光条式温度测量显示系统

江晓军,王建军,陈宝玉,王素娟

光条式温度测量显示系统

江晓军,王建军,陈宝玉,王素娟

(上海第二工业大学电子与电气工程学院,上海201209)

设计了一种基于分段式显示法的温度测量显示系统。该系统利用DS18B20数字温度传感器和单片机进行数据采集和处理,并把测量结果分段显示在LG102510G光条上。使用这一温度测量显示系统可以克服在夜晚使用温度计观察卤素灯工作温度数值变化的困难,有利于操作者对室外卤素灯的温度变化状况进行快速评估。通过对设定范围为-10°C～90°C的温度测量,验证了该系统可用于监测照明光源的工作温度,这为避免室外照明光源异常工作、严重发热提供了一种有效途径。

温度测量;温度显示;LG102510G光条;单片机

0 引言

随着半导体工业、光学制造业和激光加工业的发展,光学检测系统广泛采用了卤素灯作为照明光源[1-3]。通常卤素灯功率较大,工作时会产生发热现象,特别是当这些光学检测系统工作于室外时,这一现象更为明显。严重的发热现象会导致卤素灯光源工作异常,从而影响卤素灯光源的使用寿命和光学检测系统的性能,因此监测室外卤素灯光源工作温度的要求日渐增多[4-5]。通常观察者在照明光源处放置温度计,并不时地走近温度计仔细观察读取卤素灯的工作温度数值,消耗了大量的时间且在夜晚观察非常困难。

本文研制了一种以LG102510G光条为显示器的温度测量显示系统。该系统利用DS18B20数字温度传感器和单片机对室外卤素灯的工作温度进行数据采集和处理,并把测量结果分段显示在LG102510G光条上。通过对设定范围为-10°C～90°C的温度测量和分段显示,验证了该系统可用于监测照明光源的工作温度,并可避免室外照明光源异常工作、严重发热。

1 光条式温度测量显示系统的整体设计及工作原理

光条式温度测量显示系统用于对室外卤素灯工作温度的测量与显示,其系统结构如图1所示。由图1可见,该系统主要由照明光源(50W卤素灯)、DS18B20温度传感器、STC89S52单片机、设定单元、显示单元和报警单元组成。系统由STC单片机向DS18B20温度传感器发送读取卤素灯光源工作温度的命令,DS18B20温度传感器在一定的时间内完成温度的测量,由STC单片机采集该温度数据,然后由STC单片机将采集到的温度数据与设定值进行比较判断后,对数据进行分段,再将分段后的数据送光条显示单元进行显示。

图1 光条式温度测量显示系统结构框图Fig.1 Structure diagram ofthe lightbartemperature measurement&display system

2 系统硬件设计

2.1光条显示单元

光条显示器是由若干个LED发光元件按纵向排列而形成的一个光柱,它有红、绿、黄等多种发光颜色。这些不同发光元件的状态可以用来表示不同范围的模拟量,这就为需要进行某些范围的模拟量的显示或者监测提供了一种实现的途径。

本系统采用一个10位LED低功耗光条LG102510G,每一位LED对应10°C,10位LED对应的温度显示范围是-10°C～90°C,它可以指示卤素灯光源的工作温度范围,使操作者更直观地监测其温度变化。该10位LED的一端分别与10个100Ω的电阻相连,另一端则分别与单片机端口P0.0～P0.7和P2.0～P2.1相连,并且由相应端口进行驱动。与端口P0.0～P0.7相连的由低位到高位排列的LED显示位LED0、LED1、LED2、LED3、LED4、LED5、LED6、LED7分别表示温度显示范围是-10°C～9°C、10°C～19°C、20°C～29°C、30°C～39°C、40°C～49°C、50°C～59°C、60°C～69°C、70°C～79°C,而与单片机端口P2.0～P2.1相连的由低位到高位排列的LED显示位LED8、LED9分别表示温度显示范围是70°C～79°C、80°C～89°C,且LED显示位中的一位亮时,所有低于该显示位的LED显示位都亮。

