田安紅， 付承彪

(曲靖師范學(xué)院 信息工程學(xué)院， 云南 曲靖 655011)

0 引 言

在日常生活中，溫度監(jiān)控需求應(yīng)用廣泛，如農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、航空領(lǐng)域、汽車領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、家電領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域等。溫度與工作生活息息相關(guān)[1-4]，在工業(yè)生產(chǎn)中，比如機(jī)械、冶金、食品等，常用溫度來監(jiān)控恒溫箱或加熱爐等設(shè)備；在農(nóng)業(yè)管理中，農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率與農(nóng)作物的生長環(huán)境息息相關(guān)，其中，溫度是自然資源中最重要的因素之一，溫度太高或太低，都不易于農(nóng)作物的正常生長。然而，在市場上的溫度監(jiān)控系統(tǒng)中，精度高的系統(tǒng)存在價格昂貴問題；體積大的系統(tǒng)存在不便于攜帶的問題。因此，簡單、智能、廉價、精度適中的溫度監(jiān)控系統(tǒng)具有很大的市場[5-8]。

本文以農(nóng)業(yè)管理為背景，設(shè)計了一個基于溫度傳感器的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，通過單片機(jī)、溫度傳感器和直流電動機(jī)的協(xié)同作用，有效地監(jiān)控農(nóng)作物的溫度，提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量。首先，在Proteus軟件中設(shè)計溫度監(jiān)控系統(tǒng)的電路圖；然后，通過Proteus和Keil的聯(lián)合調(diào)試，DS18B20溫度傳感器獲得農(nóng)作物的溫度值；最后，根據(jù)不同的溫度取值，單片機(jī)以不同的方式來驅(qū)動直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)動，LCD顯示模塊顯示出當(dāng)前的溫度值，從而有效及時地監(jiān)控農(nóng)作物的溫度。系統(tǒng)設(shè)計中，電動機(jī)有4種轉(zhuǎn)動狀態(tài)，通過查看電動機(jī)的不同轉(zhuǎn)動方式和液晶顯示模塊上的溫度，實現(xiàn)雙重監(jiān)控溫度的作用，即電動機(jī)和顯示器同時觀測，確保溫度的準(zhǔn)確性。所設(shè)計的智能農(nóng)業(yè)溫度監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，易于推廣，采用信息技術(shù)，提高農(nóng)業(yè)效率，為農(nóng)業(yè)管理者提供有價值的溫度數(shù)據(jù)，對現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)管理具有一定的參考價值，且設(shè)計思想能夠推廣到工業(yè)生產(chǎn)中，如機(jī)房的溫度監(jiān)控等。

1 總體設(shè)計思路

1.1 設(shè)計原理

本文設(shè)計的溫度監(jiān)控系統(tǒng)[9-16]主要由四大模塊組成，分別為單片機(jī)最小系統(tǒng)，直流驅(qū)動模塊，溫度傳感器DS18B20，液晶顯示模塊LCD1602。如圖1所示，單片機(jī)最小系統(tǒng)包含AT89C51芯片、晶振電路和復(fù)位電路。DS18B20溫度傳感器主要是采集環(huán)境的溫度信息，并把溫度信息傳送給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理工作，再傳送到LCD1602液晶顯示模塊，并把溫度值顯示出來。

圖1 溫度監(jiān)控系統(tǒng)框圖

溫度監(jiān)控系統(tǒng)中，設(shè)定直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)動分為4種情況：當(dāng)溫度低于10°C時，單片機(jī)驅(qū)動電動機(jī)反轉(zhuǎn)，并且溫度值越高，轉(zhuǎn)動越慢，反比關(guān)系；

10～20°C時，單片機(jī)不能驅(qū)動電動機(jī)工作，電動機(jī)不轉(zhuǎn)動；20～30°C時，單片機(jī)驅(qū)動電動機(jī)正轉(zhuǎn)，并且溫度值越高，轉(zhuǎn)動的速度越快，正比關(guān)系；>30°C時，單片機(jī)驅(qū)動電動機(jī)全速正轉(zhuǎn)。

