貴州師范大學(xué) 陳芳芳 蒲定紅 劉萬(wàn)松

實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)顯示與報(bào)警系統(tǒng)

貴州師范大學(xué) 陳芳芳 蒲定紅 劉萬(wàn)松

基于STC89C516RD+單片機(jī)和DS18B20數(shù)字溫度傳感器的溫度測(cè)量及報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要闡述了硬件電路的原理和軟件設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)溫度采集、顯示、報(bào)警等功能。

STC89C516RD+單片機(jī)；DS18B20；報(bào)警系統(tǒng)

0 引言

基于STC89C516RD+單片機(jī)和DS18B20數(shù)字溫度傳感器的溫度測(cè)量及報(bào)警系統(tǒng)的主要構(gòu)成是利用STC89C516RD+單片機(jī)作為核心控制部件，DS18B20溫度傳感器為溫度采集模塊，DS18B20測(cè)量范圍為-55℃～+125℃，精度為±0.5℃，顯示器采用六位七段數(shù)碼管進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度顯示。系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)溫度采集、實(shí)時(shí)顯示，還可以通過(guò)按鍵設(shè)置溫度報(bào)警上限值及下限值，當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)置范圍時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，LED燈閃爍。

1 實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)顯示與報(bào)警系統(tǒng)的功能要求

1.1 系統(tǒng)功能要求

根據(jù)實(shí)際需要，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有如下幾個(gè)功能：（1）實(shí)時(shí)溫度采集；（2）顯示溫度；（3）串行傳送數(shù)據(jù)；（4）溫度超限報(bào)警；（5）可擴(kuò)展，形成多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及模塊功能

系統(tǒng)設(shè)計(jì)與STC89C516RD+單片機(jī)為核心，包括時(shí)鐘模塊、按鍵模塊、溫度采集模塊、溫度顯示模塊、報(bào)警模塊的等。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖

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

時(shí)鐘模塊：用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需的時(shí)鐘信號(hào)。

按鍵模塊：按鍵模塊采用的是輕觸獨(dú)立按鍵設(shè)計(jì)，有三個(gè)按鍵，分別實(shí)現(xiàn)的功能是溫度的調(diào)大和調(diào)小以及復(fù)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(tǒng)上電后，STC89C516RD+單片機(jī)驅(qū)動(dòng)溫度傳感器DS18B20工作，進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集、傳輸。

溫度顯示模塊：STC89C516RD+單片機(jī)在接收到溫度傳感器DS18B20傳送過(guò)來(lái)的溫度數(shù)據(jù)后，進(jìn)行處理，將實(shí)時(shí)溫度發(fā)送到數(shù)碼管顯示出來(lái)。

蜂鳴器報(bào)警模塊：報(bào)警模塊是蜂鳴器，當(dāng)所采集的溫度超過(guò)所設(shè)置的上限值或者低于所設(shè)置的下限值時(shí)，指示燈閃爍，蜂鳴器就會(huì)報(bào)警，發(fā)出聲音。

指示燈模塊：三個(gè)獨(dú)立按鍵，每個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)一個(gè)LED指示燈，當(dāng)系統(tǒng)上電后，當(dāng)調(diào)節(jié)溫度的上下限值時(shí)，指示燈會(huì)亮。若指示燈的光出現(xiàn)閃爍狀態(tài)，表示溫度超過(guò)設(shè)置的初始值，這時(shí)蜂鳴器就會(huì)報(bào)警。

2 系統(tǒng)主要電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控芯片采用STC89C516RD+，外接模塊有DS18B20、獨(dú)立鍵盤、音頻放大器及六位數(shù)碼管等，以下是系統(tǒng)各個(gè)電路模塊的具體設(shè)計(jì)。

2.1 系統(tǒng)電路原理圖

系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)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(tǒng)上電后，STC-89C516RD+單片機(jī)驅(qū)動(dòng)溫度傳感器DS18B20工作，進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集、溫度采集信號(hào)并經(jīng)P3.7送入單片機(jī)內(nèi)部。溫度大小的顯示過(guò)程，由單片機(jī)的P0口送出溫度的顯示信號(hào)，經(jīng)74HC573驅(qū)動(dòng)放大后，用六位七段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示實(shí)時(shí)溫度值。

