楊照坤，黃高祥，鄭秀宏

（1.深圳技術(shù)大學(xué)中德智能制造學(xué)院，廣東深圳 518118；2.深圳市理邦精密儀器股份有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

“工欲善其事，必先利其器”，工具在生活中發(fā)揮著巨大的作用。隨著現(xiàn)代社會(huì)的飛躍式發(fā)展，高新技術(shù)迅猛變化，使得工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)一些測(cè)溫器件的使用要求提高了；在溫度測(cè)量領(lǐng)域，要求生產(chǎn)中的測(cè)量更加快速、精確，并且測(cè)量范圍也要完全適應(yīng)生產(chǎn)中所發(fā)生的不可預(yù)知的變化。

本文從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一款操作簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，滿(mǎn)足日常生活及工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景需要的溫度測(cè)量系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)基于AT89S51單片機(jī)，集成了溫度檢測(cè)、語(yǔ)音實(shí)時(shí)播報(bào)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)刷新顯示等功能。其中，單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心，實(shí)時(shí)處理溫度傳感器反饋的數(shù)據(jù)，遍歷尋找溫度字段用于語(yǔ)音播報(bào)及LCD實(shí)時(shí)顯示[1]。該測(cè)量裝置不僅可以用于日常生活的家用溫度測(cè)量，特別是復(fù)雜環(huán)境場(chǎng)合需要實(shí)時(shí)播報(bào)當(dāng)前所測(cè)溫度，還能在中低溫的工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)合使用。由于其測(cè)量范圍較大、系統(tǒng)穩(wěn)定、硬件成本較低、功能豐富以及操作簡(jiǎn)單易上手，而且AT89S51單片機(jī)資源豐富、接口較多，其功能容易拓展[2]，如進(jìn)行多路溫度測(cè)量等，與目前市場(chǎng)上存在的價(jià)格較高、功能較單一的測(cè)溫產(chǎn)品相比，具有很大的市場(chǎng)應(yīng)用潛力。

1 溫度測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀

隨著高新技術(shù)在工業(yè)化中扮演的角色越來(lái)越重要，使得溫度檢測(cè)技術(shù)在一定程度上取得了較大進(jìn)步。現(xiàn)在生活生產(chǎn)中使用的溫度計(jì)種類(lèi)復(fù)雜，但主要的測(cè)量原理有以下幾種。

（1）物體熱脹冷縮原理

工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的有3種，這些元件原理一致，都是利用物體特有的性質(zhì)制成[3]，分別為玻璃溫度計(jì)、雙金屬溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)。

（2）熱電效應(yīng)技術(shù)

基于此技術(shù)制成的溫度檢測(cè)元件種類(lèi)繁多，比較常見(jiàn)的就是熱電偶。熱電偶構(gòu)造簡(jiǎn)單、操作方便，并且很久之前已開(kāi)始使用，目前熱電偶技術(shù)已十分成熟。該技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)量原理易理解、測(cè)量精度高、可控性較強(qiáng)等特點(diǎn)。

（3）熱阻效應(yīng)技術(shù)

熱阻效應(yīng)作為某些物質(zhì)的固有性質(zhì)，已被人類(lèi)認(rèn)識(shí)并且加以應(yīng)用，在生產(chǎn)中應(yīng)用較多的有電阻測(cè)溫元件、導(dǎo)體測(cè)溫元件、陶瓷熱敏元件[4]。

（4）熱輻射原理

熱輻射原理雖然很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有被人們理解并應(yīng)用，但近些年其先進(jìn)之處已逐漸吸引眾多的工業(yè)生產(chǎn)專(zhuān)家，其可以制成高效的溫度測(cè)量元件。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的比較多的有單色輻射高溫計(jì)，即實(shí)驗(yàn)室所用的光學(xué)高溫計(jì)；以及全輻射高溫計(jì)，工作安全高效，利用物體可以輻射能量的原理制成的測(cè)量元件。