1.2 可行性分析

本系統(tǒng)是基于單片機(jī)AT89C51設(shè)計，元器件價格便宜，無特殊材料設(shè)備，操作實現(xiàn)容易。其中，數(shù)字溫度傳感器的內(nèi)部集成A-D轉(zhuǎn)換器，電路結(jié)構(gòu)簡單，測量精度更高，且用一個引腳與單片機(jī)通信，減少了接線的復(fù)雜程度。

1.3 系統(tǒng)硬件電路

智能溫度控制系統(tǒng)的硬件電路如圖2所示，溫度傳感器DS18B20、液晶顯示模塊、直流驅(qū)動模塊均與單片機(jī)相連接，DS18B20采集測量環(huán)境的溫度信息，并把溫度信息傳送給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理工作，再傳送到LCD1602液晶顯示模塊，并把溫度值顯示出來。系統(tǒng)根據(jù)溫度值，驅(qū)動電動機(jī)的轉(zhuǎn)動工作。通過溫度和電動機(jī)的轉(zhuǎn)動雙重方式，實現(xiàn)智能溫度監(jiān)控。

2 溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)主程序

溫度監(jiān)控系統(tǒng)程序如圖3所示。首先，系統(tǒng)上電，初始化程序，定義變量值；然后，初始化液晶顯示器，且界面“T MONITOR”；最后，溫度傳感器檢測實際溫度值，并通過單片機(jī)把結(jié)果傳送到LCD進(jìn)行顯示，且系統(tǒng)分析不同的溫度取值，溫度值的大小不同，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動的方式也不同。溫度監(jiān)控系統(tǒng)中存在1 s延時，確保讀取溫度的正確性。

圖3 溫度監(jiān)控系統(tǒng)主程序流程

2.2 溫度采集程序

DS18B20數(shù)字溫度傳感器采用的是單總線協(xié)議方式傳送數(shù)據(jù)，然而在AT89C51單片機(jī)中的硬件，不支持單總線協(xié)議，因此需要采用軟件來模擬單總線協(xié)議的時序，實現(xiàn)對DS18B20芯片的訪問操作。單總線訪問DS18B20的步驟主要包含初始化、ROM操作、存儲器操作、讀寫數(shù)據(jù)。

2.2.1初始化

DS18B20的初始化有嚴(yán)格的時序要求，控制器主機(jī)首先通過拉低總線的方式來產(chǎn)生復(fù)位脈沖信號，拉低總線在480 μs以上。然后釋放總線，最后進(jìn)入接收狀態(tài)。在初始化的過程中，DS18B20檢測到上升沿信號后，會等待15～60 μs，通過拉低總線的方式來產(chǎn)生應(yīng)答脈沖，拉低總線持續(xù)的時間為60～240 μs，控制器主機(jī)接收到應(yīng)答脈沖信號后，說明DS18B20在線，成功初始化。

2.2.2ROM操作

控制器檢測到應(yīng)答脈沖后，發(fā)出ROM指令命令，ROM的指令命令一共有5條，并且每個工作周期內(nèi)僅僅發(fā)送一條指令命令。

2.2.3存儲器操作

存儲器的操作命令由執(zhí)行完成ROM操作命令之后發(fā)生。

2.2.4讀寫數(shù)據(jù)

所有的寫時序均是在15～60 μs完成，且2個寫時序之間的最短恢復(fù)時間最少為1 μs。當(dāng)控制器寫時序“1”時，應(yīng)先拉低數(shù)據(jù)線，然后再釋放數(shù)據(jù)線，在開始寫時序后的15 μs內(nèi)，所有的數(shù)據(jù)位被送到總線上來。當(dāng)控制器寫時序“0”時，數(shù)據(jù)單總線被拉低為低電平狀態(tài)，且最少需要保持低電平60 μs的時間。

當(dāng)控制器從DS18B20讀數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)線先從高電平狀態(tài)拉低到低電平的狀態(tài)，能夠產(chǎn)生讀時序信息，且低電平的持續(xù)時間至少保存為1 μs。在讀時序開始15 μs內(nèi)，DS18B20的輸出數(shù)據(jù)有效。讀溫度程序流程如圖4所示。

