基于單片機(jī)的太陽能數(shù)字測溫系統(tǒng)

張偉超

摘要：本文提出一種基于STC89C52RC單片機(jī)的水溫和氣溫測量系統(tǒng)。采用STC89C52RC為主控芯片，DS18B20數(shù)字溫度傳感器為測溫元件，使用太陽能供電。由Keil完成系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，搭建Proteus 軟件仿真平臺、編譯程序從而實(shí)現(xiàn)硬件調(diào)試仿真，最后對硬件進(jìn)行運(yùn)行測試。太陽能供電使該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的適用性、實(shí)用性、可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：DS18B20；STC89C52RC；太陽能測溫；Proteus；控制

中圖分類號：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）04-0054-02

在對河流水文的觀測中水溫、氣溫是重要測量量。傳統(tǒng)測溫一般采用熱電阻或熱電偶，將模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理。這種電路可靠性相對較差，測量準(zhǔn)確度低而且采集點(diǎn)不少處在無電網(wǎng)供電的地方。鑒于此，本文提出基于單片機(jī)的太陽能數(shù)字測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

采用STC89C52RC單片機(jī)為主控芯片、20w單晶硅太陽能光伏板、蓄電池、DS18B20數(shù)字溫度傳感器、數(shù)碼管等，實(shí)現(xiàn)對水溫和氣溫的測量、顯示功能。利用PROTEL 99SE繪制原理圖、設(shè)計(jì)PCB板圖。由Keil完成程序設(shè)計(jì)和編譯，在硬件裝配前，通過Proteus仿真。本系統(tǒng)能在無電網(wǎng)供電情況下，穩(wěn)定不間斷的監(jiān)測水溫和氣溫，兩路數(shù)字溫度傳感器分別進(jìn)行水溫和氣溫采集，采集結(jié)果通過單片機(jī)處理后，通過數(shù)碼管輸出顯示。單片機(jī)控制太陽能電池板對蓄電池進(jìn)行充電管理，12v蓄電池經(jīng)變壓電路后為系統(tǒng)提供主電源。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如下圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)主控系統(tǒng)

本系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片。STC89C52RC單片機(jī)是高速、低功耗、抗干擾的CMOS8位微控制器 ，在嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。其工作頻率：0～40MHz，8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。正常工作模式下，典型功耗4ma～7ma，掉電模式下可由外部中斷喚醒，特別適合蓄電池供電系統(tǒng)。

通過STC89C52單片機(jī)，可以控制太陽能電池板對蓄電池的充電狀態(tài)。在白天隨著光照強(qiáng)度增強(qiáng)，太陽能電池板電壓高于蓄電池電壓，此時(shí)蓄電池處于充電狀態(tài)。同時(shí)為了防止蓄電池過充，單片機(jī)通過檢測蓄電池兩端電壓，控制太陽能電池板停止為蓄電池充電。如果長期陰雨無光，單片機(jī)檢測到蓄電池電壓低于其放電截止電壓，為了延長蓄電池的使用壽命。這時(shí)單片機(jī)將關(guān)閉系統(tǒng)，進(jìn)入掉電模式，等待有光照時(shí)候，由外部中斷喚醒單片機(jī)。同時(shí)也可在深夜時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)，在指定時(shí)間開啟系統(tǒng)，從而延長電池使用時(shí)間。

2.2 數(shù)字溫度傳感器

DS18B20數(shù)字溫度傳感器是Dallas公司生產(chǎn)的單總線器件，具有線路簡單、體積小，精度高的特點(diǎn)。測溫范圍在-55～+125℃，精度為0.5℃，內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。能直接讀取被測的溫度，還能根據(jù)設(shè)計(jì)需求采用簡單的編程技術(shù)實(shí)現(xiàn) 9 ～ 12 位的讀取數(shù)字方式， 并且讀寫傳輸形式簡單，只需一根單線接口的數(shù)據(jù)線即可。DS18B20芯片最常見的封裝為TO-92，三個(gè)引腳分別為 GND-電源地、DQ-數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳、VDD為可選電源引腳。采用 DS18B20完全能滿足測量要求，且更加簡單和可靠性。本系統(tǒng)DS18B20 設(shè)計(jì)的測溫電路如圖2 所示。

為了能長期浸泡在水中，將TO-92封裝的DS18B20，通過優(yōu)質(zhì)不銹鋼管封裝，內(nèi)部填裝導(dǎo)熱硅膠，采用滾口封裝技術(shù)與加厚硅橡膠導(dǎo)線間接。提高其感溫性能同時(shí)擁有極佳的防水、防潮、防銹特點(diǎn)。使用雙絞線帶屏蔽電纜傳輸，保證長距離測量更穩(wěn)定。一般正常通信距離可達(dá)150 m，適用于大多數(shù)場合要求。

2.3 蓄電池組選擇與容量

蓄電池既是太陽能電池板儲能裝置，又是系統(tǒng)的供電裝置。這要求蓄電池要維護(hù)簡單且壽命長。市場常見的有鉛酸免維護(hù)蓄電池、普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池三種。鉛酸免維護(hù)蓄電池免維護(hù)性好，密封性能好，狀態(tài)穩(wěn)定，適合在戶外使用。而普通的鉛酸蓄電池，雖然價(jià)格低，但維護(hù)工作量大，應(yīng)用場合少。堿性鎳鎘蓄電池，各項(xiàng)性能都很好，但是價(jià)格較高。綜合考慮選擇使用鉛酸免維護(hù)蓄電池作為蓄電池。

