【正文】 1 智能溫度 控制 報(bào)警器設(shè)計(jì) 電子與信息工程系 電子信息工程 ************* *** 指導(dǎo)老師 *** 【摘 要】 本系統(tǒng) 是基于單片機(jī)的智能溫度報(bào)警控制器的設(shè)計(jì) 。以 STC89C52 為核心， 采用溫度傳感器 DS18B20 作為溫度檢測(cè)器，在液晶顯示屏上顯示實(shí)時(shí)溫度。 本溫度計(jì)屬于多功能溫度計(jì)，它不僅可以實(shí)時(shí)顯示溫度，還可以設(shè)置上下限報(bào)警溫度。當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)置的上限溫度或者低于下限溫度時(shí)，蜂鳴器鳴響報(bào)警，同時(shí)利用繼電器切斷電源，起到保護(hù)電路的作用。 【關(guān)鍵詞】 智能溫度； DS18B20；報(bào)警 引 言 溫度與人們的生活息息相關(guān)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，對(duì)溫度的檢測(cè)也顯得越來(lái)越重要。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)上，溫 度對(duì)大規(guī)模化的農(nóng)作物 生產(chǎn)起到了關(guān)鍵作用，直接影響了農(nóng)作物的生長(zhǎng)和生產(chǎn)。因此掌握溫度的變化顯得尤其重要， 而傳統(tǒng)的溫度計(jì) 需要人工的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，浪費(fèi)時(shí)間人力等 顯然已經(jīng)不能適用了。在現(xiàn)代工業(yè)上，溫度對(duì)機(jī)器的影響也不容忽視，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)稍有不慎輕則造成設(shè)備的故障，重則造成人員傷亡。 特別是針對(duì)一些高危設(shè)備，人工的溫度檢測(cè)不僅麻煩，容易造成誤差，而且對(duì)于 檢測(cè) 人員又有一定的危險(xiǎn)性。 于是對(duì)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控就顯得至關(guān)重 要了。 本設(shè)計(jì)以 溫度傳感器 DS18B20 為測(cè)溫元件， STC89C52 為核心， 讀取溫度信息并寫(xiě)入控制信息：在液晶顯示屏上顯示溫度，設(shè)置溫度的上下限。 我們可以針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境設(shè)置不同需求的溫度上下限，當(dāng)被測(cè)物體溫度超過(guò)上限或低于下限溫度時(shí)，蜂鳴器響動(dòng)報(bào)警同時(shí)繼電器斷開(kāi)電路。 本溫度計(jì)的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的溫度計(jì)相比， 不僅可以減少了人力的溫度檢測(cè)，而且 具有 測(cè)量準(zhǔn)確 、體積小、 壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。 方案比對(duì) 方案一 在本設(shè)計(jì)中也可采用熱敏電阻或者熱電偶之類(lèi)的作為測(cè)溫原件，它們的工作原理是熱電阻的電阻值隨著 溫度的變化而變化，進(jìn)而將被測(cè)的電流或者電壓采集過(guò)來(lái)。如此對(duì)電路的設(shè)計(jì)會(huì)比較麻煩，軟件設(shè)計(jì)也會(huì)比較復(fù)雜，需要用 A/D 轉(zhuǎn)換后在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 方案二 在很多單片機(jī)測(cè)溫電路中，大都是使用溫度傳感器。測(cè)溫范圍廣，精度高，且電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。其中溫度傳感器 DS18B20 體積小，精度高，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，且容易直接讀取被測(cè)溫度，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 綜合以上兩種方案，我們采用方案二，其電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，用單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)基本功能，軟件設(shè)計(jì)也較簡(jiǎn)單，所以采用方案二。 總體方案設(shè)計(jì)圖 溫度報(bào)警器總體方案設(shè)計(jì)如圖 1 所示 ,控制器采用單片機(jī) STC89S52,可任意設(shè)定上下限溫度報(bào)警功能；采用 DS18B20 作為溫度傳感器 ,測(cè)溫范圍為 50℃ 110℃，誤差小于 ℃；用 LCD 液晶屏實(shí)現(xiàn)溫度及時(shí)間日期顯示 。 2 圖 1 總體方案設(shè)計(jì)圖 本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。該系統(tǒng)包含 溫度采集模塊、 顯示模塊、電源模塊、報(bào)警模塊、按鍵模塊等幾個(gè)部分組成。 