光條式溫度測量顯示系統(tǒng)

江曉軍,王建軍,陳寶玉,王素娟

光條式溫度測量顯示系統(tǒng)

江曉軍,王建軍,陳寶玉,王素娟

(上海第二工業(yè)大學電子與電氣工程學院,上海201209)

設計了一種基于分段式顯示法的溫度測量顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用DS18B20數(shù)字溫度傳感器和單片機進行數(shù)據(jù)采集和處理,并把測量結(jié)果分段顯示在LG102510G光條上。使用這一溫度測量顯示系統(tǒng)可以克服在夜晚使用溫度計觀察鹵素燈工作溫度數(shù)值變化的困難,有利于操作者對室外鹵素燈的溫度變化狀況進行快速評估。通過對設定范圍為-10°C～90°C的溫度測量,驗證了該系統(tǒng)可用于監(jiān)測照明光源的工作溫度,這為避免室外照明光源異常工作、嚴重發(fā)熱提供了一種有效途徑。

溫度測量;溫度顯示;LG102510G光條;單片機

0 引言

隨著半導體工業(yè)、光學制造業(yè)和激光加工業(yè)的發(fā)展,光學檢測系統(tǒng)廣泛采用了鹵素燈作為照明光源[1-3]。通常鹵素燈功率較大,工作時會產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象,特別是當這些光學檢測系統(tǒng)工作于室外時,這一現(xiàn)象更為明顯。嚴重的發(fā)熱現(xiàn)象會導致鹵素燈光源工作異常,從而影響鹵素燈光源的使用壽命和光學檢測系統(tǒng)的性能,因此監(jiān)測室外鹵素燈光源工作溫度的要求日漸增多[4-5]。通常觀察者在照明光源處放置溫度計,并不時地走近溫度計仔細觀察讀取鹵素燈的工作溫度數(shù)值,消耗了大量的時間且在夜晚觀察非常困難。

本文研制了一種以LG102510G光條為顯示器的溫度測量顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用DS18B20數(shù)字溫度傳感器和單片機對室外鹵素燈的工作溫度進行數(shù)據(jù)采集和處理,并把測量結(jié)果分段顯示在LG102510G光條上。通過對設定范圍為-10°C～90°C的溫度測量和分段顯示,驗證了該系統(tǒng)可用于監(jiān)測照明光源的工作溫度,并可避免室外照明光源異常工作、嚴重發(fā)熱。

1 光條式溫度測量顯示系統(tǒng)的整體設計及工作原理

光條式溫度測量顯示系統(tǒng)用于對室外鹵素燈工作溫度的測量與顯示,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可見,該系統(tǒng)主要由照明光源(50W鹵素燈)、DS18B20溫度傳感器、STC89S52單片機、設定單元、顯示單元和報警單元組成。系統(tǒng)由STC單片機向DS18B20溫度傳感器發(fā)送讀取鹵素燈光源工作溫度的命令,DS18B20溫度傳感器在一定的時間內(nèi)完成溫度的測量,由STC單片機采集該溫度數(shù)據(jù),然后由STC單片機將采集到的溫度數(shù)據(jù)與設定值進行比較判斷后,對數(shù)據(jù)進行分段,再將分段后的數(shù)據(jù)送光條顯示單元進行顯示。

圖1 光條式溫度測量顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram ofthe lightbartemperature measurement&display system

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1光條顯示單元

光條顯示器是由若干個LED發(fā)光元件按縱向排列而形成的一個光柱,它有紅、綠、黃等多種發(fā)光顏色。這些不同發(fā)光元件的狀態(tài)可以用來表示不同范圍的模擬量,這就為需要進行某些范圍的模擬量的顯示或者監(jiān)測提供了一種實現(xiàn)的途徑。

本系統(tǒng)采用一個10位LED低功耗光條LG102510G,每一位LED對應10°C,10位LED對應的溫度顯示范圍是-10°C～90°C,它可以指示鹵素燈光源的工作溫度范圍,使操作者更直觀地監(jiān)測其溫度變化。該10位LED的一端分別與10個100Ω的電阻相連,另一端則分別與單片機端口P0.0～P0.7和P2.0～P2.1相連,并且由相應端口進行驅(qū)動。與端口P0.0～P0.7相連的由低位到高位排列的LED顯示位LED0、LED1、LED2、LED3、LED4、LED5、LED6、LED7分別表示溫度顯示范圍是-10°C～9°C、10°C～19°C、20°C～29°C、30°C～39°C、40°C～49°C、50°C～59°C、60°C～69°C、70°C～79°C,而與單片機端口P2.0～P2.1相連的由低位到高位排列的LED顯示位LED8、LED9分別表示溫度顯示范圍是70°C～79°C、80°C～89°C,且LED顯示位中的一位亮時,所有低于該顯示位的LED顯示位都亮。

