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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