實時溫度檢測顯示與報警系統

貴州師范大學 陳芳芳 蒲定紅 劉萬松

實時溫度檢測顯示與報警系統

貴州師范大學 陳芳芳 蒲定紅 劉萬松

基于STC89C516RD+單片機和DS18B20數字溫度傳感器的溫度測量及報警系統的設計，主要闡述了硬件電路的原理和軟件設計方法，設計的系統能實現溫度采集、顯示、報警等功能。

STC89C516RD+單片機；DS18B20；報警系統

0 引言

基于STC89C516RD+單片機和DS18B20數字溫度傳感器的溫度測量及報警系統的主要構成是利用STC89C516RD+單片機作為核心控制部件，DS18B20溫度傳感器為溫度采集模塊，DS18B20測量范圍為-55℃～+125℃，精度為±0.5℃，顯示器采用六位七段數碼管進行實時溫度顯示。系統能實現溫度采集、實時顯示，還可以通過按鍵設置溫度報警上限值及下限值，當溫度超過設置范圍時，蜂鳴器報警，LED燈閃爍。

1 實時溫度檢測顯示與報警系統的功能要求

1.1 系統功能要求

根據實際需要，本系統設計有如下幾個功能：（1）實時溫度采集；（2）顯示溫度；（3）串行傳送數據；（4）溫度超限報警；（5）可擴展，形成多點溫度采集系統，具有遠程監控等功能。

1.2 系統結構框圖及模塊功能

系統設計與STC89C516RD+單片機為核心，包括時鐘模塊、按鍵模塊、溫度采集模塊、溫度顯示模塊、報警模塊的等。系統功能結構框圖如圖1所示：

圖1 系統功能結構框圖

STC89C516RD+單片機：STC89C51RD+單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗的單片機，指令碼完全兼容傳統8051單片機，是系統的核心部件，控制各模塊有序地工作。

時鐘模塊：用于產生單片機工作所需的時鐘信號。

按鍵模塊：按鍵模塊采用的是輕觸獨立按鍵設計，有三個按鍵，分別實現的功能是溫度的調大和調小以及復位。

溫度采集模塊和微處理器：溫度采集采用的是DS18B20溫度傳感器，系統上電后，STC89C516RD+單片機驅動溫度傳感器DS18B20工作，進行溫度數據采集、傳輸。

溫度顯示模塊：STC89C516RD+單片機在接收到溫度傳感器DS18B20傳送過來的溫度數據后，進行處理，將實時溫度發送到數碼管顯示出來。

蜂鳴器報警模塊：報警模塊是蜂鳴器，當所采集的溫度超過所設置的上限值或者低于所設置的下限值時，指示燈閃爍，蜂鳴器就會報警，發出聲音。

指示燈模塊：三個獨立按鍵，每個按鍵對應一個LED指示燈，當系統上電后，當調節溫度的上下限值時，指示燈會亮。若指示燈的光出現閃爍狀態，表示溫度超過設置的初始值，這時蜂鳴器就會報警。

2 系統主要電路設計

系統主控芯片采用STC89C516RD+，外接模塊有DS18B20、獨立鍵盤、音頻放大器及六位數碼管等，以下是系統各個電路模塊的具體設計。

2.1 系統電路原理圖

系統電路原理圖如圖2所示：

圖2 系統電路原理圖

2.2 溫度采集與顯示

溫度采集與顯示電路圖如圖3所示：

圖3 溫度采集與顯示

溫度采集采用的是DS18B20溫度傳感器，系統上電后，STC-89C516RD+單片機驅動溫度傳感器DS18B20工作，進行溫度數據采集、溫度采集信號并經P3.7送入單片機內部。溫度大小的顯示過程，由單片機的P0口送出溫度的顯示信號，經74HC573驅動放大后，用六位七段數碼管動態顯示實時溫度值。

2.3 按鍵控制電路與指示模塊

系統按鍵控制電路與指示模塊如圖4所示：

圖4 系統按鍵控制電路與指示模塊

圖4所示的按鍵電路圖，Set、Add、Sub三個獨立按鍵的一端分別連接單片機P1口的P1.0，P1.1和P1.2引腳，另一端均接地。Set為溫度報警門限設置按鍵，Add加值，Sub減值。P1.3，P1.4和P1.5分別連接三個發光二極管D11、D12、D13，實現按鍵指示及溫度報警提示。Set按一次進入中斷，Add按鍵對報警溫度上限進行設置，同時按鍵指示燈指示；Set按第二次，Sub按鍵對報警溫度下限進行設置；當再次按下Set按鍵時退出中斷，繼續顯示實時溫度值。測試溫度超出溫度門限值時報警。

