基于單片機簡易溫度報警器設(shè)計與實現(xiàn)①

喬學增

(安徽醫(yī)學高等?？茖W校，安徽 合肥 230006)

0 引 言

單片機技術(shù)的發(fā)展為快速且精準獲取信息提供了有效的途徑，單片機在日常生活中和工業(yè)生產(chǎn)中有效應用得到逐漸普及。當今社會對安全越來越重視，與安全密切相關(guān)的其中之一就是溫度，溫度在日常生活中和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要地位，人們經(jīng)常關(guān)注的一個數(shù)值是溫度的高低，在很多方面對溫度不但有要求，而且對溫度的要求還比較高，因此能有一個對當前溫度實時檢測和數(shù)字顯示[1]儀器還是很有必要,該儀器最好能根據(jù)需要任意設(shè)定溫度范圍，如果當前溫度超過設(shè)定范圍時就會報警提醒，引起人們注意[2]，該儀器應該是一款具有較高靈敏性和較高精確度的溫度報警裝置。設(shè)計一種溫度報警器，用單片機為該設(shè)備核心部分，單片機型號為STC89c52，溫度傳感器使用數(shù)字溫度傳感器，其型號為DS18B20，以LED 數(shù)碼管、蜂鳴器等為外圍電路共同組成的溫度報警器。對于這個溫度報警器，如果我們需要設(shè)置報警范圍，通過按鍵就可以設(shè)置上、下限[3]。當使用溫度報警器去測溫，所測得溫度不在不報警溫度范圍中時，報警器能夠及時報警提醒。該報警器具有制作簡單容易，攜帶方便，使用簡單。

1 系統(tǒng)設(shè)計及硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)置

利用STC89c52芯片和DS18B20型溫度傳感器為溫度報警器核心部件。STC89c52負責整個溫度報警器運行，數(shù)字溫度傳感器DS18B20負責測溫，所測得結(jié)果需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，再由單片機進行一系列處理,最后由LED 數(shù)碼管進行顯示。如果我們想查看該溫度報警器的報警溫度范圍，只需按設(shè)置鍵和加、減溫度鍵就可以實現(xiàn)，也可重新設(shè)定上、下限值。如果溫度報警器所需要檢測物體的溫度值不在所設(shè)定的不報警溫度范圍內(nèi)時，單片機就會驅(qū)動蜂鳴器進行報警,二極管發(fā)光，溫度報警器報警時人們既能聽到蜂鳴器響聲，也能看到二極管發(fā)光，實現(xiàn)聲光同時報警,整體結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 單片機最小系統(tǒng)

單片機中最重要的就是單片機最小系統(tǒng)，也可以說是單片機的最小配置，最小配置主要由單片機、復位電路、晶振電路和供電電源構(gòu)成。電源也是電子設(shè)備的必備，STC89c52單片機用5伏直流電源供電。STC89c52單片機有功耗低、運行速度快和抗干擾能力強[4]等特點，有著容量可達8K的系統(tǒng)在線可編程Flash 存儲器[5]，還可以任意選擇12時鐘/機器周期或者6時鐘/機器周期[6]等性能。單片機復位電路作用跟電腦重啟按鍵的作用非常相似，如果想讓單片機再次重新運行，只需要按下這個復位電路的復位鍵，單片機就可以重新從頭開始運行。只要給單片機的9腳輸入持續(xù)兩個機械周期高電平，單片機程序從頭執(zhí)行,也就是說單片機復位了。在單片機剛一開機時,復位電路中的RC電路進行充放電,會給與其連接的9腳有一段時間的高電平輸出,單片機就會重頭執(zhí)行其程序進行復位,也可以通過按鍵來讓單片機復位。在常態(tài)時9腳保持低電平,只有在復位時才需要高電平。51單片機晶振電路中的晶振采用是一個無源晶體，普遍選擇6MHz和11.0592MHz的晶振，晶振相當于單片機的工作速度，一般選取都不會超過24MHz，如果太高速度可能會出現(xiàn)不穩(wěn)定。本文所使用的這個單片機最小系統(tǒng)，其晶振電路是采用兩個電容量都是30pF的電容c1、電容c2和一個常用的石英晶振[7]共同組成，電容c1和石英晶振共同連接放大器輸入端，電容c2與石英晶振共同連接單片機放大器的輸出端，電容c1和電容c2的一端與地連接。晶振電路提供給單片機一個穩(wěn)定的時鐘信號作為時鐘基準，單片機最小系統(tǒng)見圖2。

