摘要：设计了一种基于单片机AT89S51和DS18B20温度传感器的温度采集报警系统。该系统性能可靠，结构简单，能实现安全温度内正常显示温度值，超出设定的温度上限则进行声光报警。
关键词：单片机；温度检测；报警
中图分类号：TP311.52文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 23-0000-03
Temperature Acquisition Alarm System Design Based MCU
Wang Rongrong,Liu Haixia
(Inner Mongolia Technical College of Mechanics and Electrics,Huhhot010070,China)
Abstract:It designs a microcontroller based on AT89S51 and DS18B20 temperature sensor temperature collection and alarm system.The system has reliable performance,simple structure,can achieve safe temperature within a normal display temperature exceeds the set temperature,upper limit,sound and light alarm.
Keywords:MCU;Temperature detection;Alarm
一、系统设计
基本工作原理
如图1所示为温度采集报警系统框图。该设计将以单片机控制的温度采集系统为主，利用单片机完成对温度的检测，实现安全温度内正常显示温度值，超出设定的温度上限则进行声光报警。
系统在温度采集时主要应用了DS18B20芯片，该器件经过初始化后单片机首先进行ROM匹配，当受到测温器件发回的信号时证明该器件正常工作，接着单片机发送温度转换命令进行温度采集，测温的精确度很高，可以精确到小数点后四位。设计中还应用了HD7279芯片进行数码管显示的驱动，一共应用了6位数码管。
图1 温度采集报警系统框图
二、硬件设计
（一）测温和控制电路
1.测温
测温使用的DS18B20是典型的应用单总线技术的器件。
顾名思义，单总线只有一根数据线。设备（主机或从机）通过一个漏极开路或三态端口，连接至该数据线，这样允许设备在不发送数据时释放数据总线，以便总线被其它设备所使用。
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现９～１２位的数字值读数方式。DS18B20采用３脚PR－35封装或８脚SOIC封装，其内部结构框图如图2所示。
图2 DS18B20内部结构框图
DS18B20的测温原理是这样的，器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生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。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，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测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，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，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计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。
单总线要求外接一个约5k的上拉电阻；这样，单总线的闲置状态为高电平。不管什么原因，如果传输过程需要暂时挂起，且要求传输过程还能够继续的话，则总线必须处于空闲状态。位传输之间的恢复时间没有限制，只要总线在恢复期间处于空闲状态（高电平）。如果总线保持低电平超过480μs，总线上的所有器件将复位。另外，在寄生方式供电时，为了保证单总线器件在某些工作状态下（如温度转换期间、EEPROM写入等）具有足够的电源电流，必须在总线上提供强上拉[1]。
主机控制DS18B02完成温度转换必须经过三个步骤：初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。必须先启动DS18B02开始转换，再读出温度转换值。本系统仅挂接一个芯片，在软件设计中使用默认的12位转换精度，外接供电电源，读取的温度值高位字节送单元，低位字节送WDLSB单元，再按照温度值字节的表示格式及其符号位，经过简单的变换即可得到实际温度值。
2.控制
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机；片内含有4k字节的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128字节的随机存取数据存储器（RAM）；器件采用AMTEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统；片内置通用2位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
图3 测温和控制电路
（二）显示控制电路
HD7279A是一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管(或64个LED点阵)的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵。该芯片内部含有译码器，可直接接受16进制码，HD7279A还同时具有2种译码方式，HD7279(A)还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。HD7279与单片机仅需4条接口线，其中CS为片选信号。当MCU访问HD7279时，应将片选端置为低电平。DATA为串行数据/输出端，当向HD7279发送数据时，DATA为输入端；当HD7279A输出键盘代码时，DATA为输出端。其特点为：
-串行接口，无需外围元件可直接驱动LED
-各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性
-（循环）左移/（循环）右移指令
-具有段寻址指令，方便控制独立LED
-64键键盘控制器，内含去抖动电路
-有DIP和SOIC两种封装形式供选择
显示控制电路如图4所示：
图4显示控制电路
（三）声光报警电路
1.发光二极管报警电路的设计
由4个发光二极管接上电阻后连上单片的RXD的引脚，外接VCC，当单片机的RXD引脚被置低电平后，发光二极管被点亮，起到报警作用。图5所示为发光二极管报警电路。
图5 发光二极管报警电路图
2.声音报警电路的设计
如下图所示，用一个Speaker和三极管、电阻接到单片机的TXD引脚上，构成声音报警电路，如图6示为声音报警电路。
图6 声音报警电路图
三、软件设计
该设计中主要利用了DS18B20芯片进行测温，该芯片是单总线器件，顾名思义单总线只有一根数据线，因此在通信时时序就显得十分重要，我们在编程时也要十分注意这一点。在程序中测温时首先要对DS18B20进行初始化，初始化过程由单片机发出的复位脉冲和芯片响应的应答脉冲组成，应答脉冲使主机知道，总线上有从机设备，且准备就绪。由于总线上只挂接了一片测温芯片，因此可直接跳过ROM匹配发出测温命令。该设计可实时显示温度值，便于连续观测。软件流程图如下所示：
图7 软件流程图
四、总结
本设计研究了一种基于单片机技术的温度采集报警系统。该系统通过以AT89S51单片机为工作处理器核心，利用了DS18B20芯片进行测温，当温度超出设定范围时，单片机输出控制信号，驱动声光报警电路开始报警。该系统操作简单、易懂、智能性高、误报率低，设计后的系统具有操作方便，控制灵活等优点。
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[作者简介]王熔熔，副教授，内蒙古机电职业技术学院信息与管理工程系副主任，宣传部副部长；刘海霞（1965.3-），女，内蒙古呼和浩特市人.内蒙古机电职业技术学院副教授，硕士研究生，研究方向：控制理论与控制工程。