基于單片機的多點溫度監控系統設計

李嵐彤，陳 滕，李 磊

（1.石家莊鐵道大學，河北 石家莊 050000；2.石家莊鐵路技術學院，河北 石家莊 050000）

0 引 言

隨著人類生活環境日趨復雜化，溫度成為越來越重要的參數，各個場所都對溫度控制提出了嚴格要求，如溫室大棚和醫院病房等，尤其是在一些高精度的生產廠房中，對溫度的要求極其嚴格。溫度的變化很有可能對產品品質造成極大影響，因此需要一種能夠及時檢測溫度變化的設備，提供準確的溫度數據作為參考。多點溫度監控可以根據人們不同的應用環境自行設置該環境的溫度值，及時反映真實的溫度數據，提示人們溫度變化情況，協助人們及時作出調整，起到溫度報警作用，使得溫度控制更好地服務于社會生產。

1 硬件設計

設計基于單片機的多點溫度監控系統時，需要充分考慮主機部分、測溫電路、鍵盤輸入電路、溫度顯示電路以及報警電路的設計。主機部分主要用來控制各個電路的正常工作，進而實現溫度控制，當某個溫度出現低于或超出預設值就需要控制相應的裝置來達到加熱或降溫的目的[1]。測溫電路主要是進行多點溫度測量，然后將數據輸入到主機部分。鍵盤輸入電路主要是通過設計合理的上下限溫度，然后通過主機科學控制溫度。溫度顯示電路主要用于顯示設定的溫度值，以便于工作人員及時掌握溫度數據。報警電路主要是當測量得到的溫度超過上下限值時進行報警提示。

本設計選擇普通的89C51單片機芯片，具有低功耗和高性能的特點，可以方便地應用在各種控制領域。它采用了CMOS工藝和高密度非易失性存儲器技術，輸出引腳和指令系統都與MCS51兼容，由CPU、存儲器以及I/O接口組成。其中，中央處理單元CPU包含運算器和控制器，運算器可以針對4位、8位以及16位數據進行操作，控制器中的程序計數器是程序的字節地址計數器。存儲器的作用是對機器在工作中所產生的數據以及運算的中間結果和數據進行儲存和緩沖等，其中最為主要的功能是用于檢測數據的存儲[2]。

溫度傳感器芯片為DS18B20，具有獨特的單線接口方式，與微處理器接口連接時僅需占用1個I/O端口，并支持多節點，使得分布式溫度傳感器的設計更為簡單。DS18B20在測量溫度時不需要任何外部元件，可以通過數據線直接供電，具有超低功耗的工作方式，其測溫范圍在-55～125 ℃，并可以將溫度轉換值以9位數字碼的方式串行輸出。此外，DS18B20獨特的單線接口僅僅需要1個端口引腳就可以進行通信，多個DS18B20可以并聯在唯一的三線上，進而實現多點組網功能，當溫度超過設定值后溫度計不會因發熱而燒毀，但不能正常工作，這在一定程度上保護了溫度計，延長了溫度計的使用壽命。

LED七段數碼管是由發光二極管組成用來顯示數據的特定顯示器，這種顯示器使用靈活且簡單方便。在某段二極管上施加一定的正向電壓時，該段亮起，否則變暗，另外LED顯示器又分為共陰極和共陽極兩種，發光二極管的陰極連接在一起的稱為共陰極LED顯示器，發光二極管的陽極連接在一起的稱為共陽極LED顯示器。

報警電路的設計采用的是聲光報警電路。蜂鳴器本身的用途非常廣泛，當溫度超過預設值后，蜂鳴器就會自動報警，機器在接收到報警信號后會作出相應的反應，工作人員在聽到機器報警后也可以及時查看是何種故障造成機器報警，進而采取相應的措施以解除報警。按鍵電路幾乎是任何電路都需要的一種電路，可以根據實際需要而分為不同種類，每種按鍵電路的功能也是有些許差異的。本文按鍵電路的使用在于設置溫度的上下限和確定鍵，其他按鍵基本上屬于復位鍵類型。在實踐工作中，這種按鍵不僅可以起到保護電路的作用，而且可以隨時關閉處于非工作狀態的電路板，便于電路的實時控制。每個按鍵占用1個I/O端口，與單片機的引腳進行對接，通過脈沖信號將其工作狀態和數據傳送到中央處理器中，以便于CPU判斷數據的穩定性等狀況。