（5）其他

由于傳統(tǒng)測(cè)量元件已不能完全滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，許多生產(chǎn)專(zhuān)家都在積極研究新型的測(cè)量技術(shù)以適應(yīng)迅猛發(fā)展的高新技術(shù)。目前已有很多新興技術(shù)，如點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到線(xiàn)、點(diǎn)到面的測(cè)量技術(shù)等，相信在未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)經(jīng)常見(jiàn)到這些新型先進(jìn)技術(shù)的身影。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先考慮主控模塊，根據(jù)設(shè)計(jì)的靈活性、操作的簡(jiǎn)單性及優(yōu)良的性?xún)r(jià)比，綜合考慮選用AT89S51單片機(jī)作為主要控制核心。采用DS18B20作為溫度測(cè)量元件，其功耗低、連線(xiàn)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路[5]。溫度顯示方面采用LCD液晶屏，其是一種低壓、微功耗的顯示器件，只要2～3 V就可以工作，工作電流僅為幾微安，是任何顯示器無(wú)法比擬的；同時(shí)可以顯示大量信息，除數(shù)字外，還可以顯示一些簡(jiǎn)單的流線(xiàn)型文字。語(yǔ)音播報(bào)芯片采用超鼎電子的一款語(yǔ)音芯片NY3P035，該芯片有多達(dá)32段語(yǔ)音內(nèi)容，出廠前已經(jīng)固化在芯片內(nèi)，用戶(hù)可以控制輸出所需語(yǔ)音內(nèi)容[6]。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框圖結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 中，單片機(jī)最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上包括4個(gè)雙向的8位并行I/O端口，及內(nèi)部晶振電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所必須的時(shí)鐘控制信號(hào)[7]，復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路的來(lái)實(shí)現(xiàn)的。DS18B20與單片機(jī)的I/O口直接連接。不管是外接電源還是依靠總線(xiàn)傳輸能源，I/O口線(xiàn)要接10 kΩ左右的上拉電阻。采用第一種連接方法，如圖3～4所示，把DS18B20的數(shù)據(jù)線(xiàn)與單片機(jī)的第1管腳連接（DQ連P1.0腳），再加上上拉電阻。按鍵設(shè)計(jì)成低電平有效，主控制器通過(guò)檢測(cè)對(duì)應(yīng)I/O口的電平狀態(tài)來(lái)判斷按鍵操作情況。

圖2 系統(tǒng)原理

另外，為了提高系統(tǒng)的抗干擾性，只有按鍵按下后，I/O才被按鍵拉到地（低電平），從而減小了外界的干擾[8]。語(yǔ)音芯片是針對(duì)市場(chǎng)推出的一款具有PWM輸出的OTP語(yǔ)音標(biāo)準(zhǔn)芯片，外部共有3個(gè)I/O口，工作能耗小，此語(yǔ)音芯片內(nèi)置電阻，沒(méi)有外圍元件，外圍電路只需要1個(gè)104電容，整個(gè)方案的費(fèi)用節(jié)省30%～50%左右。語(yǔ)音播報(bào)采用模擬串行的控制方式，如需要播放第幾個(gè)地址的內(nèi)容就發(fā)送幾個(gè)脈沖（大于0.2 ms即可，建議采用1 ms左右，下同），能準(zhǔn)確的控制多達(dá)32段地址的任意組合。例如現(xiàn)在需要播放第10段聲音，那么控制系統(tǒng)先發(fā)送一個(gè)復(fù)位脈沖到RST（Rest）腳，接著發(fā)送10個(gè)脈沖到DATA腳，芯片即刻工作，播放第10段的聲音，不同的聲音組合變成所需要的播報(bào)內(nèi)容。

4 軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)要先初始化，比如清液晶兩行顯示、關(guān)光標(biāo)閃爍等；然后從DS18B20讀取溫度數(shù)據(jù)，再進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，得到真正的溫度值，送到液晶1602上顯示出來(lái)；再對(duì)按鍵進(jìn)行掃描，若有低電平信號(hào)則進(jìn)行溫度值的語(yǔ)音播報(bào)，否則不播報(bào)語(yǔ)音。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是以AT89S51為控制核心的具有語(yǔ)音播報(bào)及數(shù)值顯示功能的溫度計(jì)，溫度測(cè)量范圍在－55℃～＋125℃，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)利用軟硬件結(jié)合方式實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的快速、精確測(cè)量。由于溫度與日常生活息息相關(guān)，同時(shí)也是工業(yè)生產(chǎn)中常用的被測(cè)參數(shù)，被控對(duì)象的溫度指標(biāo)能否被穩(wěn)定、快速獲取，直接關(guān)乎生產(chǎn)是否能高效、順利的進(jìn)行。該測(cè)溫系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便易行，能夠滿(mǎn)足日常生活及工業(yè)中低溫場(chǎng)合應(yīng)用的需求，采用模塊化設(shè)計(jì)便于后續(xù)產(chǎn)品功能拓展。