如何設(shè)計單片機的智能溫度預(yù)警系統(tǒng)？

1.引言

如果環(huán)境溫度超過或低于限定值，必定對所處環(huán)境的人和設(shè)備造成影響，甚至給個人和社會造成巨大的損失。隨著單片機技術(shù)的飛速發(fā)展，利用單片機設(shè)計溫控系統(tǒng)成為控制技術(shù)發(fā)展的需要。本文提出了一種基于單片機的溫度預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計方案，并采用PROTEUS進行了仿真。該系統(tǒng)不僅可以高精度的測量溫度，同時對溫度進行實時監(jiān)控并做到超溫報警，有較高的實用價值。

2.系統(tǒng)設(shè)計的總體方案

本設(shè)計方案總體框圖如圖1所示，它是由單片機、四路數(shù)據(jù)采集模塊、集成功放模塊、人機交互界面和系統(tǒng)電源等組成。

本設(shè)計系統(tǒng)以AT89C52單片機作為控制核心，數(shù)據(jù)采集部分由溫度傳感器DS18B20組成;人機交互界面為4TImes;4矩陣鍵盤輸入和LCD1602液晶顯示，可以方便的輸入數(shù)據(jù)和直觀的顯示。系統(tǒng)電源為+5V電源供電。軟件部分采用C語言進行編程，實現(xiàn)了該設(shè)計的全部控制功能。該溫度預(yù)警系統(tǒng)的測量范圍為-55℃~+125℃。當(dāng)檢測的溫度高于最高或最低溫度設(shè)定值時，實現(xiàn)報警功能。

3.電路設(shè)計

3.1 單片機

AT89S52單片機是ATMEL公司推出的高檔型AT89S系列單片機中的增強型產(chǎn)品。AT89S52是一個低功耗、高性能CMOS8為單片機，片內(nèi)含8K Bytes ISP的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器。期間采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)。芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。

3.2 溫度采集電路

由單片機獲取非電信號的溫度信息，必須通過溫度傳感器。傳統(tǒng)的溫度測量多以熱敏電阻作為溫度傳感器，但是，熱敏電路可靠性較差，測量溫度精度低，因此使用DS18B20溫度傳感器采集溫度。DS18B20是美國達拉斯(Dallas)公司的單數(shù)字溫度傳感器芯片，DS18B20具有體積小，功耗低，抗干擾能力強，易于微處理器連接等特點，其測量范圍-55℃~+125℃，最大分辨率為0.0625℃，在-25℃~+85℃范圍內(nèi)其測溫標(biāo)準(zhǔn)度為±0.5℃。

DS18B20只有三個引腳，一個接地，一個接電源，一個數(shù)字輸入/輸出引腳，由于DS18B20采用單總線結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)的四個溫度傳感器并聯(lián)在三線上，數(shù)據(jù)輸入/輸出接單片機的P1.7口，電源與數(shù)字輸入輸出腳間需要接一個4.7K的電阻，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能。

3.3 報警電路設(shè)計

本系統(tǒng)報警電路使用L M 3 8 6作為報警器的功率放大器。LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于錄音機和收音機之中。

LM386的輸入端接單片機的P3.4引腳，輸出端接揚聲器，電路圖如圖2所示。當(dāng)實際溫度超過或低于設(shè)置的溫度值時，單片機相應(yīng)引腳輸出一定頻率的信號，信號經(jīng)過音頻功放放大之后，發(fā)出報警聲。

3.4 顯示接口電路設(shè)計

系統(tǒng)采用液晶顯示模塊來顯示4路溫度采集值及溫度設(shè)定值。本系統(tǒng)采用LCD12864液晶顯示模塊。LCD12864是一種具有4位/ 8位并行、2線或三線串行多接口方式，內(nèi)部含有國際一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊，其顯示分辨率為128TImes;64，可以顯示8TImes;4行16TImes;16點陣的漢字。同時又具有低電壓低功耗等特點。

在本系統(tǒng)，LCD12864的3個控制端RS(數(shù)據(jù)/命令選擇端)、R/W(讀/寫選擇端)、E(使能信號)分別連接單片機的P 3 。 7、P3.0、P3.3，用來對LCD12864進行控制;LCD12864的8個數(shù)據(jù)端連接單片機的P0口，用來向LCD12864寫入數(shù)據(jù)。液晶的第3引腳為液晶顯示偏壓信號，用來調(diào)節(jié)顯示的對比度;第1、2引腳為液晶的電源接口;第19、20引腳是顯示器背光燈的電源接口。

3.5 鍵盤接口電路設(shè)計

鍵盤在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人干預(yù)單片機的主要手段。本系統(tǒng)采用了4×4矩陣鍵盤實現(xiàn)對溫度值和功能鍵的設(shè)定。四條行線接單片機P2口的高4位，四條列線接單片機P2口的低4位。初始化時鍵盤行線為高電平，列線為低電平。鍵盤的行線接4輸入與門，4輸入與門的輸出接單片機的外部中斷0引腳P3.2口。當(dāng)有鍵按下時，將產(chǎn)生中斷，在中斷程序里對按鍵進行掃描，得到按鍵的鍵值。

3.6 電源電路的設(shè)計

電源是整個系統(tǒng)的能量來源，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否運行。在本系統(tǒng)中單片機、液晶顯示、報警等電路需要5V的電源，因此電路中選用穩(wěn)壓芯片7805，其最大輸出電流為1.5A，能夠滿足系統(tǒng)的要求。

4.軟件設(shè)計

主程序先對系統(tǒng)資源進行初始化，調(diào)用LCD顯示子程序，然后進入鍵盤設(shè)置界面。

當(dāng)設(shè)置鍵按下后，開始設(shè)置各點的溫度，如果確認(rèn)鍵按下，則系統(tǒng)開始工作。首先調(diào)用DS18B20初始化子程序，再發(fā)送ROM命令，讀取DS18B20轉(zhuǎn)換的溫度值。當(dāng)讀取的溫度大于設(shè)置的溫度值時，報警器開始報警，LCD顯示溫度的實際值、設(shè)置值、路數(shù)、狀態(tài)。

接下來對第二、三、四路溫度進行采集，處理，顯示。

5.系統(tǒng)PROTEUS仿真

Proteus 軟件是來自用過LabcenterElectronics公司，基于SPICEF5 仿真引擎的很合電路仿真軟件，是一款含有大量的系統(tǒng)資源、豐富的硬件接口電路，具有強大的調(diào)試功能和軟硬件相結(jié)合的仿真系統(tǒng)。它很好地解決了硬件設(shè)計和軟件調(diào)試的問題，不僅能夠仿真模擬、數(shù)字電路以及模數(shù)混合電路，還能夠仿真基于單片機的電子系統(tǒng)。本系統(tǒng)PROTEUS仿真圖如圖3所示。

6.結(jié)論

本方案以AT89C52為控制核心，DS18B20采集溫度、LCD12864顯示溫度和LM3386驅(qū)動報警等設(shè)計了一款智能溫度預(yù)報警系統(tǒng)，并通過PROTEUS仿真，得到了很好的效果，證實了本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、智能調(diào)節(jié)等優(yōu)點。本系統(tǒng)可以應(yīng)用于糧倉、工廠、浴室等場合，具有很強的實用價值。