一款基于单片机的智能温度预警系统

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L M 3 8 6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P 3 . 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LabcenterElectronics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。

基于AT89C51的温湿度监测系统

张东东

（苏州大学 电子信息学院，江苏 苏州 215006）

摘要 ：在现代生产领域，温湿度的监测与控制应用广泛，对于监测技术的研究也越显重要。鉴于国内外温湿度测量技术的发展现状，基于AT89C51单片机和DHT11数字式温湿度传感器设计实现了一个温湿度监测系统。硬件电路包括微控制器模块、数据采集模块、显示电路、报警电路以及按键设置5个部分，用户可通过按键设定温湿度上下限，当测得的数据超出所设定的范围时发出报警信号（蜂鸣器蜂鸣）。软件部分由主程序和各部分子程序构成。系统精确度较好，在日常环境监测以及生产活动中都有一定的应用价值。

0引言

随着现代科技的发展与通信技术的进步，温湿度测量系统的整体性能及其优越性也取得了很大突破，对于温湿度传感器的应用和开发也越来越智能化。

国外很早就开始了对于温湿度测量技术的研究，且一些技术已趋于成熟，集成化的监测设计、传感器的应用、智能测试系统等技术早已研发出来并得以应用，这是国际传感器领域的重大突破。

目前，虽然国内外对于此技术的研究已较为成熟，但科技探索是永无止境的，未来生产领域必然会提出更高的要求，一种完全智能化甚至完全无人化的潮流正悄然兴起，这是不可避免的发展趋势［1］。

1设计任务及方案论证

1.1设计要求

基于微控制器的温湿度测量系统设计要求如下［2］：

(1)对所处环境的温湿度进行检测，要求温度检测范围为0℃~50℃，测温精度为±2℃； 湿度检测范围为20%~90%RH，测湿精度为±5％RH。

(2)能够通过按键设定阈值。

(3)当检测数据超出阈值蜂鸣报警。

(4)系统使用4位LCD显示。

1.2设计方案

对温湿度进行实时监测并LCD显示，可自主设定温湿度阈值，当传感器所测得数据超出设定范围，蜂鸣器报警。为达到本次设计的要求，系统需包含以下功能模块［3］：温湿度传感器模块、主控制模块、按键和显示模块、报警电路。系统原理框图如图1所示。

2硬件设计

2.1主控制模块

AT89C51是一种带4 KB移序存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，其内部包含下列几个部件［45］：一个8位CPU；一个片内振荡器及时钟电路；4 KB程序存储器，128 B数据存储器；两个定时器，也可用作计数功能；一个可编程全双工串行口；4个8位可编程并行I/O端口；5个中断源和两个优先级嵌套中断结构。

以上各部分通过内部总线相连接。另外，除了8位CPU外，MCS-51内部还有一个微处理器，它实际上是一个完整的一位字长的计算机。

AT89C51单片机引脚排列图如图2所示。

DHT11的DATA口与单片机AT89C51的P3.0口连接。LCD1602显示电路就是将各引脚依次与单片机的P0口相连，蜂鸣器超限蜂鸣。

2.2主要功能模块

2.2.1晶振与复位电路

XTAL1和XTAL2分别是单片机内用于构成振荡器的放大器的输入端和输出端。在XTAL1和XTAL2的引脚上接一个石英晶体和两个电容，便能使内部振荡器自激振荡。与石英晶体振荡器并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。石英晶振的电容可以在20~40 pF之间选择，本文选择22 pF。

单片机复位电路也是必不可少的部分。当程序执行出现问题时，复位操作使单片机的程序重新运行，复位操作至少要两个机器周期以上的高电平位于RST引脚。本设计采用的是上电复位。

2.2.2温湿度传感器电路

温湿度采集是完成环境与微处理器数据沟通的前端部分，采用DHT11来完成设计［6］。

（1）DATA单总线通信［7］

DATA接口用于数据通信,传送的数据由小数部分和整数部分组成。主机等待DHT11响应时，总线处于高电平状态，当传感器接收到开始信号时，就会发送一个响应信号，使总线处于低电平状态，信号长80 μs,如果读取高电平响应信号，但DHT11并无响应，则说明线路连接可能表1DHT11性能指标测量范围测量精度分辨力0℃~50℃，

20%~90%RH±2℃±5%RH1出现问题。

(2) DHT11各项性能指数如表1、表2、表3所示。

（3）DHT11典型应用如图3所示。

2.2.3报警电路

基于微型计算机所设计的控制系统中，通常都设定有紧急状态报警系统，以便采取应对措施。本次设计如果测值超出此设定范围则进行报警，即蜂鸣器持续鸣叫［8］。报警电路如图4所示。

2.2.4LCD显示电路

显示模块选用LCD1602液晶显示屏，它是目前工控系统中使用最广泛的液晶屏之一，显示质量高。1602字符型液晶模块是点阵型液晶，驱动方便，经过编程后显示内容多样化［9］。

LCD1602参数如表4、表5所示。表4LCD1602液晶屏的主要参数内容参数工作电压/V4.5~5.5容量/字符16×2最佳工作电压/V5工作电流/mA2.0字符尺寸/mm2.95×4.35表5LCD1602引脚定义引脚号符号引脚说明1VDD正极2VSS地3VL液晶显示偏压4RS数据/命令5R/W读/写6EN使能信号7~14D0~D7数据15BLA背光源正极16BLK背光源负极将LCD1602的7~14脚依次与单片机的P0端口相连。

3软件设计

3.1编程思想

本文设计的温湿度测量系统，其主要功能是对当前环境的温湿度进行实时监测，并在LCD1602上进行显示，当所测数据超出所设定的阈值范围时，蜂鸣器蜂鸣报警。软件设计：首先将LCD初始化，LCD1602采用5×7点阵并分两行显示，然后读取温湿度值进行处理和按键检测，判断数值是否超出预设范围，超出则蜂鸣器报警。第一次按键单片机复位，进入设定界面分别完成，3个设定按键设定数据切换、数据加、数据减等功能。

3.2软件流程图

本设计采用按键复位与阈值设置操作，第一个按键可切换至阈值设置界面，按2次键可选择设置参数；第二与第三个按键分别完成参量加减操作，按键检测软件流程如图5所示。

整个系统的软件设计流程图如图6所示，上电启动系统，蜂鸣器蜂鸣，图6软件设计流程图然后将LCD1602初始化，微控制器读取温湿度值，经检测后与预设值进行比较，若超出阈值范围，则蜂鸣器蜂鸣，并模拟启动控制设备，直至温湿度处于预设范围之内，若未超出，则温湿度值正常显示［10］。

4系统调试与测试结果

4.1仿真分析

Proteus仿真运行结果如图7所示［11］。

4.2测试结果

（1）在上电之后，电源指示灯工作，系统正常运行，图8为温湿度正常显示界面。

（2）第一次按下按键1，系统进入阈值设置界面，再次按下可选择要设置的参数，第二个与第三个按键分别执行参量加与减操作。

（3）若当前温湿度超出预设范围，报警指示灯亮，蜂鸣器持续鸣叫。

5结论

本设计是基于51单片机与DHT11的一个温湿度监测系统，是对实际生产应用系统的一个模拟，通过DHT11温湿度传感器与单片机完成实时监测，按键与LCD实现人机交互，可自主设置温湿度阈值，实时显示当前数据，并带有超限报警功能，在实际生产中，可以启动相应设备调整环境数据，实现安全生产。

通过实验仿真与系统实测，系统可以达到预期目标，这样的一个系统可以经过更加精准的优化改进投入到实际应用中。

参考文献

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