2.2温度测量单元

卤素灯光源工作温度数据测量是由STC89S52单片机和DS18B20完成的。DS18B20是美国半导体公司生产的“一线总线”接口温度传感器,测温范围是-550°C～+1 250°C,可以程序设定9～12位的分辨率,测量分辨率最高为0.065°C,测量时间可达93.78 ms,并具有独特的单线接口方式[6-7]。在本设计中,将DS18B20放置在卤素灯光源的金属外壳上,测量分辨率设为0.5°C,温度范围设为-10°C～90°C,温度数字量转换时间设为200 ms,并在DS18B20与STC单片机之间用一条带4.7 kΩ上拉电阻的连线实现数据的双向通信。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字节中。单片机STC89S52通过单线接口读出该数据,读数据时低位在在、高位在后,数据格式以0.062 5°C/LSB式表示。

STC89S52是一个8位单片机,它具有4 KB的在系统可编程Flash存储单元、32个可编程I/O口线[8]。当STC89S52单片机对DS18B20进行读写操作时,首在将DS18B20复位,即将DS18B20的DQ线拉低480～960µS,再将数据线拉高15～60µS,然后由DS18B20发出60～240µS的低电平作为应答信号,此时STC89S52单片机可以开始对DS18B20进行读写操作。

2.3温度设定与报警单元

本系统设计了3个按键S1,S2,S3。S1是设置键,用于通知STC89S52单片机进入温度报警值设定功能,设定温度上、下限报警值;S2、S3分别为温度报警值增加键和温度报警值减小键。按键S1,S2,S3分别接到单片机STC89S52的P2.2,P2.3, P2.4端口上。另外,还设计了蜂鸣报警器,单片机STC89S52的端口P1.2与之相连,当该端口输出为高电平时,三极管导通,引起蜂鸣器报警。电路原理图如图2所示。

图2 温度报警单元Fig.2 Temperature alarm unit

单片机STC89S52将设定好的温度上、下限报警值保存到芯片AT24C02里,由于芯片AT24C02是串行EEPROM,采用I2C总线进行数据传输,以引脚SDA作为串行数据线,并以引脚SCL作为串行时钟线,故单片机STC89S52上的总线与AT24C02存储器之间的数据传送均由SDA数据线完成[9]。由于芯片AT24C02占用的资源和I/O线很少,体积也小,同时具有抗干扰能力强、功耗低、数据不易丢失等特点,应用于本系统可保证掉电时数据不丢失且系统功耗小,这为本系统监测室外运行的卤素灯光源工作温度降低了成本。

本系统在启动的时候,单片机STC89S52在读取存储在AT24C02里的温度上、下限报警值,然后将其与DS18B20读取到的温度值进行比较判断。芯片AT24C02的引脚Vcc接电源正极,引脚SDA和SCL通过10 kΩ上拉电阻接电源正极,其电路原理图如图3所示。

图3 AT24C02的接线Fig.3 The connection of AT24C02

2.4PCB板设计

本系统的PCB制板图是以Protel99SE为设计平台进行设计的。单片机STC89S52位于PCB板的中央,芯片AT24C02和光条LG102510G位于单片机STC89S52的两侧,减小了噪声对存贮器和显示数据的干扰,而系统的电源接入口设于PCB板边缘的下方,有利于减小电源中噪声的窜扰。制好的PCB制板图如图4所示。

图4 硬件系统的PCB板图Fig.4 PCB profile of the hardware system

3 系统软件设计

本系统软件的设计是在keilC开发平台上用C语言编程实现的。STC89S52单片机在对DS18B20进行读写操作,读取温度值,再以该值与AT24C02外部E2PROM中存储的温度上、下限报警值比较后进行处理和判断,最后把卤素灯光源的工作温度数据按分段送光条LG102510G进行显示。

本系统软件是由主程序、温度报警值设定子程序、温度值读出子程序、温度值处理子程序和显示数据刷新子程序组成,缩短了测量温度的时间,提高了测量的实时性。本系统软件的主程序流程图如图5所示。

