基于單片機(jī)的自動(dòng)溫度測(cè)量報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：目前，在自動(dòng)控制領(lǐng)域用溫度作為一種控制量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制已經(jīng)越來越普遍。針對(duì)這種實(shí)際情況本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的溫度報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為中央處理單元，大大降低了系統(tǒng)開發(fā)的成本。通過溫度傳感器LM35采集外部的溫度，并將溫度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值。A／D轉(zhuǎn)換裝置對(duì)電壓值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將結(jié)果送入中央處理單元進(jìn)行計(jì)算。單片機(jī)根據(jù)其處理的結(jié)果決定是否需要啟動(dòng)報(bào)警裝置。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以在5～150℃環(huán)境下工作，當(dāng)外界的溫度達(dá)到設(shè)定的報(bào)警溫度時(shí)該系統(tǒng)能夠及時(shí)地做出反應(yīng)，具有一定的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。
關(guān)鍵詞：AT89C51；傳感器；A／D轉(zhuǎn)換；自動(dòng)報(bào)警

    目前，無論是在工業(yè)生產(chǎn)中還是在科研實(shí)驗(yàn)中通過對(duì)溫度測(cè)量來進(jìn)行自動(dòng)控制的設(shè)備越來越普及，應(yīng)用場(chǎng)合也越來越多。隨之而來的問題是，如何能夠測(cè)得精確的溫度以保證自動(dòng)控制設(shè)備能夠正確地發(fā)出控制指令來控制生產(chǎn)過程。另一方面，如果溫度過高可能會(huì)對(duì)一些設(shè)備中的一些半導(dǎo)體元器件造成損壞。因此，對(duì)于自動(dòng)高溫報(bào)警的需求也在逐漸增加。本文基于以上方面的考慮，研究并設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的自動(dòng)溫度測(cè)量與報(bào)警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    盡管目前市場(chǎng)上單片機(jī)的品種多樣，功能也越來越多，但是受成本約束，性能優(yōu)良的8位單片機(jī)仍然是工業(yè)檢測(cè)與控制應(yīng)用領(lǐng)域的首選。
    本系統(tǒng)就是以ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)為中心，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7812對(duì)溫度傳感器的輸出電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換結(jié)果送入單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理，通過編程分析處理的結(jié)果，最后決定是否報(bào)警。下面分別介紹各個(gè)硬件功能模塊的設(shè)計(jì)。
1．1 溫度傳感器設(shè)計(jì)
    溫度傳感器是感知外部環(huán)境中溫度變化的重要元件，它是外界與本系統(tǒng)的接口。它將外界溫度的變化轉(zhuǎn)化成電壓的變化，這樣通過對(duì)電壓的處理與分析就可以間接地測(cè)量出外界溫度。本系統(tǒng)采用的溫度傳感器為LM35，該溫度傳感器由美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)，在常溫下，不需要額外的校正處理就可以到達(dá)0．25℃的準(zhǔn)確率。其輸出電壓與攝氏溫度成線性關(guān)系，并且這種關(guān)系可以表示為：
   
    式中，Vo為傳感器的輸出電壓，單位V，T是外界環(huán)境中的溫度，單位℃。由于LM35能夠測(cè)量的最高溫度是150℃，由式(1)可得其最大輸出電壓為1．5 V。為了能夠與AD7812的輸入進(jìn)行匹配，故需要對(duì)傳感器的輸出電壓進(jìn)行放大，放大的倍數(shù)約為3．33倍。可采用集成運(yùn)放連接成同向放大器來實(shí)現(xiàn)電壓放大的功能。經(jīng)過放大后的電壓約為5 V，恰好能夠與模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的輸入相匹配。該部分電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

1．2 A／D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)
    經(jīng)過溫度傳感器轉(zhuǎn)換后的輸出電壓值不能直接送入單片機(jī)中進(jìn)行處理，還必須在它們之間增加A／D轉(zhuǎn)換裝置。本文中選擇AD7812作為A／D轉(zhuǎn)換器。AD7812是由Analog Devices公司生產(chǎn)的一種串行接口的10位8通道A／D轉(zhuǎn)換器。與一般的并行接口A／D轉(zhuǎn)換器相比，它的優(yōu)點(diǎn)在于能夠節(jié)省處理器的引腳資源。節(jié)省下來的引腳資源可以進(jìn)一步的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，以使其功能更加強(qiáng)大。在AD7812內(nèi)部有8路模擬開關(guān)可以采集8路模擬信號(hào)，這里只需要將經(jīng)放大的傳感器輸出信號(hào)輸入到其中任意一路即可，為了簡(jiǎn)便起見，就取其中的第1路模擬開關(guān)作為輸入信號(hào)的通道。由于AD7812內(nèi)部具有轉(zhuǎn)換時(shí)鐘源，因而不需要外部提供時(shí)鐘源。單片機(jī)只需要通過它的串行時(shí)鐘輸入、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)輸入、轉(zhuǎn)換輸入4根引腳就可以對(duì)其進(jìn)行控制。該部分電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

1．3 單片機(jī)處理器電路設(shè)計(jì)
    AT89C系列單片機(jī)是一款低電壓，高性價(jià)比8位單片機(jī)。與MCS-51單片機(jī)相比，它有兩大優(yōu)勢(shì)：第一，片內(nèi)存儲(chǔ)器采用閃速存儲(chǔ)器，使程序的寫入更加方便；第二，推出了更小尺寸的芯片，使電路的尺寸更小。
    AT89C51是該系列中一種帶4 KB容量可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器和128字節(jié)隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)的高性能8位單片機(jī)。它采用ATMEL的高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳兼容?？傊珹TMEL的AT89C51單片機(jī)為嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種高性價(jià)比的實(shí)現(xiàn)方案。
    AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4 K字節(jié)的Flash閃存存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I／O口線，2個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，1個(gè)5向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，1個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0 Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)／計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。在本文中該中央處理電路如圖3所示。

