数字温度报警器的设计与实现

数字温度报警器的设计与实现冯平 夏颖 张治中摘要采用AT89S51主控制器和美国DALLAS半导体公司推出的改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件。实现了对环境温度的实时监测，并能在预设的温度范围内用LED显示，同时在超过预设范围时产生报警信号。分析了温度传感器的工作原理、系统硬件电路以及软件部分的设计。实际测试表明，该方案切实可行，并已在许多通信领域得到广泛应用。关键词： AT89S51 DS18B20 数字温度计 温度报警器 数字传感器运营与应用冯平女，重庆人，重庆邮电大学，硕士研究生。主要研究方向：通信网协议与系统软件，电子信息工程及传感器技术与单片机技术在通信中的综合应用等。夏颖女，重庆人，重庆邮电大学，硕士研究生。主要研究方向：通信网协议与系统软件，传感器技术与单片机技术在通信中的综合应用等。张治中男，湖北恩施人，重庆邮电大学，博士生导师。 主要研究方向：第三代移动通信测试技术、宽带信息网络、NGN网络等。0引言温度传感器作为测温元件。该数字温度传感器即是美国14在日常生活及工农业生产中经常要涉及到温度的检测及控制，传统的测温元件有热电偶、热敏电阻还有一些输出模拟信号的温度传感器，而这些测温元件所测出的一般都是电压或电流，再将其转换成对应的温度，所以需要比较多的外部硬件支持。如果需要进行数字显示，就还需要进行A/D转换，才能和主控制器进行通信，其硬件电路复杂、而且软件调试繁琐、制作成本高。故在本设计中将采用另外一种方案，即使用DS18B20数字DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种改进型智能温度传感器。本数字温度报警器设计主要采用上述的改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件,并设置了超限报警功能，如果测得的温度超过了预设温度值，蜂鸣器将会发出报警信号，同时数码管正常显示温度值，按下复位键系统停止报警，系统将再次检测测得的温度值，若在预设范围内，数码管正常显示测得的温度值，否则产生报数字温度报警器的设计与实现警信号。而且传感器DS18B20是采用3线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，主控制器通过软件处理接收到的数据，从而使得整个系统具有低成本、易使用和稳定性高等特点。在通信以及其他相关领域有着不可忽视的美好前景！1温度传感器工作原理DS18B20 温 度 传 感 器 采 用 3 脚 FR 35 封 装 或 8 脚SOIC封装。其与传统的热敏电阻等测温元件相比，能直接读出被测温度值，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。DS18B20的主要性能特点在于其负电压特性，当电源极性接反时，温度计不会因发热而被烧毁；同时，其还具有用户自定义的非易失性温图1 DS18B20测温原理图由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有很严格的时序概念，因此其读写时序非常重要。当 DS18B20 处 于 写 存 储 器 操 作 和 温 度 A/D 转 换 操度报警设置以及实现多点组网等强大功能！DS18B20的具体测温原理图则如图1所示，图中低作时，总线上必须有很强的上拉，上拉开启时间最大为10s，采用寄生电源供电方式时VDD和GND端需接地。另外，由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三运温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。图中还隐含着计数门，当计数门打开态的。同时，系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行，其操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。营与应用时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而完成温度的测量，计数门的开启时间由高温度系数振荡器来确定，每次测量前，首先将55所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置值将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。斜率累加器则用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值达到被测温度值。2 系统硬件电路的设计按照系统设计功能的要求，确定该系统主要由5个模块所组成：即主控制器、测温电路、报警及继电器控制电路、电源电路以及显示电路。数字温度报警器系统的结构框图如图2所示。图 2 数字温度报警器系统结构框图该数字温度报警器的电路设计原理图如图3所示，其中，控制器使用AT89S51,温度传感器使用DS18B20， 并用S8550来驱动4位共阳LED数码管以动态扫描的方法实现温度的显示。2009.4.广东通信技术15运营与应用图 3 数字温度报警器设计电路原理图运营(1) 主控制器基极。与应单片机AT89S51具有低电压供电和体积小等特点，可用于工农业控制。当达到一定的温度时，继电器动作，3软件部分的设计用同时扬声器产生报警信号，系统只用P0、P2两个端口就可以满足电路系统的设计要求，较AT89C2051而言，更便于扩展系统功能。为了保证系统的稳定性以及满足严格的时序要求，本系统采用了11.0592M晶振。另外，该系统中，单片机的复位方式采用开关复位方式。(2) 电源电路电源电路主要采用L7805三端稳压器来给系统提供5V稳定电源，其中还用到几个电容，以起到滤波作用，便于消除电路干扰。(3) 显示电路显示电路采用4位共阳LED数码管，从P0口输出段码，列扫描用P2.0P2.3口来实现，列驱动用S8550三极管。(4) 报警及继电器控制电路报警电路比较简单，由一个三极管和蜂鸣器所组成，信号从单片机的一个准双向口输出到三极管的基极。其控制部分则由三极管、二极管、电阻以及继电器所组成，其信号也是从单片机的一个准双向口输出到三极管的该设计中所涉及到的系统程序主要包括主程序、DS18B20初始化子程序、读温度子程序、计算温度子程序以及显示数据刷新子程序等。