徐 雷，崔子晨，劉俊俊，王浩然，李文娟

（亳州學院電子與信息工程系，安徽亳州236800）

溫度是人們生產(chǎn)生活中的一個重要物理參數(shù)，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，溫度直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量[1]，因此溫度實時監(jiān)測非常重要[2]，如溫室大棚中的環(huán)境溫度監(jiān)測[1]、水溫控制[4]、工業(yè)冷卻系統(tǒng)中的溫度監(jiān)測[5]、電纜溫度在線監(jiān)測[6]、鍋爐溫度控制[7]等。為了提高溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)設計效率，需進行仿真設計[7]。本文在溫度監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路設計之前進行功能的仿真，為硬件設計提供理論支持，利用經(jīng)過驗證后的硬件電路模塊搭建完成實現(xiàn)環(huán)境溫度的監(jiān)測及超限報警功能，從而縮短監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)時間。

1 硬件系統(tǒng)設計

智能溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設計包括單片機最小系統(tǒng)、溫度檢測模塊、顯示模塊。

（1）單片機最小系統(tǒng)是整個硬件電路的控制核心，主要包括51單片機芯片、時鐘電路以及復位電路。時鐘電路由兩個30 pF的電容（圖1中的C2和C3）和一個12 MHz的晶振（圖1中的Y1）組成，主要為單片機的工作提供穩(wěn)定的時鐘。復位電路由一個開關（圖1中的S1)和一個10 μF的電解電容（圖1中的C1）以及一個800 Ω電阻（圖1中的R1）組成，實現(xiàn)按鍵復位功能。

（2）溫度檢測模塊用于實時監(jiān)測周圍環(huán)境的溫度，該模塊由DS18B20 數(shù)字溫度傳感器（圖1 中的DS18B20）和一個4.7 kΩ的上拉電阻（圖1中的R4）組成。溫度傳感器DS18B20是由美國DALLAS公司生產(chǎn)的單總線、數(shù)字化溫度傳感器[1-3,8]，具有體積小、精度高、功耗低、測量范圍寬、抗干擾能力強等優(yōu)點。

（3）顯示模塊的主要作用是實時顯示監(jiān)測到的周圍環(huán)境溫度。本設計用LCD1602字符型LCD來實現(xiàn)（由圖1 中的LCD1602 和R2，R3 組成）。字符型LCD1602 是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、字符等ASCII碼的顯示器，該顯示器采用軟封裝，接口為標準的SIP16引腳，分電源、通信數(shù)據(jù)和控制3部分，可以很方便地與單片機進行連接[9]。

（4）在采取遠程視頻監(jiān)測時，考慮到視頻中聽不到任何聲音，所以采用LED燈的亮和滅來標識溫度是否超限。LED燈亮表示溫度超限，LED滅表示溫度在正常的范圍。

硬件系統(tǒng)設計原理圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)設計原理圖

2 Proteus軟件和Keil軟件的聯(lián)合仿真

Proteus軟件是由英國Lab Center Electronics公司開發(fā)的EDA工具軟件，是目前世界上最先進、最完整的多型號微處理器系統(tǒng)的設計與仿真平臺[10]。具有強大仿真功能的Proteus軟件雖然較好地解決了外圍電路和單片機混合仿真的問題，但沒有C51仿真功能，Proteus與Keil C的聯(lián)合使用可使這兩個仿真軟件優(yōu)勢互補。組建單片機應用系統(tǒng)在C51條件下的整機虛擬實驗環(huán)境，其中Proteus提供硬件仿真與運行環(huán)境，Keil提供軟件執(zhí)行環(huán)境[11]。

利用Proteus 7 Professional畫出硬件系統(tǒng)設計的原理圖，利用Keil uVision3集成開發(fā)軟件進行程序的編寫，并生成.HEX文件，利用Proteus軟件和Keil軟件進行聯(lián)合仿真，軟件設計時，把溫度正常的范圍設定在0～20 ℃（溫度正常范圍可以根據(jù)需要，由軟件設定），當溫度大于等于20 ℃或者低于0 ℃，都為溫度超限。溫度沒有超限正值仿真的結果之一如圖2所示，溫度超限正值仿真的結果之一如圖3所示，負值的結果之一如圖4所示。仿真的過程中，用鼠標調(diào)節(jié)DS18B20模型上的上、下按鈕，模型上的值會以1度的步進發(fā)生變化，此時會觀察到LCD1602模型上顯示溫度的值也會隨之發(fā)生變化，仿真結果能夠驗證理論的正確性。

圖2 正值仿真的結果之一：16 ℃

圖3 正值仿真的結果之二：正20 ℃

圖4 負值仿真的結果之一：負1 ℃

3 溫度監(jiān)測報警系統(tǒng)的實現(xiàn)

利用杜邦線將單片機最小模塊、LCD1602 顯示模塊、LED 燈報警模塊以及由DS18B20 為主要器件的測溫模塊組合到一起，搭建智能溫度監(jiān)測報警系統(tǒng)。搭建智能監(jiān)測系統(tǒng)時，由于LCD1602顯示模塊的D0-D7使用的是51單片機核心板的P0口，LED燈報警采用的是流水燈模塊中的一個LED燈，因此在搭建的過程中，根據(jù)實際情況進行搭建。軟件編寫的時候，把對應的引腳根據(jù)實際情況稍作修改即可。溫度沒有超限的正值測試結果之一如圖5所示，溫度超限正值測試結果之一如圖6所示，從測試的結果可知，此設計能夠?qū)崿F(xiàn)溫度監(jiān)測報警功能。測試的過程中，可以利用手指捏著DS18B20溫度傳感器，或者用嘴巴向DS18B20 溫度傳感器呼出熱氣，LCD1602 顯示的溫度都會升高，當手指松開或者不再呼出熱氣，溫度會慢慢降下來。負溫度的測試，本文雖然沒有測試，不過可以提供負溫度測試的方法，比如冬天室外溫度為零下時，把此系統(tǒng)拿到戶外，監(jiān)測戶外溫度。

圖5 溫度沒超限正值測試的結果之一：10.9 ℃

圖6 溫度超限正值測試的結果之一：21.3 ℃

4 總 結

本文在單片機最小系統(tǒng)的基礎上，以DS18B20溫度傳感器為溫度監(jiān)測模塊，字符型LCD1602為顯示模塊，LED燈為報警模塊，搭建智能溫度監(jiān)測系統(tǒng)，通過Proteus和Keil軟件仿真的結果驗證了該方案的可行性，利用杜邦線把實際硬件電路模塊與51單片機核心板連接起來，搭建智能溫度監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)實時監(jiān)測環(huán)境溫度的功能。在設計本監(jiān)測系統(tǒng)時，軟件仿真為后期的硬件設計提供了理論支持，硬件電路采用已經(jīng)成功實現(xiàn)功能的電路模塊進行搭建，大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)時間，有利于產(chǎn)品占領該領域的市場。