2.3 溫度轉(zhuǎn)換程序

DS18B20中讀取出來的溫度，是以二進(jìn)制的形式存放，且為2 Bit，單片機(jī)顯示的為十進(jìn)制，所以需要將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制。溫度計算的詳細(xì)過程為：當(dāng)符號位表示為0時，表明系統(tǒng)測量得到的溫度值是正值，程序直接把測量得到的溫度值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制顯示。當(dāng)符號位表示為1時，表明系統(tǒng)測量得到的溫度值是負(fù)值，且以補碼的形式存在，則單片機(jī)需要將補碼變換為原碼，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制的形式。

2.4 LCD顯示模塊程序

LCD顯示模塊包含兩部分，① LCD初始顯示界面程序； ② 溫度顯示界面程序。其中，在LCD初始顯示界面中，第一行顯示“T Monitor”，首先，程序?qū)ⅰ癟 Monitor”對應(yīng)的顯示代碼，制作成為表格形式，然后，單片機(jī)通過查表功能，得到顯示代碼，并把顯示的代碼傳送到LCD進(jìn)行顯示出來。在溫度顯示界面程序中，程序設(shè)定溫度值顯示在第二行。LCD顯示溫度值如圖5所示。

圖4 讀溫度程序流程 圖5 LCD顯示溫度值流程

3 仿真測試與結(jié)果

在Keil編程環(huán)境中，利用C語言編寫代碼，調(diào)試成功后，將生成的.HEX文件導(dǎo)入到Proteus中，點擊play運行按鈕，效果如圖6所示。假設(shè)溫度傳感器獲取的溫度為32°C，則DS18B20中顯示的為32°C，LCD顯示模塊能夠正確顯示出溫度值為32°C，且LCD顯示模塊的第一行顯示 “T Monitor”，第二行顯示溫度值。與程序軟件模塊設(shè)計思想一致。

圖6 仿真效果圖

圖7 電動機(jī)反轉(zhuǎn)

圖8 電動機(jī)不動

圖9 電動機(jī)正轉(zhuǎn)

圖10 電動機(jī)全速反轉(zhuǎn)

當(dāng)溫度取值不同時，單片機(jī)驅(qū)動直流電動機(jī)的方式不同，效果分別如圖7～10所示。圖7中，當(dāng)溫度低于10°C時，在DS18B20上設(shè)定為-07°C，LCD顯示為-07°C，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。圖8中，當(dāng)溫度為10～20°C時，在DS18B20上設(shè)定為16°C，LCD顯示為16°C，電動機(jī)不轉(zhuǎn)動。圖9中，當(dāng)溫度為20～30°C時，在DS18B20上設(shè)定為29°C，LCD顯示為29°C，電機(jī)正轉(zhuǎn)。圖10中，當(dāng)溫度大于30°C時，在DS18B20上設(shè)定為55°C，LCD顯示為55°C，電機(jī)全速反轉(zhuǎn)。

4 結(jié) 語

通過在Proteus中設(shè)計電路圖，并結(jié)合Keil進(jìn)行聯(lián)調(diào)，最終實現(xiàn)農(nóng)業(yè)溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。在Proteus中測試通過的電路圖，可移植到電路板上進(jìn)行直接焊接電路，避免了實際中，在電路板上進(jìn)行反復(fù)測試驗證，從而提高開發(fā)效率，并節(jié)約了人力物力成本。本文所設(shè)計的智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)，有直流電機(jī)模塊，當(dāng)溫度取值不同時，單片機(jī)能夠以不同的方式進(jìn)行驅(qū)動電動機(jī)。通過觀測電動機(jī)的轉(zhuǎn)向和溫度顯示值，雙重智能監(jiān)控溫度，精度高，誤差小。所設(shè)計的智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，對于現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，具有推廣價值，提高了農(nóng)民的生產(chǎn)管理效率。

本文以農(nóng)業(yè)管理為背景，設(shè)計了一個基于溫度傳感器的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠推廣到工業(yè)生產(chǎn)中，設(shè)計不同的溫度范圍來驅(qū)動電動機(jī)，比如通過監(jiān)控加熱爐的溫度來融化金屬。因此，本文的設(shè)計思想在工業(yè)和農(nóng)業(yè)中具有一定的參考價值。

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