基于 51 單片機的智能溫度檢測散熱報警系統

摘要：探討工業場合溫度測量處理方法及系統構成。本設計研究的溫度檢測報警系統使用的 是 SST89E58RDA 單片機為主控制器，利用數字溫度傳感器 DS18B20采集溫度并通過數碼管 顯示，根據不同的溫度閾值 LED 燈和直流電機給出不同響應，并且該系統觸發報警后可通過 紅外裝置 HEDDER 遠距離關閉報警。

1.1  系統主要性能指標 系統上電后，隨后進行系統整體各主要模塊的檢測，隨后單片機實時監測溫度傳感器

DS18B20 的狀態，并將 DS18B20 得到的數據經行處理通過數碼管實時顯示當前的環境溫度， 并根據事先約定的不同的高低溫度閾值范圍 LED 燈有不同顏色的顯示，當溫度超過設定最大 溫度值時，蜂鳴器報警，紅色 LEED 燈點亮，直流電機啟動散熱系統打開，溫度精確位數位

0.01 度，此時可以通過遙控器關閉報警以及溫度顯示停止報警。

1.2   系統方案比較，設計與論證 該系統主要有主控制器，溫度測量，系統狀態顯示，散熱模塊以及紅外接收五個主要部

分電路組成，下面介紹實現此系統功能的方案。

采用 SST89E58RDA 單片機作為整個系統作的核心，用其實時監測溫度和報警，以實現 其既定的性能指標。

綜上所述，本次設計采用 SST89E58RDA 單片機作為主控制器。

1.2.2 溫度測量

此設計采用 DS18B20 溫度傳感器對溫度進行測量，其輸出信號為數字信號，方便單片 機對溫度的采集，處理和控制，而且其電路簡單，占用空間小。該單片機性能穩定，且線性 好，當測量溫度在 0 到 100 之間時線性偏差都小于 1℃。除此之外，由于 DS18B20 溫度傳感 器采用單總線的數據傳輸方式，由 DS18B20和 SST89E58RDA 構成溫度裝置輸出的溫度信號， 數字信號可以直接鏈接計算機。這樣，溫度系統的結構就顯得十分簡單，占用的體積也不大。 同時，通過采用51 單片機控制讓軟件編程的自由度大大增加，即可以通過編程的自由度大 大增加，即可以通過編程實現各種各樣的算術算法和邏輯控制，而且它還具有體積小，硬件 經濟，簡單，安裝十分方便等優點。

1.2.3 顯示模塊 方案 1： 用數碼管充當顯示模塊。數碼管具有使用簡單，顯示速度快，顯示效果簡介明了等特

點而得到廣發的應用。 方案 2：

通過 LCD 1602 液晶經行顯示顯示。LCD 具有現實內容豐富，清晰，顯示信息量大，顯 示速度快，使用方便等特點而得到廣發的應用。但對于本系統我們并不需要顯示豐富的內容， 而且 LCD 液晶價格昂貴，因此我們未選擇此方案。

綜上所述，顯示模塊我們選擇方案 1.

1.2.4 紅外傳感器模塊 方案 1：

此模塊采用 HX1838 的紅外接收頭，這是一種全新，全塑封，高集成度的新型紅外遙控 接收模塊，其體積和一只三極管差不多，具有體積小的特點。但其內部高度集成了輸入電路， 傳輸阻抗放大器，自動增益控制電路，短脈沖控制電路，長控制電路，比較器以及施密特觸 發器等，這使得他的外部引腳十分簡單，方便了電路的連接和使用。所以它是一種非常常用 的紅外接收模塊。

方案 2：

此模塊采用 HS0038B 紅外接收頭，這種接受端相比 HX1838 在外形和功能沒有太大差別， 不過其內置的芯片 IC 更好一些，抗干擾能力更強一些，但其成本相對較高，此是設計中并 未使用。

綜上所述，紅外接收模塊我們選擇方案 1.

1.2.5 散熱裝置模塊 由于單片機的串口輸出能力有限，所以無法正常驅動一個小直流電機，所以此處采用

了外接驅動模塊的方式進行驅動直流電機工作。 方案 1：

此模塊采用安裝有 L298N 芯片的雙路 H 橋電機驅動裝置，該驅動的供電電壓為 2V~10V， 可以同時驅動兩個直流電機，每路電流可達 1.5A，有熱保護別且能自動恢復。并且其內置 低導通 MOS 開關關，發熱小，無需散熱片，體積小，省電，便于攜帶。

方案 2： 此模塊采用三極管搭建放大電路從而驅動電機工作，雖然這種方法簡單明了但其封裝

型沒有方案一好，外接電路較多，所以該設計并未采用這種方案。 綜上所述，散熱驅動模塊我們采用方案 1.

