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水温检测及报警系统

专家
2013-01-25 16:12:34     打赏

作者:四川大学锦江学院 罗竣曦 袁杨林 马华蓉
指导教师:杨建

  产品简介

  一、开发背景
  随着现代信息技术的飞速发展,在生产中温度的准确测量是一个比较困难的事情从最初的酒精、水银温度计到现在的数字化、集成化的温度检测系统。可见传感器的发展是飞快的。它快速的发展必将带来新一轮的工业化的革命和社会发展的飞跃。

  二、结构说明
  基于上述的开发背景,设计出水温检测及报警系统。该系统能智能检测温度(预防报警)并且自动控制温度。
  该系统分为温度检测小系统,温度分析和温度实现可控的小系统(附:温度检测系统包含预警功能)。本系统实现温度的检测,比较和温控的功能 。在本系统中采用DS18B20数字温度传感器采集温度数据(含数据显示),通过stc15芯片处理实现检测水温与键盘预设值进行比较,进而执行蜂鸣报警或继电器加热。
  系统总体结构图如图1所示:  

 

  三、功能
  先通过键盘输入设定温度,保存在stc15的指定单元中,再利用温度传感器DS18B20进行信号的采集,送入单片机中,保存在采样值单元。然后把采样值与设定值进行比较运算,得出控制量,从而调节继电器触发端的通断,来实现将温度控制在一定的范围内。单片机控制系统是一个完整的智能化的集数据采集、显示、处理、控制于一体的系统。由传感器、LED显示单片机及执行机构控制部分等组成最终实现水温的智能化控制。

  四、使用说明
  本系统操作简单,使用者只需按键输入预设温度值,然后数字温度传感器DS18B20会自动进行信号的采集,通过系统的执行自动执行水温的控制。

  设计说明

  一、设计方案
  本系统以stc15作为核心控制器件和数字温度传感器,led显示器以及加热继电器实现整个系统功能。通过原件分析我们排除了以采用普通电阻式温度传感器,放大器,A/D转换器作为测量温度的电路。因为它灵敏度比较低,容易受到环境干扰信号的影响,也容易受到前置放大器温度漂移的影响,因此不适合测量微小的温度变化。而我们所采用的数字可编程温度传感器作为温度检测元件。数字可编程温度传感器可以直接读出被测温度值。不需要将温度传感器的输出信号接到A/D转换器上,这样减少了系统的硬件电路的成本和整个系统的体积。
  1、控制系统stc15模块
  采用stc15单片机作为系统主控制芯片。STC15是一种集成度高、功能强的单片机芯片,适合于要求可靠性高、速度快和扩展功能强的应用系统。与以前的其他系列单片机相比,增添了许多功能,同时其可靠性和速度也有了很大提高。
  1、数字温度检测传感器DS18B20
  数字温度传感器DS18B20可以直接读出被测温度值。不需要将温度传感器的输出信号接到A/D转换器上,这样减少了系统的硬件电路的成本和整个系统的体积,简单且便于实现和节约系统成本。DS18B20支持“一线总线”接口,测量温度范围为 -55°C--+125°C,在-10--+85°C范围内,精度为±0.5°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量,如:环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
  2、加热继电器
  通过stc15控制的继电器很安全它能实现低电压控制高电压的功能,继电器的使用使系统工作环境更加安全。
  3、按键模块
  LED数码管是一种半导体发光器件,其基本单元是发光二极管,通过对其不同的管脚输入相对的电流,会使其发亮,从而显示出数字。可以显示:时间、日期、温度等可以用数字代替的参数。
  用stc15控制的蜂鸣器实现声音的报警功能

  二、设计原理及电路
  1. 系统复位电路
  Stc15的复位输入引脚RST为单片机提供了初始化的手段,可以使程序从指定处开始执行,在stc15的时钟电路工作后,只要RST引脚上出现超过两个机器周期以上的高电平时,即可产生复位的操作,只要RST保持
  高电平,则stc15循环复位,只有当RET由高电平变成低电平以后,stc15才从0000H地址开始执行程序,本系统采用按键复位方式的复位电路。  

 