3.1 主程序主程序的主要功能是负责温度的实时显示，读出并处理DS18B20的测量温度值。其主要包括4个部分，即初始化部分、读取温度值部分、调用显示子程序以及结束返回部分。3.2 读出温度子程序读出温度子程序的主要功能是读出RAM的前两个字节的内容，并对其进行相应处理，以便能用数码管LED进行显示。其具体程序流程图如图4所示。该子程序首先需关总中断，再调用DS18B20复位初始化子程序，并判断标志位FLAG值是否为逻辑真，再调用写DS18B20子程序以及读DS18B20子程序，并利用温度转换命令将存储的数据进行BCD转换成对应的数值在数码管LED上显示出来。16数字温度报警器的设计与实现检查电路的焊接是否正确，然后可用万用表测试或通电检测。软件调试则可以先编写显示程序并进行硬件的正确性检验，然后分别进行主程序、读温度子程序、报警子程序、显示子程序等的编程及调试，由于DS18B20与单片机采用串行数据的传送，因此，对DS18B20进行读写编程时必须严格地保证读写时序，否则将无法读取测量结果。本程序采用单片机汇编语言编写，用KEIL uVision2编译器编程调试。软件调试直到能够显示温度值，而且在有温度变化时（如用手去接触）显示温度能改变，并在预设的温度范围内正常显示，超过了预设温度范围继电器动作并保持一直吸合状态，同时蜂鸣器产生报警信号，数码管显示但是显示温度值不断闪烁，直到温度在预设范围内继图4 读出温度子程序流程图电器关闭，蜂鸣器停止报警，温度正常显示，此时软件调试基本完成。3.3 显示子程序显示数据子程序主要是对显示缓冲器中的数据用对5总结运营应的段码表示输出到单片机的P0口，同时扫描单片机的本系统主要以单片机AT89S51和数字温度传感器与P2.0P2.3，每位显示延时4722s，显示完四位数据就返回到主程序。DS18B20为核心部件，精确度高、测量准确、方便携带、便于用在工农业等温度控制领域。其电源部分采用了应用比较普通的三端稳压器L7805,便于提供比较稳定的电源。3.4 报警子程序报警子程序是当单片机读取完数据后就开始检测温度值是否超过了预设的温度值范围。其程序流程图如图5所示。另外,本系统采用了宽电源设计，可以用7+12V的直流电源供电，也可以直接用5V的直流电源。通过具体设计及实际测试，充分证明了该系统设计方案的可行性和有效性，各项性能指标均达到了预期的要求。传感器技术与单片机技术有机结合的综合体将会是现代通信的一个必然的趋势！参考文献1234陈星梧,刘鸣等. 数字式温度计DS18B20特性及应用. 国外电子元器件. 2002年第3期周月霞,周传友. DS18B20硬件连接及软件编程.传感器世界.2001年第12期辉雄.智能温度报警系统.电子制作. 2004年第1期李杰. 数显示温度计的制作.电子世界. 2003年第10期图5 报警子程序流程图5任丰原, 黄海宁,林闯. 无线传感器网络软件学报20034 调试及性能分析6李建中, 李金宝, 石胜飞. 传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展. 软件学报. 2003系统的调试以程序为主。硬件调试比较简单，首先7杨志勇, 管伊春, 严利民. 一种热导式在线分析仪的温度控制（下转第28页）2009.4.广东通信技术17通 信 热 点定码率，接收机可以对接收到的数据进行缓冲，然后生成速率不变的数据流。从而为在不同网络间实现平稳、无缝业务交换提供了基础。（4）2M模式:CMMB标准提供8MHz（有效带宽为7.512MHz）和2MHz（有效带宽1.536MHz,等同于DAB的一个频率群块）两种无线带宽模式，便于灵活使用宝贵的无线带宽资源。针对于DAB 系列的标准，CMMB 的2MHz 带宽模式，有效带宽为1.536MHz 也具备窄带发射特性，因此，在与DAB系列标准相当的发射频率条件下,源，CMMB也是2008年奥运会新媒体的直播载体，成功为用户提供了及时的赛事进展和结果；收费低廉，CMMB兼顾国家媒体信息发布功能；信号容量大7；抗灾害能力强，当发生自然灾害时，例如汶川地震，地面通信系统被破坏，但是CMMB系统能够通过卫星传送紧急广播1消息给灾区人民，避免不必要的恐慌，更重要的是使之能够向安全地区转移，尽快脱离危险。因此，在不久的将来CMMB移动多媒体技术必将成为中国主流的技术。参考文献同样的发射功率小、覆盖效果好、抗干扰能力强、支持移1中华人民共和国广播电影电视行业标准. GY/T220.1-2006-动性能好。2220.10-2008Roland A. Burger, Giovanni Jacovoni, Cliff Reader, Xiaming5发展前景及优势Fu, Xiaodong Yang, Wang Hui .A Survey of digital TV通信热随着科技的发展、社会的进步、人们生活水平的不断提高，人们对信息消费的多元化需求日趋明显，传统的模拟信号移动电视及模拟音频广播已经越来越不能满足大634standards ChinaJ.IEEE IST FP6 Reference contract n., 2007-2008覃益民. 试论适合CMMB的信源编码技术J. 广播与电视技术, 2008(8)：26-32CMMB100问点国移动多媒体广播（CMMB）通过无线广播电视覆盖网向各种便携式终端设备提供数字音视频和信息服务，大有替代传统无线广播的趋势。CMMB借助卫星通信,能极好地解决移动终端（手机电视）信号流畅的问题；CMMB由国家广电总局管理，其负责的电影、电视、广播载体，具有丰富的电视内容资567解伟. 移动多媒体广播与标准J. 现代电信科技，2008(6)：22-29石晓杰.“手机电视”技术与应用研究D. 北京邮电大学，2007李继龙. 移动多媒体广播STiMi传输信道分析 J. 广播与电视技术, 2007(7)：34-37(收稿日期：2009-04-03)（上接第17页）方法. 仪器仪表学报. 2005年第8期Wireless Sensor Networks. Adhoc network. 200589I.F. Akyildiz, W.Su , Y.Sankarasubramaniam,E.Cayirci.Wireless sensor networks.a survey. Computer Networks.2002Akkaya K, Younis M. A Survey on Routing Protocols for10PottieJG，KaiserJWWireless in