在南方地區(qū)一般最長的連續(xù)陰雨天氣不超過30天。綜合系統(tǒng)功耗考慮，經(jīng)過測算，選擇用12V、20Ah容量的鉛酸免維護(hù)蓄電池可以滿足系統(tǒng)在30天連續(xù)陰雨無光照條件下正常工作。特別適用在野外無電網(wǎng)供電的采集點(diǎn)，大大提高了系統(tǒng)適用范圍。

2.4 太陽能電池板

采用單晶硅太陽能電池板，它的電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，最高的達(dá)到24%，所有種類的太陽能電池板中光電轉(zhuǎn)換效率最高。本系統(tǒng)選用峰值功率20W，峰值電壓17.3V，短路電流1.33A，鋼化玻璃封裝，高強(qiáng)度鋁邊框。相對于本系統(tǒng)功耗而言，20w單晶硅太陽能電池板能滿足系統(tǒng)需求且有余量。

2.5 顯示及電源模塊電路

顯示模塊采用2個(gè)三位共陰極數(shù)碼管分別來顯示測量的水溫和氣溫，利用單片機(jī)的定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)動態(tài)掃描顯示。電源模塊：由太陽能電池板發(fā)電，12V蓄電池電壓經(jīng)過LM7805穩(wěn)壓后產(chǎn)生5V電壓直流電源，作為單片機(jī)、溫度傳感器、數(shù)碼管等主電源。電壓轉(zhuǎn)換電路圖如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控程序

水溫，氣溫測量系統(tǒng)上電啟動后自動復(fù)位，首先對芯片內(nèi)部寄存器、單片機(jī)IO口進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入主函數(shù)開始運(yùn)行。首先判斷檢測蓄電池電壓是否低于放電截止電壓，若低于系統(tǒng)則進(jìn)入休眠關(guān)閉狀態(tài)，等待外部中斷重新激活系統(tǒng)。否則進(jìn)入溫度測量及顯示子程序。接著進(jìn)入蓄電池充電方式選擇子程序，來判斷電池電壓是繼續(xù)充電，還是停止充電。最后在返回主函數(shù)循環(huán)。

3.2 溫度測量子程序設(shè)計(jì)

DS18B20在同單片機(jī)通信采用的是單總線協(xié)議方式，它將所采集到的溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，通過DQ傳送至單片機(jī)。由于DS18B20在一根數(shù)據(jù)線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，故單片機(jī)在同DS18B20通信時(shí)候，我們采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時(shí)序。需要嚴(yán)格的按照通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。依照DS18B20的通訊協(xié)議。同時(shí)為了簡化軟件設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)采用“并行I/O口輸入與單總線結(jié)構(gòu)相結(jié)合” 結(jié)合的方式巡回讀取多路溫度。溫度測量流程如下：（1）初始化DS18B20，執(zhí)行跳過ROM命令（CCH），不讀取64位ROM編碼直接向DS18B20發(fā)出功能命令。（2）向DS18B20發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令（44H） ，隨后啟動溫度采樣與A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲在暫存器中。（3）再次初始化DS18B20，執(zhí)行跳過ROM命令。（4）執(zhí)行單片機(jī)讀暫存器命令（BEH），將對應(yīng)的DS18B20高速暫存存儲器的數(shù)據(jù)讀入單片機(jī)中，其中第0，1字節(jié)分別是溫度值低位（LS byte）和高位（MS byte），從而完成某通道DS18B20的溫度采集。

4 Proteus電路仿真

Proteus嵌入式系統(tǒng)仿真與開放平臺是由英國Labcenter公司開發(fā)的，它完善的電路設(shè)計(jì)與仿真平臺可以對模擬電路、數(shù)字電路、模/數(shù)混合電路、單片機(jī)及其外圍電路進(jìn)行系統(tǒng)仿真。Proteus提供了大量的虛擬儀器、儀表、激勵(lì)源和分析工具。編輯環(huán)境功能強(qiáng)大，界面友好容易操作，仿真調(diào)試簡潔直觀。啟動Proteus ISIS 7，從Proteus元件庫中選擇所需元件。將在Keil軟件下編寫控制程序并生成HEX文件裝載到單片機(jī)中進(jìn)行仿真。通過仿真結(jié)果表明本測量系統(tǒng)溫度測量模塊、顯示模塊、充電方式選擇模塊、電源模塊、均正常工作，程序可按照預(yù)先設(shè)定方式正常工作。

5 結(jié)語

本次研究提出了一種采用STC89C52RC為主控模塊，DS18B20數(shù)字溫度傳感進(jìn)行水溫和氣溫的測量，使用太陽能光伏供電系統(tǒng)的方法。用數(shù)字傳感器提高了測量精度，簡化了電路降低了功耗，容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。同時(shí)該系統(tǒng)在野外依靠太陽能長期穩(wěn)定工作，對水文監(jiān)測、氣象監(jiān)測等具有很高實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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