溫度采集模塊用來(lái)采集實(shí)時(shí)溫度； 顯示模塊用來(lái)顯示溫度，日期和時(shí)間；按鍵模塊用于設(shè)置溫度的上下限報(bào)警；電源模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電；報(bào)警模 塊即當(dāng)溫度超過(guò)上下限時(shí)進(jìn)行報(bào)警提醒。其工作過(guò)程為：利用溫度傳感器 DS18B20 檢測(cè)環(huán)境溫度，在不同的應(yīng)用環(huán)境設(shè)置不同的上下限溫度，通過(guò) 液晶顯示器 顯示實(shí)時(shí)溫度和時(shí)間，當(dāng)環(huán)境溫度值不在所設(shè)的范圍內(nèi)時(shí)，蜂鳴器報(bào)警提醒。同時(shí)拓展功能上，如有需要利用繼電器斷開(kāi)外圍電路，起到保護(hù)電路等作用。 2. 系統(tǒng) 組成及原理 本系統(tǒng)包含 溫度采集模塊、液晶顯示模塊、電源模塊、控制模塊、報(bào)警模塊等 5 個(gè)主要模塊。 溫度采集模塊 圖 溫度采集 電路 圖 中 DS18B20 溫度傳感器是美國(guó) DALLAS 半導(dǎo)體公司推出的一種改進(jìn) 型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比，它能直接獨(dú)處被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)。 DS18B20 主要特點(diǎn) 溫度采集模塊采用溫度傳感器 DS18B20 測(cè)取溫度信息，然后使用單片機(jī) STC89C52 與溫度傳感器進(jìn)行通訊，讀取溫度信息。 DS18B20 的主要特點(diǎn)如下： (1) 體積小，零待機(jī)功耗。 (2) 測(cè)溫范圍廣、精度高，測(cè)溫分辨率可達(dá) ℃。 (3) 無(wú)需外部器件，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。 (4) 溫度信息讀取方便，僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信。 單片機(jī)復(fù)位 設(shè)置上下線(xiàn)報(bào)警 輔助電路 控制器 STC89C52 液晶顯示 拓展功能 DS18B20 3 DS18B20 工 作原理 [1] DS18B20 的測(cè)溫原理如圖 所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器 1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器 2 的脈沖輸入，圖中還隱含著計(jì)數(shù)門(mén)，當(dāng)計(jì)數(shù)門(mén)打開(kāi)時(shí)， DS18B20 就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量。計(jì)數(shù)門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來(lái)決定，每次測(cè)量前，首先將 55 ℃ 所對(duì)應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器 1和溫度寄存器被預(yù)置在 55 ℃ 所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器 1 對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0 時(shí)溫度寄存器的值將加 1，減法計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器 1 重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器 2 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。圖 中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線(xiàn)性，其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門(mén)仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過(guò)程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測(cè)溫度值，這就是 DS18B20 的測(cè)溫 原理。 圖 DS18B20 測(cè)溫原理圖 液晶顯示模塊 在溫度報(bào)警器的工作過(guò)程中 ,系統(tǒng)需要對(duì)實(shí)時(shí)的溫度和時(shí)間進(jìn)行顯示。使用 液晶顯示器 顯示。在本設(shè)計(jì)中采用 LCD1602 液晶顯示器，它的主要特點(diǎn)如下 [2]： (1)分表率高，顯示質(zhì)量好 (2) 數(shù)字式接口，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作方便。 (3) 體積小，重量輕。 (4) 壽命長(zhǎng)， 功耗低。 