2.2溫度測量單元

鹵素燈光源工作溫度數(shù)據(jù)測量是由STC89S52單片機和DS18B20完成的。DS18B20是美國半導體公司生產(chǎn)的“一線總線”接口溫度傳感器,測溫范圍是-550°C～+1 250°C,可以程序設定9～12位的分辨率,測量分辨率最高為0.065°C,測量時間可達93.78 ms,并具有獨特的單線接口方式[6-7]。在本設計中,將DS18B20放置在鹵素燈光源的金屬外殼上,測量分辨率設為0.5°C,溫度范圍設為-10°C～90°C,溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時間設為200 ms,并在DS18B20與STC單片機之間用一條帶4.7 kΩ上拉電阻的連線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信。當DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后,開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1、2字節(jié)中。單片機STC89S52通過單線接口讀出該數(shù)據(jù),讀數(shù)據(jù)時低位在在、高位在后,數(shù)據(jù)格式以0.062 5°C/LSB式表示。

STC89S52是一個8位單片機,它具有4 KB的在系統(tǒng)可編程Flash存儲單元、32個可編程I/O口線[8]。當STC89S52單片機對DS18B20進行讀寫操作時,首在將DS18B20復位,即將DS18B20的DQ線拉低480～960μS,再將數(shù)據(jù)線拉高15～60μS,然后由DS18B20發(fā)出60～240μS的低電平作為應答信號,此時STC89S52單片機可以開始對DS18B20進行讀寫操作。

2.3溫度設定與報警單元

本系統(tǒng)設計了3個按鍵S1,S2,S3。S1是設置鍵,用于通知STC89S52單片機進入溫度報警值設定功能,設定溫度上、下限報警值;S2、S3分別為溫度報警值增加鍵和溫度報警值減小鍵。按鍵S1,S2,S3分別接到單片機STC89S52的P2.2,P2.3, P2.4端口上。另外,還設計了蜂鳴報警器,單片機STC89S52的端口P1.2與之相連,當該端口輸出為高電平時,三極管導通,引起蜂鳴器報警。電路原理圖如圖2所示。

圖2 溫度報警單元Fig.2 Temperature alarm unit

單片機STC89S52將設定好的溫度上、下限報警值保存到芯片AT24C02里,由于芯片AT24C02是串行EEPROM,采用I2C總線進行數(shù)據(jù)傳輸,以引腳SDA作為串行數(shù)據(jù)線,并以引腳SCL作為串行時鐘線,故單片機STC89S52上的總線與AT24C02存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送均由SDA數(shù)據(jù)線完成[9]。由于芯片AT24C02占用的資源和I/O線很少,體積也小,同時具有抗干擾能力強、功耗低、數(shù)據(jù)不易丟失等特點,應用于本系統(tǒng)可保證掉電時數(shù)據(jù)不丟失且系統(tǒng)功耗小,這為本系統(tǒng)監(jiān)測室外運行的鹵素燈光源工作溫度降低了成本。

本系統(tǒng)在啟動的時候,單片機STC89S52在讀取存儲在AT24C02里的溫度上、下限報警值,然后將其與DS18B20讀取到的溫度值進行比較判斷。芯片AT24C02的引腳Vcc接電源正極,引腳SDA和SCL通過10 kΩ上拉電阻接電源正極,其電路原理圖如圖3所示。

圖3 AT24C02的接線Fig.3 The connection of AT24C02

2.4PCB板設計

本系統(tǒng)的PCB制板圖是以Protel99SE為設計平臺進行設計的。單片機STC89S52位于PCB板的中央,芯片AT24C02和光條LG102510G位于單片機STC89S52的兩側(cè),減小了噪聲對存貯器和顯示數(shù)據(jù)的干擾,而系統(tǒng)的電源接入口設于PCB板邊緣的下方,有利于減小電源中噪聲的竄擾。制好的PCB制板圖如圖4所示。