图5 软件系统的主程序流程图Fig.5 Flow chartof the main program of the software system

表1 温度测量结果Tab.1 The results oftemperature measurement

完成上述系统硬件和软件设计后,将DS18B20分别放置于照明光源金属外壳的上、下、左、右共4个位置进行试验,即以这4个位置作为4个监测点,并在3个不同的时间点对同一个监测点进行温度测量,共得到12个温度测量值。再用测量分辨率为0.1°C的FLUKE572红外线测温仪对同样的位置进行测量,得到12个温度测量值并以此作为参考值,将这些数据整理后如表1所示。从表1可以看出,照明光源金属外壳的上、左两个位置的测量温度都比参考温度高,而下、右两个位置的测量温度普遍比参考温度低。这是由于照明光源的右下方放置了温度测量显示系统的开关电源,该电源工作时产生的热辐射通过照明光源金属外壳表面反射到FLUKE572红外线测温仪中,该红外线测温仪得到的测量结果叠加了这一温度变化量,故下、右两个位置的参考温度比DS18B20测量得到的温度值高一些;而照明光源的左边没有开关电源等发热器件,故上、左两个位置的参考温度与测量温度较接近且略低一些。经过对表1中测量数据进行对比后可知,用DS18B20测量得到的温度值与相应的参考值之间的最大误差为0.6°C,最大相对误差为3.97%,说明可以使用DS18B20作为温度传感器来监测照明光源的工作温度,即使照明光源出现工作异常、严重发热的现象时,DS18B20在设定的温度测量范围(-10°C～90°C)内也可以得到相应的温度测量值。

4 结论

本文研制了一种基于分段式显示法的温度测量显示系统。该系统利用DS18B20数字温度传感器和单片机进行数据采集和处理,并把测量结果分段显示在LG102510G光条上。通过对设定范围为-10°C～90°C的温度测量和分段显示,验证了该系统可用于监测照明光源的工作温度,并可避免室外照明光源异常工作、严重发热,故该光条式温度测量显示系统具有一定的应用价值。

[1]江晓军,王建军,陈宝玉,等.基于DS18B20温度传感器的虚拟温度指示系统[J].上海第二工业大学学报, 2012,29(1):7-11.

[2]楚红雨,谢志江,邵延华,等.基于机器视觉的光学元件表面洁净度检测仪研制[J].现代科学仪器,2010(3): 17-20.

[3]孙嵘,罗振坤,赵映雪,等.两种激光散斑均化方法研究[J].激光与红外,2010,40(5):455-457.

[4]周小丽,刘木清.近红外光源的稳定性控制[J].光源与照明,2004,12(4):4-8.

[5]张银桥,张小超.基于MSP430单片机控制的近红外光谱仪用光源[J].测控技术,2009,28(9):30-33.

[6]刘鸣,车立新,陈兴梧,等.数字温度传感器DS18B20的特性及程序设计方法[J].电测与仪表,2001,38(10): 47-51.

[7]张维君,王珠忠,索世文.基于PC机串口与DS18B20的单线多点温度测量[J].仪表技术与传感器,2009(4): 52-53.

[8]张积洪,马创.基于STC单片机的机场车辆超速报警系统[J].微型机与应用,2010,29(22):100-102.

[9]戴佳,戴卫恒.51单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].北京:电子工业出版社,2006.

Temperature Measurement&Display System Based on Light Bar

JIANG Xiao-jun,WANG Jian-jun,CHEN Bao-yu,WANG Su-juan
(Schoolof Electronic&ElectricalEngineering,ShanghaiSecond Polytechnic University, Shanghai201209,P.R.China)

The temperature measurement&display system based on the segmented display method is proposed.After the digitaltemperature sensor DS18B20 and the microprocessor are taken to collectand process the data,the measured value is displayed on the light bar LG102510G.The difficultofobserving the temperature value by using the thermometer in the nightis overcome,and itis convenient for the operator to obtain the rapid assessmentof the working status of the illumination light.The measurementsystem is validated by measuring the temperature of the illumination lightin the setting temperature range of-10°C～90°C,which provides an effective way to avoid the outdoor illumination lightworking atthe abnormaland severe feverstatus.

temperature measurement;temperature Display;LG102510G lightbar;microcontroller

TH811

A

1001-4543(2013)04-0296-05

2013-07-10;

2013-10-15

江晓军(1970–),男,四川内江人,副教授,博士,主要研究方向为精密光电测控技术,电子邮箱xjjiang@sspu.edu.cn。