比較 低溫度系數(shù)晶振 =0 溫度寄存器 預(yù)置 Lsb 置位 /清除 的 低溫度系數(shù)晶振 計(jì)數(shù)器 2 =0 停止 斜率累加器 預(yù)置 計(jì)數(shù)器 1 4 圖 顯示 電路 顯示模塊采用的是 LCD1602 液晶顯示器，圖 中 滑動(dòng)變阻器 R31 用來(lái)調(diào)節(jié) LCD1602 的亮度，使顯示的更加清楚。 溫度報(bào)警器 的 電源模塊 圖 電源電路 系統(tǒng)僅需要單個(gè)電源， STC89C52 使用 5V 穩(wěn)壓電源。采用三端穩(wěn)壓集成 7805 得到 +5V 的穩(wěn)定電壓。利用該方法 方便簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠。 電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網(wǎng) 220V 交流電壓變換成 12V 的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副變電壓確定。 整流電路：利用單向掉電元件，把 59HZ 的正弦交流電變換成脈動(dòng)的直流電。 濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以 濾除，從而得到比較平滑的直流電壓。 5 穩(wěn)壓電路：芯片 7805 穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)和負(fù)載的變化而變化。 整流電路采用二極管橋式整流電路，在 U 正半周，二極管 D D9 導(dǎo)電， D D7 截止； U 的負(fù)半周時(shí)， D D7 導(dǎo)電， D D9 截止。正負(fù)半周均有電流流過(guò)負(fù)載，而且無(wú)論在正半周還是負(fù)半周，流過(guò)負(fù)載的電流方向是一致的，因而使輸出電壓的直流成分得到提高，脈沖成分被降低。 橋式整流電路無(wú)需采用具有中心抽頭的變壓器，仍能達(dá)到全波整流的目的 。 溫度報(bào)警器 的 控制 模塊 圖 溫度報(bào)警器 主 控制電路 控制器主要用于 對(duì) 各模塊控制 顯示、報(bào)警、計(jì)時(shí)等。采用 STC89C52 作為系統(tǒng)控制器的 CPU 方案。該 單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程 較 靈活、自由度大，可以用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛 [3]。 單片機(jī)外圍復(fù)位電路 6 圖 單片機(jī)復(fù)位電路 要使主控芯片在上電時(shí)能正常復(fù)位，按照要求執(zhí)行程序， 必須在上電位時(shí)給主控單片機(jī)提供至少兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電位復(fù)位脈沖。 圖 是采用的上電復(fù)位 電路， 該電路在上電瞬間電源 通過(guò)拉地的 10K 電阻充電 ，開(kāi)始時(shí)的電流最大， 電阻兩端的電壓最高，而后慢慢減小，直到電容充電完畢，電阻兩端便保持低電平。此變化經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部施密特觸發(fā)器整形后便成了上電瞬間的一個(gè)高電平脈沖，只要這個(gè)脈沖保持兩個(gè)機(jī)器周期以上便可以正常復(fù)位了 [4]。 單片機(jī)外圍時(shí)鐘電路 圖 單片機(jī)外圍時(shí)鐘電路 圖 的電路 主要用來(lái)給單片機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)鐘。這里我們采用的是 12MHz 晶振，也就時(shí)說(shuō)單片機(jī)的時(shí)鐘周期為 1/12181。S，指令周期為 1181。S[4]。 溫度報(bào)警器 的 報(bào)警 模塊 圖 溫度 報(bào)警器的報(bào)警 電路 7 報(bào)警電路采用的是 LED 燈和蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，其作用是當(dāng)溫度不在設(shè)定的范圍內(nèi)， LED 燈亮，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警。以此來(lái)提醒用戶(hù)該注意實(shí)時(shí)的溫度，避免因?yàn)闇囟鹊脑蚨鴰?lái)的損害。 3. 系統(tǒng) 程序 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，溫度轉(zhuǎn)換命令子程序，計(jì)算溫度子程序，顯示數(shù)據(jù)子程序等。 主程序流程圖 圖 主程序流程圖 如圖 所示主程序的主要功能是負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示溫度，設(shè)置報(bào)警溫度線(xiàn)，每一秒進(jìn)行讀出處理DS18B20 測(cè)量的溫度值。 溫度讀取轉(zhuǎn)換流程圖 如圖 溫度讀取程序主要是讀出 RAM 中的 9 字節(jié)，再進(jìn)行 CRC 校驗(yàn)，校驗(yàn)有錯(cuò)時(shí)直接結(jié)束程序，不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫(xiě)。 如圖 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開(kāi)始命令。 初始化 讀取溫度 設(shè)置鍵是否按下 讀