1.3 溫度傳感器

在溫度報警器設(shè)計中，溫度傳感器是直接探測溫度,因此也是非常重要。目前市場上的溫度傳感器分兩類。一類叫模擬溫度傳感器，如果用模擬溫度傳感器去測溫，所得到的結(jié)果只是模擬量，但是單片機是數(shù)字電路，不會處理模擬量，因此還需要經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換處理,，再把經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果送給單片機進行一系列處理，才能得到模擬溫度傳感器檢測到的溫度值，在市場上由于價格低，應用較為廣泛。另一類叫數(shù)字溫度傳感器，DS18B20型數(shù)字溫度傳感器在數(shù)字溫度傳感器中較具代表性，形狀有直插式和貼片式。貼片式測溫不是很方便，所以在這里用直插式。單從外形上很容易把直插式DS18B20型傳感器和三極管弄混淆，DS18B20傳感器除了檢測溫度的范圍廣和精度高外，還存在運行穩(wěn)定、抗干擾等特點，外圍不需要任何器件。系統(tǒng)中DS18B20傳感器的DAT端既是信號輸入端也是輸出端，芯片DS18B20型數(shù)字溫度傳感器通過DAT端與單片機進行相應的讀和寫雙向信號通訊，DAT端與單片機引腳之間串聯(lián)一個10KΩ的上拉電阻，串聯(lián)這個電阻的目的就是為了穩(wěn)定信號。DS18B20內(nèi)部電路連接見圖3，外形及外部電路連接見圖4。

1.4 LED數(shù)碼顯示

所設(shè)計的溫度報警器使用LED 數(shù)碼管顯示檢測到的溫度值，數(shù)碼管有七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管之分，設(shè)計中顯示器使用的是四位一體八段共陽數(shù)碼管。LED數(shù)碼管連接在三極管集電極與單片機之間，三極管相當于開關(guān)，當單片機讓三極管導通，電流會由電源通過三極管的發(fā)射極、集電極到LED數(shù)碼管的位選端，最后通過LED數(shù)碼管段選流入單片機。在單片機、電源和三極管的共同作用下使得數(shù)碼管的位選是高電平，根據(jù)共陽數(shù)碼管的特性，在位選處于高電平,段選處于低電平的數(shù)碼管部分就會亮，數(shù)碼管根據(jù)單片機提供給位和段選的高低電完成數(shù)值顯示。

1.5 報警電路

報警電路由兩部分構(gòu)成，一部分是一個LED二極管與一個2.2KΩ的分壓電阻串聯(lián)組成的通路，電源是5V而LED二極管只需3V的驅(qū)動電壓，因此必須加一個分壓電阻來分壓，當單片機引腳給出低電平時,LED二極管就會亮；正常情況下引腳是高電平，LED燈不亮，單片機通過這種方式控制LED燈亮滅。 另一部分是由電源、三極管和蜂鳴器組成一個由PNP型三極管8550[8]充當電路開關(guān)的通路，三極管的導通與否是由單片機進行控制。我們在三極管8550基極和單片機引腳之間連接一個2.2KΩ的電阻，該電阻的作用是防止通過三極管的電流過大。當單片機給出三極管基極一個低電平，三極管就會導通，有電流流過蜂鳴器，蜂鳴器發(fā)聲報警，單片機通過對蜂鳴器和LED二極管的控制實現(xiàn)溫度報警器的報警功能。

1.6 按鍵電路及供電模塊

設(shè)計采用獨立按鍵輸入，除去單片機復位電路中的復位按鍵(RESET)外，還有設(shè)置鍵(SET)、加溫鍵(ADD)、減溫鍵(DEC)，外加單片機的一個開關(guān)鍵共5個按鍵。把設(shè)置鍵、加溫鍵和減溫鍵的一端連接到一起，把連到一起的那一端與地相連，剩下的一端分別與單片機上不同的引腳連接起來。如果三個鍵中的某一個鍵被按下，與該鍵相連的單片機引腳就是低電平，單片機就會執(zhí)行與之相應的功能。設(shè)計供電部分是把報警器上所有模塊的電源(VCC)正極相連給各模塊供電。因為設(shè)計每個模塊電源都是使用5VDC電源供電，只需一根電源線連接到報警器DC電源輸入接口，整個報警器就可以通過接口自鎖開關(guān)供電，用電腦或者充電寶均可以供電,既簡單又方便。

2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)主要根據(jù)設(shè)計目的和要求設(shè)計程序流程圖，見圖5。程序使用C語言編程[9],下面只給出一部分程序代碼，代碼如下：

void int0(void) interrupt 0

{

EX0=0; if(!DEC&&set_st==1)

{

do{

Disp_alarm(shangxian);

}

while(!DEC);

shangxian--;

if(shangxian

}

else if(!DEC&&set_st==2)

{

do{

Disp_alarm(xiaxian);

}

while(!DEC);

xiaxian--;

if(xiaxian<-10)xiaxian=-10;

}

}void int1(void) interrupt 2

{

EX1=0; if(!ADD&&set_st==1)

{

do{

Disp_alarm(shangxian);