圖4 硬件系統(tǒng)的PCB板圖Fig.4 PCB profile of the hardware system

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件的設計是在keilC開發(fā)平臺上用C語言編程實現(xiàn)的。STC89S52單片機在對DS18B20進行讀寫操作,讀取溫度值,再以該值與AT24C02外部E2PROM中存儲的溫度上、下限報警值比較后進行處理和判斷,最后把鹵素燈光源的工作溫度數(shù)據(jù)按分段送光條LG102510G進行顯示。

本系統(tǒng)軟件是由主程序、溫度報警值設定子程序、溫度值讀出子程序、溫度值處理子程序和顯示數(shù)據(jù)刷新子程序組成,縮短了測量溫度的時間,提高了測量的實時性。本系統(tǒng)軟件的主程序流程圖如圖5所示。

圖5 軟件系統(tǒng)的主程序流程圖Fig.5 Flow chartof the main program of the software system

表1 溫度測量結(jié)果Tab.1 The results oftemperature measurement

完成上述系統(tǒng)硬件和軟件設計后,將DS18B20分別放置于照明光源金屬外殼的上、下、左、右共4個位置進行試驗,即以這4個位置作為4個監(jiān)測點,并在3個不同的時間點對同一個監(jiān)測點進行溫度測量,共得到12個溫度測量值。再用測量分辨率為0.1°C的FLUKE572紅外線測溫儀對同樣的位置進行測量,得到12個溫度測量值并以此作為參考值,將這些數(shù)據(jù)整理后如表1所示。從表1可以看出,照明光源金屬外殼的上、左兩個位置的測量溫度都比參考溫度高,而下、右兩個位置的測量溫度普遍比參考溫度低。這是由于照明光源的右下方放置了溫度測量顯示系統(tǒng)的開關電源,該電源工作時產(chǎn)生的熱輻射通過照明光源金屬外殼表面反射到FLUKE572紅外線測溫儀中,該紅外線測溫儀得到的測量結(jié)果疊加了這一溫度變化量,故下、右兩個位置的參考溫度比DS18B20測量得到的溫度值高一些;而照明光源的左邊沒有開關電源等發(fā)熱器件,故上、左兩個位置的參考溫度與測量溫度較接近且略低一些。經(jīng)過對表1中測量數(shù)據(jù)進行對比后可知,用DS18B20測量得到的溫度值與相應的參考值之間的最大誤差為0.6°C,最大相對誤差為3.97%,說明可以使用DS18B20作為溫度傳感器來監(jiān)測照明光源的工作溫度,即使照明光源出現(xiàn)工作異常、嚴重發(fā)熱的現(xiàn)象時,DS18B20在設定的溫度測量范圍(-10°C～90°C)內(nèi)也可以得到相應的溫度測量值。

4 結(jié)論

本文研制了一種基于分段式顯示法的溫度測量顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用DS18B20數(shù)字溫度傳感器和單片機進行數(shù)據(jù)采集和處理,并把測量結(jié)果分段顯示在LG102510G光條上。通過對設定范圍為-10°C～90°C的溫度測量和分段顯示,驗證了該系統(tǒng)可用于監(jiān)測照明光源的工作溫度,并可避免室外照明光源異常工作、嚴重發(fā)熱,故該光條式溫度測量顯示系統(tǒng)具有一定的應用價值。

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Temperature Measurement&Display System Based on Light Bar

JIANG Xiao-jun,WANG Jian-jun,CHEN Bao-yu,WANG Su-juan
(Schoolof Electronic&ElectricalEngineering,ShanghaiSecond Polytechnic University, Shanghai201209,P.R.China)

The temperature measurement&display system based on the segmented display method is proposed.After the digitaltemperature sensor DS18B20 and the microprocessor are taken to collectand process the data,the measured value is displayed on the light bar LG102510G.The difficultofobserving the temperature value by using the thermometer in the nightis overcome,and itis convenient for the operator to obtain the rapid assessmentof the working status of the illumination light.The measurementsystem is validated by measuring the temperature of the illumination lightin the setting temperature range of-10°C～90°C,which provides an effective way to avoid the outdoor illumination lightworking atthe abnormaland severe feverstatus.

temperature measurement;temperature Display;LG102510G lightbar;microcontroller

TH811

A

1001-4543(2013)04-0296-05

2013-07-10;

2013-10-15

江曉軍(1970–),男,四川內(nèi)江人,副教授,博士,主要研究方向為精密光電測控技術(shù),電子郵箱xjjiang@sspu.edu.cn。