二、理論分析與參數計算

2.1.1 定時器參數設定

定時器 0 采用方式 2 的 8 位自動重裝方式              TH0=0x00; TL0=0x00;，用于接收紅外信號 的脈沖寬度，一次位 256us.

2.2.1 定時器參數設定

使用定時器 1 使其工作在方式 1，TL1=(65536-500)%256;TH1=(65536-500)/256;定時大約

255us，用于蜂鳴器發聲報警，頻率大約為 2KHz.

三、系統各模塊電路的設計 本系統模塊組成：

3.1 溫度測量以及數碼管顯示溫度模塊 該模塊用于采集環境溫度并在其內部進行數據處理再將其通過其 DQ 管腳送至單片

機中，DS18B20 與 SST89E58 的接線如圖 1.VDD 管腳接 5V 電壓給傳感器供電。DQ 管腳為數 據線與 SST89E58 的 P3^7 連接，GND 管腳接地。溫度傳感器DS18B20 將被測溫度轉化成數 字信號通過 DQ 管腳傳給 SST89E58。

具體控制工作原理如下，1、首先在系統自檢結束后，DS18B20 芯片進行初始化即由 控制器（單片機）給 DS18B20 總線約 0.5ms 的低電平信號，即給 DQ 引腳寫 0，拉低 DQ 引 腳，并檢測是否初始化成功。此操作就是先初始化 DS18B20。2、在芯片初始化后，芯片開 始自動讀取環境溫度，將數據讀入 DS18B20 中的一個九個字節的 RAM 寄存器,每個字節八位。 具體如表 1 所示.

表 1 DS18B20 字節定義

對于讀入 DS18B20 寄存器的數據再由單片機讀入，即由單片機讀取 DS18B20 中 RAM，一位 一 位 讀 ， 讀 八 位 。 3. 數 碼 管 顯 示 ： 單 片 機 通 過 將從 DS18B20 讀 取 到 的 數 據 通 過 aaa=((b*256+a)*6.25 這個函數進行數據預處理處理，將處理后的結果再進行數碼的轉化轉化 為數碼管的段碼，將轉化結果送數碼管顯示。數碼管硬件電路如下圖 2.

圖 1

3.2 溫度超出報警及散熱模塊

該模塊用于對控制器讀取的 DS18B20 中數據并處理的結果與系統初始設置的溫度閾值比 較的結果做出相應的反應，以給用戶警示信息。具體組成為綠，黃，紅三個不同顏色的 LED 燈，蜂鳴器，直流電機模塊。其中 LED 直接連至 P1 口，蜂鳴器接至 P2^4 口，直流電機接 至 P2^7，控制器將通過以上引腳對它們進行控制。

具體工作原理如下，1.如果溫度讀取進入控制器的值未超過 30 攝氏度時，P1=0XDF 綠 色 LED 燈亮；當溫度超過 30 攝氏度但為超過 31 攝氏度時，P1=0XBF,黃燈點亮；當溫度超過

31 攝氏度后，P1=0X7F,紅色 LED 燈點亮并且啟動定時器 1 使蜂鳴器發聲啟動直流電機進行散 熱。2.直流電機散熱模塊工作原理：控制器通過給 P2^7 引腳寫 1 操作，即向 L298N 驅動寫

1。其中 L298 位 15 管腳的單塊集成的集成電路，高電壓，高電流，四通道驅動，設計用 L298N 接受收來的邏輯電平驅動感性負載即直流電機。L298N 中包含 4 通道的邏輯驅動電路，其額 定工作電流為 1A，最大可達 1.5A,Vss 電壓最小 4.5V.L298N 可直接對電機進行控制，無需隔 離電路。下面給出 L298N 內部原理圖，圖 3.  LED 與蜂鳴器電路原理圖，圖 4. 散熱模塊大 致電路圖，圖 5.

圖 4

3.3.1 紅外接收模塊 該模塊用于接收來自紅外發射器的紅外波信號送至控制器（單片機）中進行相應的處

理并進行相應的動作即此處該動作為接收到紅外信號后，SST89E58 關閉報警散熱和數碼管 顯示系統，只留下一盞紅色 LED 燈經行提示。該模塊主要由兩部分組成，分別是 SST89E58 和紅外接芯片 HX1838 組成。其中 HX1838 一共有三個引腳，其中 1 引腳作為信號輸出引腳 將從紅外發射器接受來的紅外信號送至單片機進行解碼輸出，接至單片機 P3^3,2 引腳接地，

