基于单片机的智能温度预警系统的设计方案

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1.引言
       
        随着社会的发展特别是工业的发展，人民生活的改善，安全问题变得更加重要。目前，在许多情况下，都需要对环境的温度进行限定，其中包括人的生活工作环境、仪器设备的工作环境以及动植物的生长环境等。
       
        如果环境温度超过或低于限定值，必定对所处环境的人和设备造成影响，甚至给个人和社会造成巨大的损失。随着单片机技术的飞速发展，利用单片机设计温控系统成为控制技术发展的需要。本文提出了一种基于单片机的温度预警系统的设计方案，并采用PROTEUS进行了仿真。该系统不仅可以高精度的测量温度，同时对温度进行实时监控并做到超温报警，有较高的实用价值。
       
        2.系统设计的总体方案
       
        本设计方案总体框图如图1所示，它是由单片机、四路数据采集模块、集成功放模块、人机交互界面和系统电源等组成。
       
       
       
        本设计系统以AT89C52单片机作为控制核心，数据采集部分由温度传感器DS18B20组成；人机交互界面为4×4矩阵键盘输入和LCD1602液晶显示，可以方便的输入数据和直观的显示。系统电源为+5V电源供电。软件部分采用C语言进行编程，实现了该设计的全部控制功能。该温度预警系统的测量范围为-55℃~+125℃。当检测的温度高于最高或最低温度设定值时，实现报警功能。
       
        3.电路设计
       
        3.1单片机
       
        AT89S52单片机是ATMEL公司推出的高档型AT89S系列单片机中的增强型产品。AT89S52是一个低功耗、高性能CMOS8为单片机，片内含8K Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器。期间采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
       
        3.2温度采集电路
       
        由单片机获取非电信号的温度信息，必须通过温度传感器。传统的温度测量多以热敏电阻作为温度传感器，但是，热敏电路可靠性较差，测量温度精度低，因此使用DS18B20温度传感器采集温度。DS18B20是美国达拉斯（Dallas）公司的单数字温度传感器芯片，DS18B20具有体积小，功耗低，抗干扰能力强，易于微处理器连接等特点，其测量范围-55℃~+125℃，最大分辨率为0.0625℃，在-25℃~+85℃范围内其测温标准度为±0.5℃。
       
        DS18B20只有三个引脚，一个接地，一个接电源，一个数字输入/输出引脚，由于DS18B20采用单总线结构，本系统的四个温度传感器并联在三线上，数据输入/输出接单片机的P1.7口，电源与数字输入输出脚间需要接一个4.7K的电阻，实现多点组网功能。
       
        3.3报警电路设计
       
        本系统报警电路使用LM386作为报警器的功率放大器。LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。
       
        LM386的输入端接单片机的P3.4引脚，输出端接扬声器，电路图如图2所示。当实际温度超过或低于设置的温度值时，单片机相应引脚输出一定频率的信号，信号经过音频功放放大之后，发出报警声。
         
       
        3.4显示接口电路设计
       
        系统采用液晶显示模块来显示4路温度采集值及温度设定值。本系统采用LCD12864液晶显示模块。LCD12864是一种具有4位/8位并行、2线或三线串行多接口方式，内部含有国际一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块，其显示分辨率为128×64，可以显示8×4行16×16点阵的汉字。同时又具有低电压低功耗等特点。
       
        在本系统，LCD12864的3个控制端RS（数据/命令选择端）、R/W（读/写选择端）、E（使能信号）分别连接单片机的P3.7、P3.0、P3.3，用来对LCD12864进行控制；LCD12864的8个数据端连接单片机的P0口，用来向LCD12864写入数据。液晶的第3引脚为液晶显示偏压信号，用来调节显示的对比度；第1、2引脚为液晶的电源接口；第19、20引脚是显示器背光灯的电源接口。
       
        3.5键盘接口电路设计
       
        键盘在单片机应用系统中能够实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人干预单片机的主要手段。本系统采用了4×4矩阵键盘实现对温度值和功能键的设定。四条行线接单片机P2口的高4位，四条列线接单片机P2口的低4位。初始化时键盘行线为高电平，列线为低电平。键盘的行线接4输入与门，4输入与门的输出接单片机的外部中断0引脚P3.2口。当有键按下时，将产生中断，在中断程序里对按键进行扫描，得到按键的键值。
       
        3.6电源电路的设计
       
        电源是整个系统的能量来源，它直接关系到系统能否运行。在本系统中单片机、液晶显示、报警等电路需要5V的电源，因此电路中选用稳压芯片7805，其最大输出电流为1.5A，能够满足系统的要求。
       
        4.软件设计
       
        主程序先对系统资源进行初始化，调用LCD显示子程序，然后进入键盘设置界面。
       
        当设置键按下后，开始设置各点的温度，如果确认键按下，则系统开始工作。首先调用DS18B20初始化子程序，再发送ROM命令，读取DS18B20转换的温度值。当读取的温度大于设置的温度值时，报警器开始报警，LCD显示温度的实际值、设置值、路数、状态。
       
        接下来对第二、三、四路温度进行采集，处理，显示。
       
        5.系统PROTEUS仿真
       
        Proteus软件是来自用过Labcenter Electronics公司，基于SPICEF5仿真引擎的很合电路仿真软件，是一款含有大量的系统资源、丰富的硬件接口电路，具有强大的调试功能和软硬件相结合的仿真系统。它很好地解决了硬件设计和软件调试的问题，不仅能够仿真模拟、数字电路以及模数混合电路，还能够仿真基于单片机的电子系统。本系统PROTEUS仿真图如图3所示。
       
       
       
        6.结论
       
        本方案以AT89C52为控制核心，DS18B20采集温度、LCD12864显示温度和LM3386驱动报警等设计了一款智能温度预报警系统，并通过PROTEUS仿真，得到了很好的效果，证实了本系统具有结构简单、功耗低、智能调节等优点。本系统可以应用于粮仓、工厂、浴室等场合，具有很强的实用价值。