实验室仪器设备温度预警设计与研究

唐艺明



实验室仪器设备温度预警设计与研究

唐艺明

(漳州职业技术学院电子工程系，福建漳州363000)

基于89C51单片机对室内仪器设备的温度采集控制，利用DS18B20温度传感器采集设备上的温度并结合A/D转换，通过LCD1602数字显示器时刻跟踪显示每台仪器设备，当温度达到预设值时通过报警系统发出报警。该设计通过PROTEUS软件仿真，经电路仿真结果表明，该设计基本能够时刻采集到每台设备上的温度，达到预设值的设备出现报警。

89C51；温度预警；DS18B20；LCD1602

1 引言

目前，所有的高职高专院校里，实训室的建设已经作为一项重要的工程，它是院校里的一大亮点，是老师搞科研项目的重要地方，是大学生动手实践锻炼与培养的一个重要的场所。随着学生数量的日益增加，学科数量的不断提升，要求实训室中的仪器设备的种类和数量也随着增加。而且，对仪器设备的使用频率也越来越高，某些设备会由于使用的频率高而超负荷，变成起火的源头，往往这一类的情况容易被忽视了。为了能使高职院校的师生有一个安全可靠的实训环境，对于设备的防火预警是非常必要的。火灾的产生主要是由于设备的温度值达到燃点时开始起燃的。所以，只要能够时刻掌握设备的温度的变化情况，就可以有效地做到对仪器设备可能产生火灾做提前的预警，真正保证师生的安全。

本系统主要是针对高校实训室中的仪器设备中温度的采集，时刻跟踪设备中温度的变化，同时在温度达预设值的时候，能够发出警报。

2 温度预警系统的基本结构

图1 系统框图

系统框图如图1。

本系统大致分为五个部分：温度传感器、显示电路、报警电路、最小单片机系统和串行通信接口。以单片机为控制核心部件，控制温度采集电路采集设备中的实时温度值，经单片机数据分析处理后，通过通讯网络接口与PC机串行通信，同时利用显示电路显示温度值。一旦单片机的输出口有高电平去触发报警电路时，报警电路将会发出警报，同时切除电源开关。

3 电路设计

系统设计电路的原理图如图2所示，该温度预警系统主要是由温度采集电路、报警电路及显示电路和单片机的最小系统组成的。温度采集电路是信号输入的源头，与被测设备连接在一起。由于实验仪器设备不是单台，使用时有多台设备同时使用，因此，每台设备都安装了一个独立的温度传感器的感温头，通过感温头所感受的温度汇集到温度传感器上进行数据的转换，再连接到单片机上。利用无线网络与计算机连接，实现数据的传输控制。报警电路是当电路的信号足够触发三极管导通时，接通扬声器电路，促使扬声器发出声音，同时利用单片机的8个并行口分别来控制8个继电器，从而来控制相应电路的通和断，对设备起保护作用。显示电路是将转换后的温度值通过LCD显示出来。

图2 温度预警的电路原理图

3.1 温度采集电路的设计

温度采集电路主要由温度传感器、比较放大器及A/D转换器等组成。本系统采用集成温度传感器DS18B20，它有三个引脚，测温时利用引脚DQ引线连接一个感温头，此感温头可轻松的被安装在被测物体的位置。DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产“一线总线”接口的温度传感器，可以将温度转化成数字处理器处理，其工作电压在3.0V—5.5V之间，测温范围在-55℃—+125℃，其中在-10℃—+85℃误差仅为0.5℃，并且能够实现多点组网功能，测温灵活，速度快，精度高等特点。

感温头所感受的温度直接经过单线传送给DS18B20进行处理，而后与单片机I/O口连接，实现了温度的采集，数字处理与传输。所采集的温度与所对应的数字量如表1所示。

表1 部分温度与数字量的对照表

3.2 报警电路的设计

用扬声器、三极管和一个电阻接到单片机组成一个报警器。如图2所示。一旦三极管导通后就有电流流过扬声器，促使扬声器发出声音。同时，三极管一脚接至继电器，控制电源开关的通和断，起到保护的作用。利用单片机的8个并行口来控制八路开关。

3.3 显示电路的设计

显示电路采用单片机驱动字符型LCD1602。该模块体积小功能低，显示内容丰富，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常见的信息显示器件之一了[1]。LCD1602通常有14个引脚和16个引脚的，本电路选用了16引脚的LCD，可以显示数字、字母和符号，显示内容可以两行，并且每行可以显示16个字符。它由若干个点阵字符组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用[2]。