}

while(!ADD);

shangxian++;

if(shangxian>85)shangxian=85;

}

else if(ADD==0&&set_st==2)

{

do{

Disp_alarm(xiaxian);

}

while(!ADD);

xiaxian++;

if(xiaxian>shangxian)xiaxian=shangxian;

}

}

3 硬件系統(tǒng)組裝

硬件系統(tǒng)我們還需要對電路進行設(shè)計，電路設(shè)計好后就可以準備焊接元器件和按圖連線了。按設(shè)計購買相應的元器件，檢查元器件的質(zhì)量、規(guī)格型號和數(shù)量等，必要時還需對購買來的元器件進行相應的檢測，以防焊接出錯導致?lián)p壞或影響產(chǎn)品效果，在檢查好后再進行連線焊接元器件。為了操作方便[10]，焊接時按照電路圖將元器件核對清楚后分開歸類放置、焊接，這樣可以盡量避免操作失誤導致返工。焊接時先焊接相對較小的元器件，然后再焊接相對較大的元器件，遵循焊好小的再焊大的原則。特別注意焊接那些易損壞或較為精密的元器件，焊好后最好檢測一下。完成焊接后接上電源看電路能否正常，如正常把程序燒入再進行調(diào)試，直到實現(xiàn)測溫報警。

4 溫度報警器功能實現(xiàn)

溫度報警器制作成功后可以設(shè)置報警溫度范圍。報警溫度范圍設(shè)置方法為：接通電源啟動溫度報警器，溫度報警器初始化后，就會檢測到當下溫度，溫度數(shù)值就會在數(shù)碼管上顯示，顯示數(shù)值的最后一位是溫度符號℃，這里用C代替。用手按一下設(shè)置鍵(SET)，數(shù)碼管的顯示結(jié)果為H+溫度值，按加溫鍵(ADD)增加溫度，按減溫鍵(DEC)減小溫度，每按一次加或減溫度按鍵，溫度值增加0.1℃，如果想快速增加或減小溫度，可以按著加或減鍵不動，直到達到想設(shè)置的上限溫度值。停止按加溫或減溫鍵，再次按下設(shè)置鍵，完成報警溫度上限設(shè)置。這時數(shù)碼管顯示結(jié)果為L+溫度值，用同樣的方法設(shè)置報警溫度下限，完成報警溫度下限設(shè)置后，用手再按一下設(shè)置鍵，報警器退出設(shè)置，數(shù)碼管再次回到設(shè)置前的顯示狀態(tài)，這樣報警溫度范圍就設(shè)置好了。

本溫度報警器可設(shè)置報警溫度值范圍為：報警溫度上限為85℃，下限為-10℃，當上下限設(shè)置數(shù)值相同時報警器不報警,即退出報警功能。如果報警器檢測到當前溫度比上限溫度值高，或者比下限報警溫度值低，報警系統(tǒng)就會自動報警，蜂鳴器會不停地響，LED二極管會伴隨蜂鳴器不停閃爍發(fā)光。如果想查看報警溫度設(shè)置范圍，方法與設(shè)置報警溫度范圍相似，按下設(shè)置鍵，你會看到數(shù)碼管顯示為H+數(shù)值，這個數(shù)值也就是為溫度報警器已設(shè)置的報警值上限，用手再次按設(shè)置鍵后去看數(shù)碼管顯示，你會發(fā)現(xiàn)顯示的數(shù)值已變成L+數(shù)值，這個數(shù)值也就是溫度報警器已設(shè)置的報警值下限，再按一次設(shè)置鍵數(shù)碼管顯示就會回到查看前狀態(tài)。為了檢測設(shè)計的溫度報警器的可靠性，對報警器溫度顯示，溫度報警范圍設(shè)置、報警功能等進行測試，測試結(jié)果顯示，該報警器的溫度顯示、溫度報警設(shè)置等可靠性高，效果較好。

5 結(jié) 語

設(shè)計的溫度報警器可以準確顯示當下溫度，最小顯示到0.1℃，誤差不超過0.1℃，可以根據(jù)具體需要在-10℃到85℃范圍內(nèi)，通過按鍵任意設(shè)置報警溫度范圍，如果想擴大最大或最小報警溫度范圍，可通過修改程序?qū)崿F(xiàn)。這個溫度報警器具有操作簡單、便于使用、制作容易、成本低下、攜帶也方便等優(yōu)點，也能實現(xiàn)其測溫報警功能，經(jīng)實測得出運行中性能穩(wěn)定等特點，經(jīng)過實際焊接使用，能達到預測的目標，但也存在功能較少的不足，在未來，就進一步優(yōu)化溫度報警器的體積、檢測精度、靈敏度、功能設(shè)計等方面有待更深的探究，設(shè)計出體積更小、精度更高、靈敏度更好、功能更全面的溫度報警器。