2.3 按鍵控制電路與指示模塊

系統(tǒng)按鍵控制電路與指示模塊如圖4所示：

圖4 系統(tǒng)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(gè)獨(dú)立按鍵的一端分別連接單片機(jī)P1口的P1.0，P1.1和P1.2引腳，另一端均接地。Set為溫度報(bào)警門限設(shè)置按鍵，Add加值，Sub減值。P1.3，P1.4和P1.5分別連接三個(gè)發(fā)光二極管D11、D12、D13，實(shí)現(xiàn)按鍵指示及溫度報(bào)警提示。Set按一次進(jìn)入中斷，Add按鍵對(duì)報(bào)警溫度上限進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)按鍵指示燈指示；Set按第二次，Sub按鍵對(duì)報(bào)警溫度下限進(jìn)行設(shè)置；當(dāng)再次按下Set按鍵時(shí)退出中斷，繼續(xù)顯示實(shí)時(shí)溫度值。測(cè)試溫度超出溫度門限值時(shí)報(bào)警。

圖4所示的按鍵電路圖，Set、Add、Sub三個(gè)獨(dú)立按鍵的一端分別連接單片機(jī)P1口的P1.0，P1.1和P1.2引腳，另一端均接地。Set為溫度報(bào)警門限設(shè)置按鍵，Add加值，Sub減值。P1.3，P1.4和P1.5分別連接三個(gè)發(fā)光二極管D11、D12、D13，實(shí)現(xiàn)按鍵指示及溫度報(bào)警提示。Set按一次進(jìn)入中斷，Add按鍵對(duì)報(bào)警溫度上限進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)按鍵指示燈指示；Set按第二次，Sub按鍵對(duì)報(bào)警溫度下限進(jìn)行設(shè)置；當(dāng)再次按下Set按鍵時(shí)退出中斷，繼續(xù)顯示實(shí)時(shí)溫度值。測(cè)試溫度超出溫度門限值時(shí)報(bào)警。

2.4 音頻放大與報(bào)警電路模塊

音頻放大與報(bào)警電路模塊如圖5所示：

圖5 音頻放大與報(bào)警電路模塊

圖6 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖

圖5 所示中，音頻放大與報(bào)警電路模塊主要由三級(jí)管、蜂鳴器BZ和限流電阻組成，音頻信號(hào)由單片機(jī)P3.6送出。當(dāng)P3.6為低時(shí)，BZ發(fā)出報(bào)警聲，聲音脈寬不同發(fā)出的聲音不同。BZ是無(wú)源蜂鳴器，單片機(jī)需要輸出PWM波才可以讓蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。三極管發(fā)射級(jí)電壓VCC可以根據(jù)蜂鳴器電壓要求來(lái)選擇，但電壓最大值不能超過(guò)三極管的耐壓值。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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

(2)DS18B20與單片機(jī)之間采用串行數(shù)據(jù)傳送，在對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí)，必須嚴(yán)格保證讀寫(xiě)時(shí)序，否則將無(wú)法讀取測(cè)溫結(jié)果。DS18B20的一線工作協(xié)議流程是：初始化→ROM操作指令→存儲(chǔ)器操作指令→數(shù)據(jù)傳輸。其工作時(shí)序包括初始化時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序和讀時(shí)序。

(3)在DS18B20測(cè)溫程序設(shè)計(jì)中，向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待返回信號(hào)，一旦DS18B20接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS1820時(shí)，將沒(méi)有返回信號(hào)，程序進(jìn)入死循環(huán)。

3.2 程序流程圖

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

4 硬件仿真與電路制作

4.1 基于開(kāi)發(fā)板的硬件仿真

采用普中科技的HC6800-EM2.2實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板，用Keil C51進(jìn)行程序的編譯調(diào)試，PZISP自動(dòng)下載軟件下載燒寫(xiě)到單片機(jī)。圖7所示為普中科技HC6800-EM2.2實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板，用杜邦線或者排線將各個(gè)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(guò)的.hex文件到單片機(jī)中，得到的實(shí)際效果。

圖7 HC6800-EM2.2實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板

4.2 電路制作與調(diào)試

制作與調(diào)試的實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)顯示與報(bào)警系統(tǒng)電路板如圖8所示。

圖8 制作的溫度檢測(cè)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(shí)時(shí)溫度。

[1]劉萬(wàn)松,曹曉龍．微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教程[M]．成都:西南交通大學(xué)出版社,2013．

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劉萬(wàn)松（1968—），男，副教授，貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院系主任，研究方向：EDA技術(shù)。

貴州省高等學(xué)校教學(xué)研究與改革項(xiàng)目《電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)課程教學(xué)體系的研究與實(shí)踐》（合同編號(hào)：[2016]（2）第10號(hào)）；貴州師范大學(xué)課程—團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目《單片機(jī)原理及應(yīng)用課程團(tuán)隊(duì)》（項(xiàng)目編號(hào)：KT2014007H）。