3.4 单片机的最小系统

由单片机、外部时钟和复位电路组成了单片机的最小系统。本系统选用了美国ATMEL公司生产的89C51单片机，它是一种高效微控制器，具有COMS8位微处理器，片内4KB存储器，32个I/O口和2个16位定时/计数器。单片机的RST引脚输入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就会执行复位操作，如果RST引脚持续保持高电平单片机就处于循环复位状态[3]。外部接上晶体振荡器位单片机提供时钟信号。

3.5 通讯接口电路的设计

通讯采用无线通讯模式，作为单片机与计算机数据连接的桥梁，采集的数据通过它传到计算机上，计算机的控制命令也利用它传送命令给单片机。本设计采用了BL100无线数传模块，它具有232的串行接口，可连接到上位机，用户可以根据需求来修改一些数据参数。BL100具有GFSK调制方式,半双工通讯，可实现空中收/发转换，内部可以自动实现通信协议的转换，使用比较方便，输出功率可以根据需求进行调节，调节范围1-20dbm，传输距离可以达到1.2KM，足够满足实训室的要求距离，而且成本较低，性能高，可靠性也比较高。

4 系统的流程图

图3 主控制流程图

图4 定时服务控制流程图

该系统的主控流程图如图3所示，定时服务控制流程图如图4所示。温度采集通过定时器定时采集来实现，可以设定定时时间为0.5秒，即定时器每隔0.5秒采集一个传感器节点并保存，各通道温度值可以保存在一个数组Wendu[8]里面，定时服务实现每隔0.5秒采集第N个节点温度数据并更新保存到Wendu[N]。

5 系统的运行测试

利用八路采集电路对八台实验设备进行采样，采集温度略高于室内温度分别为27.3℃、27℃、28.6℃、26.9℃、27.5℃、27.4℃、40.5℃、27.8℃，系统报警电路的预设温度值为40℃，一旦有设备所被采集的温度达到这个值或超过这个值。这时显示电路将设备的编号及温度值显示出来，如图5所示，同时系统也发出报警。这个温度值设置可以根据室外的温度变化进行调节。经过多次更改设定值后进行仿真、数据采集和分析处理，只要采集到的温度一旦超过设置的值时系统就会动作。说明该系统还是能够对实验室的仪器设备进行实时跟踪和保护的。

图5 仿真结果

6 结束语

基于单片机的实验室仪器设备温度预警的设计在现在的各大高职院校实验室内已经慢慢的普及，本文采用单片机89C51作为处理核心，DS18B20为温度传感器，并通过显示电路LCD1602显示实时的温度，同时利用蜂鸣器为报警元件发出报警，并执行接触器触点动作切除开关电源。经过对系统的仿真结果显示，该系统能够同时对多点的温度进行准确迅速的采集、显示和执行操作的迅速反应。应用电路结构简单易懂、可靠性高、实用价值好。但由于目前的实验室仪器设备的种类和数量较多，因此，该系统以后还需要考虑输入电路的扩展部分。

[1] 侯宪君. 基于单片机温度检测报警装置的设计实现[J]. 天津职业院校联合学报, 2015(2): 44-46.

[2] 王强. 基于单片机的室内温度报警装置设计[J].价值工程, 2015(6): 54-55.

[3] 李全利. 单片机原理及其应用技术[M]. 北京: 高等教育出版社, 2001.

[4] 张庆东,朱红. 基于单片机的测温电路设计[J]. 科技视界, 2012(16): 196+246.

（责任编辑：马圳炜）

Design and research of temperature warning for laboratory instruments and equipment

TANG Yi-ming

(Zhangzhou Institute Of Technology, Zhangzhou, 363000, China)

This article is based on the temperature collection and control of the 89C51 microcontroller for indoor equipment .using temperature sensor DS18B20 acquisition equipment on temperature collection, which can combineA/D and conversion. Through the LCD1602 digital display tracking and display for each instrument equipment. When the temperature reaches the defaults, the alarm system goes off. The design through the PROTEUS software simulation, the circuit simulation results prove that the design can be collected at any time on the temperature of each device. When the preset alarm achieved that the devices alert.

89C51；temperature warning；DS18B20；LCD1602

1673-1417（2017）03-0051-05

10.13908/j.cnki.issn1673-1417.2017.03.0010

TM63

A

2017－06－25

漳州职业技术学院2015年校级科研项目（ZZY1511）。

唐艺明（1981—），男，福建漳州人，助教，硕士，研究方向：电子技术智能控制。