3 引腳接正 5V 電源。

具體工作原理如下：當 HX1838 接收到紅外脈沖時，由于紅外遙控信號接受頭的輸出 端與相連的單片機中斷引腳相關聯，即相應的引腳接收到下降沿時將會觸發單片機中斷。而 單片機中斷的效果是將會使定時器 0 開始計時，并且同時通過特定的軟件可以判斷當前的電 平情況和周期和周期的情況，由此獲得的結果是可以得知接收到的數據是引導碼還是 0 或 1. 如果接收到引導碼就開始將后續的33 個脈沖存入數組 IRdata[33]中（其中引導碼 16 位用戶 碼 16 位），而當接收總共 33 為數據后，說明接受完畢一幀數據，判斷接收是否有效即與自 己的有戶碼是否一致，再通過特定的程序對存入的 33 個脈沖進行解碼其中丟棄引導碼。解 碼結束后將結果送入控制器（SST89E58 單片機）中進行相應的控制即關閉報警散熱系統僅 留下一個指示燈。電路原理圖如下圖 6.              實物圖如下圖

7.

圖 6

該模塊是用來向紅外接收器 HX1838 發射紅外脈沖提供控制信息，此模塊直接采用市 面上已經制作封裝好的成品紅外遙控發射器，其內發射芯片為TC9012，因此此處只給出其 發射碼的格式對其具體原理不再贅述。

四、系統軟件設計

該系統的設計軟件是基于 C 語言編寫，程序是在 KEIL 公司集成開發環境上設計， 實現溫度檢測與顯示，溫度超高報警與散熱，紅外接收、解碼、和輸出等功能，保證了各個 硬件模塊的協調運行，實現所設計的單片機功能。

4.1 紅外接收模塊

該模塊用于處理來自紅外傳感器 HXI838 的脈沖信息，送入控制器將其解碼并給出相應動 作即接收到紅外信號后，SST89E58 關閉報警散熱和數碼管顯示系統，只留下一盞紅色 LED 燈用于提示。程序流程圖如下。

4.2 溫度采集模塊

該模塊的 DS18B20 溫度傳感器用于采集環境溫度并將被測溫度轉化成數字信號通過 DQ 管腳傳給 SST89E58，再由控制器將數字信號處理成共陽極數碼管顯示段碼，送至數碼管顯 示。并且當溫度讀取進入控制器的值未超過 30 攝氏度時，P1=0XDF 綠色 LED 燈亮；當溫度 超過 30 攝氏度但為超過 31攝氏度時，P1=0XBF,黃燈點亮；當溫度超過 31 攝氏度后，P1=0X7F, 紅色 LED 燈點亮并且啟動定時器 1 使蜂鳴器發聲啟動直流電機進行散熱。該模塊流程圖如下。

4.3 系統自檢模塊 該模塊用于系統上電后對系統的各個基礎模塊例如數碼管，LED，蜂鳴器，散熱系統進行

自我檢測，以檢查系統是否可以正常運作。具體流程圖如下：

五、系統調試和測試結果

直流穩壓電源（電腦 USB 代替）、普通發光二極管等

5.2 個功能模塊的測試

1、單片機基礎功能模塊

SST89E58 單片機，LED,數碼管，蜂鳴器，散熱系統的測試將由系統上電后，執行編寫的 自檢程序進行自動檢測，若檢測結果為：八盞 LED 依次點亮并全燈閃爍兩次；數碼管依次顯 示 123456789ABCDEF 后 4 只數碼管同時開啟閃爍兩次；蜂鳴器響 4 聲；直流電機轉動 3 秒。 如果上電后以上基礎功能可以實現，說明基礎功能部分沒有問題。如果其中任意一個功能無 法實現，則說明對應的部分有故障，進一步將有問題的部分獨立起來經行單獨檢測。

2、紅外功能模塊

紅外一體化接收頭以及紅外發射裝置的測試可在 HX1838 的電源端與信號輸入端之間串 聯一只普通二極管和發光二極管，在配上規定的外接電源（+5V），當手拿含有 TC99012 芯 片的遙控器對著接收頭按任意鍵時，發光二極管會閃爍，說明接收頭和發射器都可以正常工 作，如果二極管不發光，則說明紅外接收頭和紅外發射器至少有一個損壞。

3、溫度檢測模塊

該模塊的可檢測可以在 DS18B20 溫度傳感器的輸出端與單片機的任意 I/O 口相連，電 源端配上規定的+5V 電壓，GND 管腳接地。通過向單片機內寫入處理溫度信息和數碼管顯示 的代碼，然后上電復位后看系統是否可以已正常顯示實時的溫度，如果可以則說明溫度顯示 模塊是沒有問題的，但如果不能正常顯示則說明溫度傳感器 DS18B20 有故障。當然此模塊 須在已經驗證單片機系統，數碼管，讀取溫度代碼本身沒有問題的前提下經行測試的。

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