基于AT89C51的自動溫度測量報警系統(tǒng)設(shè)計

    目前，無論是在工業(yè)生產(chǎn)中還是在科研實驗中通過對溫度測量來進行自動控制的設(shè)備越來越普及，應(yīng)用場合也越來越多。隨之而來的問題是，如何能夠測得精確的溫度以保證自動控制設(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對一些設(shè)備中的一些半導(dǎo)體元器件造成損壞。因此，對于自動高溫報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)計了一種基于單片機的自動溫度測量與報警系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　盡管目前市場上單片機的品種多樣，功能也越來越多，但是受成本約束，性能優(yōu)良的8位單片機仍然是工業(yè)檢測與控制應(yīng)用領(lǐng)域的首選。

　　本系統(tǒng)就是以ATMEL公司的AT89C51單片機為中心，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7812對溫度傳感器的輸出電壓進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換結(jié)果送入單片機進行相應(yīng)的處理，通過編程分析處理的結(jié)果，最后決定是否報警。下面分別介紹各個硬件功能模塊的設(shè)計。

　　1.1 溫度傳感器設(shè)計

　　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，這樣通過對電壓的處理與分析就可以間接地測量出外界溫度。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0.25℃的準確率。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：

　　或者

　　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的輸入進行匹配，故需要對傳感器的輸出電壓進行放大，放大的倍數(shù)約為3.33倍?？刹捎眉蛇\放連接成同向放大器來實現(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)計如圖1所示。

圖1溫度傳感器電路[!--empirenews.page--]

　　1.2 A／D轉(zhuǎn)換設(shè)計

　　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中進行處理，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一步的對系統(tǒng)進行擴展，以使其功能更加強大。在AD7812內(nèi)部有8路模擬開關(guān)可以采集8路模擬信號，這里只需要將經(jīng)放大的傳感器輸出信號輸入到其中任意一路即可，為了簡便起見，就取其中的第1路模擬開關(guān)作為輸入信號的通道。由于AD7812內(nèi)部具有轉(zhuǎn)換時鐘源，因而不需要外部提供時鐘源。單片機只需要通過它的串行時鐘輸入、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)輸入、轉(zhuǎn)換輸入4根引腳就可以對其進行控制。該部分電路設(shè)計如圖2所示。

圖2  A／D轉(zhuǎn)換電路

　　1.3 單片機處理器電路設(shè)計

　　AT89C系列單片機是一款低電壓，高性價比8位單片機。與MCS-51單片機相比，它有兩大優(yōu)勢：第一，片內(nèi)存儲器采用閃速存儲器，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器和128字節(jié)隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）的高性能8位單片機。它采用ATMEL的高密度非易失存儲器制造技術(shù)，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳兼容?？傊?，ATMEL的AT89C51單片機為嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種高性價比的實現(xiàn)方案。

　　AT89C51提供以下標準功能：4 K字節(jié)的Flash閃存存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I／O口線，2個16位定時／計數(shù)器，1個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，1個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，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。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時／計數(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硬件復(fù)位。在本文中該中央處理電路如圖3所示。

圖3 單片機處理電路[!--empirenews.page--]

　　1.4 異常情況報警電路設(shè)計

　　報警電路的作用是在出現(xiàn)異常情況時及時地提醒工作人員盡快采取措施，減少危險，避免災(zāi)難性后果的出現(xiàn)。因此，在設(shè)計報警電路時，應(yīng)該讓它的報警行為能夠迅速被人察覺，以進一步采取相應(yīng)措施，避免或減少危害帶來的損失。現(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到報警的目的。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)計中使用了74LS0 0、74LS04等集成門電路芯片組成的脈沖信號發(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，溫度傳感器會將此時的溫度轉(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)送入單片機進行處理。單片機按照編制好的程序進行處理，如果確實此時的溫度超過了人們憑借經(jīng)驗設(shè)定的閾值，單片機將通過指令使P0.0、P0.1兩口輸出為高電平（約為+5 V），使得揚聲器與發(fā)光二極管產(chǎn)生報警信號。該部分的電路設(shè)計如圖4和圖5所示。

圖4 聲音報警電路

圖5 燈光報警電路

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　為了便于程序的修改，將系統(tǒng)按照模塊化的方法進行設(shè)計。該系統(tǒng)由溫度采集、A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、報警輸出4個模塊部分組成。溫度采集是由溫度傳感器LM35完成，A／D轉(zhuǎn)換和報警輸出是由單片機進行控制的。而數(shù)據(jù)處理部分則是單片機接收到A／D轉(zhuǎn)換器送來的數(shù)據(jù)后，在單片機內(nèi)部完成的，其結(jié)果將決定報警輸出模塊是否工作。

　　系統(tǒng)的工作流程是：LM35采集溫度，并且將溫度信號轉(zhuǎn)換成電信號：A／D轉(zhuǎn)換將線性放大后的模擬電信號進行A／D轉(zhuǎn)換，使之成為單片機能夠處理的數(shù)字信號；單片機通過處理轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號來分析采樣的溫度值，并將分析結(jié)果送到報警輸出電路中；報警輸出電路根據(jù)分析的結(jié)果做出相應(yīng)的反應(yīng)。系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)設(shè)計流程圖

　　2.1 A／D轉(zhuǎn)換模塊

　　A／D轉(zhuǎn)換器在啟動之前需要對其進行初始化，否則會影響后面的使用。根據(jù)圖2的連接方式，初始化時將單片機的P1.4口置1，然后軟件啟動一次轉(zhuǎn)換過程即可。在轉(zhuǎn)換的過程中。由于任何A／D轉(zhuǎn)換器都會有一定的轉(zhuǎn)換時間，所以在轉(zhuǎn)換時要設(shè)置一定的延時，并且該延時要略長于器件的轉(zhuǎn)換時間。由于AD1812的轉(zhuǎn)換時間約為2.3 μs，在程序中可以將延時設(shè)置為3μs，以保證轉(zhuǎn)換過程的順利進行。

　　2.2 中央處理模塊

　　這部分模塊的軟件設(shè)計主要包括單片機對A／D轉(zhuǎn)換模塊的控制、單片機處理送來的數(shù)據(jù)以及單片機對報警系統(tǒng)的控制3大部分。

　　對A／D模塊的控制主要包括對AD7812進行有關(guān)控制字的寫入以及對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)驗閾值進行比較，進而決定是否啟動報警系統(tǒng)；報警系統(tǒng)的設(shè)計則是根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果對P0口進行清零或是置位，來啟動或停止報警電路。

　　3 結(jié)束語

　　本文主要設(shè)計了一種自動溫度測量報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設(shè)計主要基于AT89C51單片機，中央處理單元與外圍擴展模塊的構(gòu)造簡單，整個系統(tǒng)實現(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警裝置使用，尤其是在一些對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，故而具有一定的實用價值。在設(shè)計中沒有使用并口的A／D轉(zhuǎn)換AD0 809而是使用了串口轉(zhuǎn)換的AD7812為單片機節(jié)約了許多端口資源，可以利用這些資源擴展LED或LCD顯示系統(tǒng)，也可制成溫度的測量與報警系統(tǒng)，使其功能更加完善。