  2.报警与控制电路设计
  在微型计算机控制系统中,为了安全生产,对于一些重要的参数或系统部位,都设有紧急状态报警系统,以便提醒操作人员注意,或采取紧急措施。其方法就是把计算机采集的数据或记过计算机进行数据处理、数字滤波,标度变换之后与该参数设定值进行比较,如果高于设置值1度(或低于设置数1度)则进行报警,否则就作为采样的正常值,进行显示和控制。同样水箱内的温度超出低高设定的温度范围内时当P1.4输出高电平“0”时,晶体管导通,压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫,出报警声音;单片机的P1.1,
  输出低电平,此时红色指示灯亮,直到低于设定的最低温度时,P1.4输出高时,三极管截止,蜂鸣器停止发声,P1.1输出电平高电平,发光二极管灭,报警和控制电路而下图3-4所示:  

 

  3.LED显示电路设计
  LED数码管是一种半导体发光器件,其基本单元是发光二极管,通过对其不同的管脚输入相对的电流,会使其发亮,从而显示出数字。可以显示:时间、日期、温度等可以用数字代替的参数。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管,八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元(多一个小数点显示);按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管;按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳极数码管在应用时应将公共极COM接到+5V,当某一字段发光二极管的阴极为低电平时,相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时,相应字段就不亮。
  动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起,另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路,通过由各自独立的I/O线控制,当单片机的P0口输出字形码时,所有数码管都
  接收到相同的字形码,但究竟是那个数码管会显示出字形,取决于单片机对P2.0-P2.3位选通COM端电路的控制,所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开,该位就显示出字形,没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的COM端,就使各个数码管轮流受控显示,这就是动态驱动。
  在本设计中采用了四位八段数码管,用动态驱动来显示温度的值,如图所示。  

 

  4温度检测电路设计
  本次设计所采用的温度传感器为Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20,它是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。DS18B20可以程序设定9-12位的分辨率,精度为±0.5℃。可选更小的封装方式,更宽的电压适用范围。分辨率设定,及用户设定的报警温度存储在EEPROM中,掉电后依然保存
  DS18B20与stc15单片机接口电路的设计
  DSl8B20数字温度计提供9位(二进制)温度读数,指示器件的温度信息经过单线接口送入DSl8B20或从DSl8B20送出,因此从主机CPU到DSl8B20仅需一条线,当DS18B20接收到温度转换命令后,开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。。
  单片机可以通过单线接口读出该数据,读数据时低位在先,高位在后,数据格式以0.0625℃/LSB形式表示
  当符号位S=0时,表示测得的温度值为正值,可以直接将二进制位转换为十进制;当符号位S=1时,表示测得的温度值为负值,要先将补码变成原码,再计算十进制数值。表2是一部分温度值对应的二进制温度数据[6]。  

 

  表1 DS18B20详细引脚功能描述  

 

  5.按键电路设计
  键盘共有三个键,判断K3~K5键是否按下,可采用软件查询和中断的方法,当某个键按下时,低电平有效。3个键K3~K5的功能定义如表所示。  

 
 

  6 继电器控制电路
  控制P10的高低电平来控制继电器的断开和闭合,当P10口为低电平时,三极管导通,发光二极管亮,控制继电器开始加热,当P10为高电平时,三极管截止,继电器断开,停止加热如下图所示。  

 

  产品特色

  一、 产品的先进性及创新性
  1. 本设计创新点在于采用数字式温度传感器DS18B20 作为感温元件, 占用单片机引脚少, 因而可以利用空余引脚通过软件模拟和温度显示
  2. 满足了温度检测与报警的要求,具有超调量小,采样值与设定值基本一致,操作简单等优点。
  3. 系统硬件由控制电路、温度采集电路、键盘和LED显示电路组成。软件设计从设计思路、软件系统框图出发,先介绍整体的思路后,再逐一分析各模块程序算法的实现,最终编写出满足任务需求的程序。

  二、产品实用性
  1.温度检测控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中,得到了广泛应用。
  2. 使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制,保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行,从而提高企业的生产效率。

系统演示视频:http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2657




关键词: 水温     检测     报警系统     温度     传感器     系统     功能     D    

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