控制系統(tǒng)的設(shè)計以單片機和溫度傳感器DS18B20為核心，DS18B20檢測到的數(shù)據(jù)通過4個數(shù)碼管實時顯示。如果檢測到的溫度超過設(shè)定的警戒值，則聲光報警器開啟工作。因此，程序設(shè)計的模塊涉及主程序、讀取測量溫度子程序、轉(zhuǎn)換溫度值子程序、數(shù)碼管顯示溫度值子程序、聲光報警控制子程序等。

3.1主程序

主程序的作用是先對溫度傳感器DS18B20進行初始化，使其能夠正常檢測溫度;后讀取并處理DS18B20的測量的溫度值，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的溫度的上限或下限判斷是否要進行聲光報警，并通過數(shù)碼管顯示當前測量到的溫度。系統(tǒng)一通電，溫度傳感器就開始工作，對環(huán)境溫度進行測量，并計算溫度的大小，通過DQ端將數(shù)據(jù)傳送給單片機P2.4引腳進行處理，處理后的數(shù)據(jù)再通過單片機P1口傳送給數(shù)碼管，數(shù)碼管按動態(tài)顯示的原理顯示數(shù)值。接在單片機P2口的按鍵可以設(shè)置產(chǎn)生溫度報警信號的閾值，當超過閾值時，單片機的P2.3引腳由低電平變?yōu)楦唠娖絾勇暪鈭缶３绦蛑忻扛?秒就對溫度測量一次，可以起到實時監(jiān)測的作用，保證整個環(huán)境溫度處于可控范圍內(nèi)。

3.2讀取測量溫度子程序

溫度傳感器DS18B20的訪問操作涉及初始化操作、讀數(shù)操作和寫數(shù)操作。初始化的作用是確定系統(tǒng)中是否存在DS18B20。如果存在，則初始化成功，可以進行讀寫操作;否則，數(shù)碼管顯示4個“-”以提示錯誤。單片機從DS18B20中讀數(shù)時，DS18B20是以字節(jié)為單位向單總線發(fā)送數(shù)據(jù)，先發(fā)送低位，后發(fā)送高位。讀取測量溫度子程序的主要作用是讀出存放在數(shù)據(jù)存儲器中的9字節(jié)。

3.3 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序

溫度傳感器DS18B20進行溫度轉(zhuǎn)換時需要一定時間，啟動溫度轉(zhuǎn)換命令后需要延長一段時間后，才能讀取溫度轉(zhuǎn)換值;否則，所讀的數(shù)據(jù)是錯誤。溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要作用是發(fā)送開始進行溫度轉(zhuǎn)換的命令，由于DS18B20的溫度轉(zhuǎn)換時間大約需要750毫秒，特采用延時1秒的子函數(shù)，等待轉(zhuǎn)換的完成。首先發(fā)復(fù)位命令使溫度傳感器DS18B20恢復(fù)到一個確定的初始狀態(tài)，然后發(fā)跳過程序存儲器的命令，最后發(fā)送開始進行溫度轉(zhuǎn)換命令，這樣就可以順利地完成溫度轉(zhuǎn)換。

3.4數(shù)碼管顯示子程序

4位數(shù)碼管采用動態(tài)掃描的方式顯示相應(yīng)位的數(shù)值，先控制需要顯示的數(shù)碼管，讓其位選端為高電平，其他3個數(shù)碼管位選端為低電平處于無效狀態(tài)，再給這個發(fā)光的數(shù)碼管送相應(yīng)的字型碼;按照相同的顯示原理，依次點亮其余的數(shù)碼管，由于人眼的視覺停留，感覺這4個數(shù)字是同時被點亮的。計算溫度子程序?qū)AM中讀取值進行BCD碼的轉(zhuǎn)換運算，取出個位、十位、小數(shù)點后面的1位，并進行溫度值正負的判定，通過調(diào)用數(shù)碼管顯示函數(shù)，就可以顯示相應(yīng)的字符。

3.5 聲光報警控制子程序設(shè)計

聲光報警控制程序設(shè)置低溫報警和高溫報警，先讀出檢測到的溫度，再和設(shè)定閾值進行比較，當預(yù)先設(shè)定的報警溫度值中的最大值或最小值超出初始設(shè)置的閾值，轉(zhuǎn)去執(zhí)行定時器T0編寫中斷服務(wù)函數(shù)，從而控制蜂鳴器和發(fā)光二極管的狀態(tài)，發(fā)揮聲光報警作用。

4測試與結(jié)果分析

本設(shè)計系統(tǒng)的硬件電路原理圖是在 Proteus仿真平臺上繪制完成，用C語言在Keil軟件中編寫控制程序，編寫程序時要注意按模塊設(shè)計，程序編寫完畢后要進行調(diào)試，直至顯示沒有錯誤并生成.hex文件。然后，用Proteus仿真平臺測試，看程序設(shè)計是否符合設(shè)計要求。單片機是整個控制系統(tǒng)的核心，為其添加.hex文件，點擊運行按鈕開始仿真，可以觀察到單片機一上電時數(shù)碼管顯示的是四個一，代表系統(tǒng)能正常工作。

單片機上電后對程序進行初始化，檢測溫度傳感器DS18B20狀態(tài)，調(diào)節(jié)溫度傳感器DS18B20的數(shù)值，數(shù)碼管顯示模塊顯示對應(yīng)的數(shù)值。如果調(diào)節(jié) DS18B20芯片上表示溫度變化的箭頭，DS18B20芯片上顯示的溫度與數(shù)碼管顯示的溫度相同，說明溫度測量的設(shè)計是符合要求的。

當溫度超過設(shè)置的閾值的上限或下限時，系統(tǒng)會啟動聲光報警電路，蜂鳴器會發(fā)出“唧……唧……唧”蜂鳴聲，同時LED燈會閃爍。當系統(tǒng)未成功檢測到溫度傳感器DS18B20，或出現(xiàn)其他異常時，數(shù)碼管所有管段全部發(fā)光以提示錯誤。

5結(jié)論

生產(chǎn)生活中，對糧倉、儲罐、電訊機房、電力機房等易發(fā)生火災(zāi)的地方進行溫度測量十分重要。人們根據(jù)監(jiān)測到的溫度可以采取相對應(yīng)的措施，起到保護人身安全和財產(chǎn)安全的作用。DS18B20是一個能輸出數(shù)字信號的數(shù)字溫度傳感器，具有體積小、功耗低、測量精度高、抗干擾能力強等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和自動化生產(chǎn)領(lǐng)域中。因此，本文設(shè)計了一種基于DS18B20的智能溫度測量系統(tǒng)，按照設(shè)計要求搭建的仿真系統(tǒng)可以正常運行，仿真結(jié)果達到預(yù)期。本設(shè)計依托單片機最小系統(tǒng)，以溫度傳感器DS18B20為溫度檢測核心，利用Proteus仿真平臺和Keil編程軟件實現(xiàn)了實時監(jiān)測環(huán)境溫度的功能，符合設(shè)計要求。

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【通聯(lián)編輯：梁書】