圖4所示的按鍵電路圖，Set、Add、Sub三個獨立按鍵的一端分別連接單片機P1口的P1.0，P1.1和P1.2引腳，另一端均接地。Set為溫度報警門限設置按鍵，Add加值，Sub減值。P1.3，P1.4和P1.5分別連接三個發光二極管D11、D12、D13，實現按鍵指示及溫度報警提示。Set按一次進入中斷，Add按鍵對報警溫度上限進行設置，同時按鍵指示燈指示；Set按第二次，Sub按鍵對報警溫度下限進行設置；當再次按下Set按鍵時退出中斷，繼續顯示實時溫度值。測試溫度超出溫度門限值時報警。

2.4 音頻放大與報警電路模塊

音頻放大與報警電路模塊如圖5所示：

圖5 音頻放大與報警電路模塊

圖6 系統程序設計流程圖

圖5 所示中，音頻放大與報警電路模塊主要由三級管、蜂鳴器BZ和限流電阻組成，音頻信號由單片機P3.6送出。當P3.6為低時，BZ發出報警聲，聲音脈寬不同發出的聲音不同。BZ是無源蜂鳴器，單片機需要輸出PWM波才可以讓蜂鳴器發出報警聲。三極管發射級電壓VCC可以根據蜂鳴器電壓要求來選擇，但電壓最大值不能超過三極管的耐壓值。

3 系統軟件設計

3.1 設計要點

(1)DS18B20的供電方式選擇外接電源的方式，通過單線連接到智能芯片的一個I/O口上。

(2)DS18B20與單片機之間采用串行數據傳送，在對DS18B20進行讀寫編程時，必須嚴格保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果。DS18B20的一線工作協議流程是：初始化→ROM操作指令→存儲器操作指令→數據傳輸。其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序。

(3)在DS18B20測溫程序設計中，向DS18B20發出溫度轉換命令后，程序總要等待返回信號，一旦DS18B20接觸不好或斷線，當程序讀該DS1820時，將沒有返回信號，程序進入死循環。

3.2 程序流程圖

系統程序設計流程圖如圖6所示。

4 硬件仿真與電路制作

4.1 基于開發板的硬件仿真

采用普中科技的HC6800-EM2.2實驗開發板，用Keil C51進行程序的編譯調試，PZISP自動下載軟件下載燒寫到單片機。圖7所示為普中科技HC6800-EM2.2實驗開發板，用杜邦線或者排線將各個模塊按照電路原理圖上的次序連接。用USB連接電腦并下載編譯通過的.hex文件到單片機中，得到的實際效果。

圖7 HC6800-EM2.2實驗開發板

4.2 電路制作與調試

制作與調試的實時溫度檢測顯示與報警系統電路板如圖8所示。

圖8 制作的溫度檢測與顯示電路

左圖片為溫度下限值，右圖片為溫度上限值，中間圖片為顯示的實時溫度。

[1]劉萬松,曹曉龍．微型計算機原理及應用實驗教程[M]．成都:西南交通大學出版社,2013．

[2]張毅剛,彭喜元,彭宇．單片機原理及應用(第2版)[M]．北京:高等教育出版社,2010．

[3]閻石．數字電子技術基礎(第5版)[M]．北京:高等教育出版社,2006．

[4]楊宗德．Proteus DXP電路設計制版100例[M]．北京:人民郵電出版社,2005．

[5]邊春遠,王志強．MCS-51單片機應用開發實用子程序[M]．北京:人民郵電出版社,2005．

[6]高峰．單片微型計算機原理與接口技術(第2版)[M]．北京:科學出版社,2007．

劉萬松（1968—），男，副教授，貴州師范大學物理與電子科學學院系主任，研究方向：EDA技術。

貴州省高等學校教學研究與改革項目《電子系統設計與創新能力培養課程教學體系的研究與實踐》（合同編號：[2016]（2）第10號）；貴州師范大學課程—團隊建設項目《單片機原理及應用課程團隊》（項目編號：KT2014007H）。