無線傳輸模塊是硬件設計的最后一個環節，要將兩個芯片設置為接收端和發射端，要想實現兩個芯片之間的正常通信，還需要保證兩個芯片的頻道、地址以及每次發送接收的字節數相同[3]。

2 軟件設計

設計的基于單片機的多點溫度監控系統如圖1所示。先對系統進行初始化操作，取合適的溫度點F1和F2，并將溫度數據傳送到PC機上，然后在溫度顯示后，判斷是否有按鍵，如果有則按照有按鍵處理，如果沒有則需要讀取無線數據。判斷數據是否超出預定值，超出設定值則執行報警功能，沒有超出設定值則需要比較設置溫度與當前溫度的大小差異，通過繼電器進行控制，將控制后的數據重新顯示和比較，如此循環反復。

3 安裝與調試

圖1 多點溫度監控系統程序流程圖

安裝之后的整體電路比較復雜，需要分模塊進行調試，調試過程中發現了一些問題，在初次停電之后沒有任何反應，經過多次嘗試、實驗和以及修正后，終于找到了電路中存在的問題。電路調試中遇到的問題主要包括以下5個方面。第一，初次通電之前因為接線人員的失誤將傳感器接反，導致傳感器發熱，經過仔細檢查后改正了錯誤，在檢查傳感器是否完好后按照正確的連接方式將其重新連接到電路上。第二，通電后顯示器顯示的不是數字而是一些亂碼，這使得實驗不得不再次中止，經過分析亂碼形狀和形態，再加上實際觀察和假設嘗試，發現是其中兩段譯碼芯片與數碼管接反了，更正之后數碼管顯示回復正常。第三，在調試過程中發現顯示器所顯示的溫度比真實的溫度高很多，經過詳細檢查發現其原因是錯將A/D的個位和小數點位接到了顯示器上，經過重新連接后數據恢復正常。第四，每次通電后計數都是從4開始的，一直記到0才會進入到循環，中間所耗費的時間太長，故考慮做一個通電復位的模塊以解決這個問題，使得計數從1開始。第五，在電路焊接過程中采用板子上面的叉指結構作為公共的電源和地，能夠有效減少焊線的使用，提高復雜數字電路系統的使用效率。

4 性能測試與分析

結合計算機仿真和實踐活動兩種方式對單片機的多點溫度監控系統進行性能測試，最終測量得到的溫度差在允許誤差范圍內，而且溫度達到設定的報警溫度時能夠準確報警，說明整個監控系統符合設計要求，系統各個部分都能夠很好發揮各自所承擔的作用和功能。整個實驗所使用的元件和材料是實驗室現有的或可通過其他常見材料代替，元件利用率較好，而且沒有任何浪費的現象，其中單片機芯片具有造價低和使用便捷等優勢，應用在多點溫度監控系統中，不僅可以得到較為準確的監測結果，而且可以節省監測成本，可以推廣應用到各個領域。

5 設計注意事項

基于單片機多點溫度監控系統的設計過程中需要格外注意以下幾點。首先，在系統設計過程中要以實際溫度控制為需求設置限定值，選擇單片機芯片時可以先調查市場上的芯片類型，選擇性價比更高的芯片，為系統設計奠定堅實的基礎。其次，在系統設計時要結合理論知識和實踐經驗，優化多點溫度監控系統方案。再次，在實驗過程中需要集中注意力，認真對待每個細節問題，從而避免在實驗中出現各種各樣的小問題，提高設計工作和實驗驗證的質量和效率。最后，設計多點溫度監控系統后可以先用計算機進行仿真驗證，在仿真驗證沒有出現問題后再進行實踐驗證。調試不能完全依賴計算機仿真驗證結果，這是因為計算機驗證是在相對理性的狀態下進行的，因此只能將其作為參考，實際調試結果還是要以實踐為主[4]。

6 結 論

本文簡單分析了多點溫度監控系統的硬件設計和軟件設計，旨在明確單片機應用到溫度監控系統中的可行性，證實多點溫度監控系統在實際生產生活中具有重要作用和價值。