1．4 異常情況報(bào)警電路設(shè)計(jì)
    報(bào)警電路的作用是在出現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)地提醒工作人員盡快采取措施，減少危險(xiǎn)，避免災(zāi)難性后果的出現(xiàn)。因此，在設(shè)計(jì)報(bào)警電路時(shí)，應(yīng)該讓它的報(bào)警行為能夠迅速被人察覺，以進(jìn)一步采取相應(yīng)措施，避免或減少危害帶來的損失?，F(xiàn)代科學(xué)研究證明，通過刺激人的視覺與聽覺能夠較好地達(dá)到報(bào)警的目的。并且，閃爍的燈光與斷續(xù)的聲響最能夠引起人們的注意?；谏厦娴倪@種考慮，在設(shè)計(jì)中使用了74LS0 0、74LS04等集成門電路芯片組成的脈沖信號(hào)發(fā)生器來控制聲音的斷續(xù)和燈光的亮滅。
    外界環(huán)境中的溫度被溫度傳感器所采集，溫度傳感器會(huì)將此時(shí)的溫度轉(zhuǎn)換成電壓值，該電壓值經(jīng)過匹配后送入A／D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)按照編制好的程序進(jìn)行處理，如果確實(shí)此時(shí)的溫度超過了人們憑借經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的閾值，單片機(jī)將通過指令使P0．0、P0．1兩口輸出為高電平(約為+5 V)，使得揚(yáng)聲器與發(fā)光二極管產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。該部分的電路設(shè)計(jì)如圖4和圖5所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    為了便于程序的修改，將系統(tǒng)按照模塊化的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由溫度采集、A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警輸出4個(gè)模塊部分組成。溫度采集是由溫度傳感器LM35完成，A／D轉(zhuǎn)換和報(bào)警輸出是由單片機(jī)進(jìn)行控制的。而數(shù)據(jù)處理部分則是單片機(jī)接收到A／D轉(zhuǎn)換器送來的數(shù)據(jù)后，在單片機(jī)內(nèi)部完成的，其結(jié)果將決定報(bào)警輸出模塊是否工作。
    系統(tǒng)的工作流程是：LM35采集溫度，并且將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)：A／D轉(zhuǎn)換將線性放大后的模擬電信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，使之成為單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)；單片機(jī)通過處理轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)來分析采樣的溫度值，并將分析結(jié)果送到報(bào)警輸出電路中；報(bào)警輸出電路根據(jù)分析的結(jié)果做出相應(yīng)的反應(yīng)。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

2．1 A／D轉(zhuǎn)換模塊
    A／D轉(zhuǎn)換器在啟動(dòng)之前需要對(duì)其進(jìn)行初始化，否則會(huì)影響后面的使用。根據(jù)圖2的連接方式，初始化時(shí)將單片機(jī)的P1．4口置1，然后軟件啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換過程即可。在轉(zhuǎn)換的過程中。由于任何A／D轉(zhuǎn)換器都會(huì)有一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，所以在轉(zhuǎn)換時(shí)要設(shè)置一定的延時(shí)，并且該延時(shí)要略長于器件的轉(zhuǎn)換時(shí)間。由于AD1812的轉(zhuǎn)換時(shí)間約為2．3 μs，在程序中可以將延時(shí)設(shè)置為3μs，以保證轉(zhuǎn)換過程的順利進(jìn)行。
2．2 中央處理模塊
    這部分模塊的軟件設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)對(duì)A／D轉(zhuǎn)換模塊的控制、單片機(jī)處理送來的數(shù)據(jù)以及單片機(jī)對(duì)報(bào)警系統(tǒng)的控制3大部分。
    對(duì)A／D模塊的控制主要包括對(duì)AD7812進(jìn)行有關(guān)控制字的寫入以及對(duì)P1口的引腳的置位與清零操作；數(shù)據(jù)處理部分主要是將外界溫度轉(zhuǎn)換過來的電壓值與預(yù)先的經(jīng)驗(yàn)閾值進(jìn)行比較，進(jìn)而決定是否啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)；報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)則是根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果對(duì)P0口進(jìn)行清零或是置位，來啟動(dòng)或停止報(bào)警電路。

3 結(jié)束語
    本文主要設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)溫度測(cè)量報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要基于AT89C51單片機(jī)，中央處理單元與外圍擴(kuò)展模塊的構(gòu)造簡(jiǎn)單，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本較低。由于LM35是采用單電源供電方式，因此該系統(tǒng)只能夠在5～150℃的范圍內(nèi)工作，可以作為常溫下的報(bào)警裝置使用，尤其是在一些對(duì)溫度較敏感的電氣設(shè)備內(nèi)部，可以起到防止設(shè)備故障的作用，故而具有一定的實(shí)用價(jià)值。在設(shè)計(jì)中沒有使用并口的A／D轉(zhuǎn)換AD0 809而是使用了串口轉(zhuǎn)換的AD7812為單片機(jī)節(jié)約了許多端口資源，可以利用這些資源擴(kuò)展LED或LCD顯示系統(tǒng)，也可制成溫度的測(cè)量與報(bào)警系統(tǒng)，使其功能更加完善。