基于STC89C52 的“投影安全小保镖”系统设计

李 畅，蔡亚永，张 炜

（新疆工程学院信息工程学院 新疆 乌鲁木齐 830023）

0 引言

对于课堂上投影设备经过长时间的连续使用后出现的意外关机以及不断重启的问题，开展实地调研，究其原因是热量堆积导致意外触发投影设备的保护机制。 针对上述问题，为确保课堂教学计划的正常进行，本文设计了一款基于STC89C52 单片机的智能温度调节控制器。 “投影安全小保镖”能够实现对投影设备的温度监控，该设备通过7 段数码管显示当前温度数据，系统在设计过程中采用C 语言作为编程语言，软硬结合，设置多个按键并赋予不同的功能。 根据按键的不同以及按键次数的差异，进入不同的功能设置界面。 “投影安全小保镖”监控投影仪温度，当检测温度超出设置阈值时，报警并且开启散热模块，实现对投影设备的智能降温。 利用这套设备，可适当地延长投影设备的使用寿命，保证课堂不因教学器具的问题而受到影响，提升学生听课效率，减轻后勤人员工作压力。

1 设计背景

温度是表征物体冷热程度的物理量，反映物体最基本的物理状态，在日常生活中起到极其重要的作用。 温度控制较早地应用于工厂车间生产，需要将温度控制在一个合适的区间。 精准温控对于产品生产效率、品质管控、资源利用以及经济崛起至关重要。 现代电子产品设备在工作时会产生大量的热量，当温度过高时会触发设备保护机制；当设备温度处于正常温度区间时，才能使工作效率最大化，因此，要将设备的温度控制在一个合适的区间，以此保证良好工作效能。 对于教学器具也是如此。 因使用环境、使用方法等因素致使投影设备器件老化，投影仪内部虽有散热模块，但器件性能却不断下降，产生的热量无法及时有效排出，致使正常的上课流程总是因投影仪设备的问题而被打断，严重影响了老师的讲课思路和学生的听课效率。

2 设计目的

电子产品的发展离不开散热问题，设备运行产生的热量不能及时散出，将会导致设备的工作状态出现异常，不仅影响工作效率，还会影响芯片性能，增加能源损耗，严重时还会降低电子产品使用寿命。 教室内的投影设备使用年限一般较长，但由于部分老师存在不良的使用习惯，且有时候学生也需要长时间借助教室中的投影设备进行相关活动，种种原因下，导致投影设备出现了较多关于热量堆积的问题。 为解决因投影设备的频繁使用而导致的元件老化、散热不及时的问题，本团队设计一款基于单片机控制的辅助投影仪散热的工具——“投影安全小保镖”。利用这套散热设备，可以在一定程度上增加投影设备的使用年限，并实现对温度数据的监控。 温度过高的情况下辅助投影设备散热，提升设备散热能力，延长使用寿命，使老师讲课时不再因设备的问题而被迫中断，使同学们不会再因投影仪的问题而影响注意力。

“投影安全小保镖”实现的主要功能如下：（1） 能够持续测量并显示投影仪温度；

（2） 对异常温度数据进行处理；

（3） 对投影仪进行辅助散热。

3 系统总体设计

“投影安全小保镖”由八个模块组成，这八个模块分别为：单片机控制电路、电源电路控制、显示模块、温度测量模块、报警模块、降温模块、WiFi 传输模块、按键电路控制模块。 各模块之间相互协调、互相配合，形成一个完整的功能集合体，使之完成对投影仪设备的温度监控与降温处理操作。 系统模块组成如图1 所示。

图1 “投影安全小保镖”组成模块

设计需要设定投影仪正常工作时的温度范围，在工作时，温度传感器将采集投影仪温度数据，并由报警模块对温度数据进行判断；若测得的温度数据超出设定阈值，则单片机对报警模块、降温模块发出指令，系统报警并开启散热，在降温的过程中温度测量模块仍然保持着对投影仪温度的监控，直至投影仪温度成功恢复至设定工作温度区间。

“投影安全小保镖”具体的工作流程如图2 所示。 符合联网条件时，硬件电路可通过WiFi 模块接入网络，在手机终端通过WiFi 通信技术实现与设备连接后，手机端可以显示出当下投影设备的工作温度以及设定的阈值范围。

图2 系统运行流程

4 系统硬件设计

系统硬件组成及功能主要包括以下部分：单片机控制电路模块是系统的控制核心，主要负责数据的处理与协调工作；温度传感器模块主要实现对温度数据的采集，并将温度信号转化为数字信号；电源电路控制模块负责连接外部电源，并对整个系统进行供电；WiFi 模块负责实现设备间的通信功能；显示模块显示当前温度数值；降温模块的作用是开启散热扇辅助投影仪散热；报警模块负责当温度出现异常时发出报警，并提醒使用者投影仪温度过高。 这几个模块组合在一起构成了“投影安全小保镖”。 系统的硬件设计工作框如图3 所示。

图3 硬件设计工作框图

4.1 单片机控制电路

单片机是本系统的中央处理器、系统核心。 “投影安全小保镖”采用的是型号为STC89C52RC 单片机。 相较于51 系列，52 系列单片机具有晶振频率高、计时器数量多的优点，故本团队选择了该模块作为“投影安全小保镖”的中央处理器。

本系统通过跳线的方式将各功能模块与单片机连接在一起，通过对单片机引脚的定义，实现单片机模块与各功能模块的整合，使杂乱的设备通过引脚连接，形成一个有机整体，合理有序的工作。

4.2 电源电路控制

电源电路控制模块主要负责连接外部电源，为系统提供稳定的电力供应，该模块引入了一个正向低压稳压器AMS1117 稳压芯片，该芯片集成了热保护和限流电路保护功能，目的是保护各器件并且将输入电压稳定在直流3.3 V，防止外接电压过大，击穿电路；该设计也可利用充电宝等外置电源为系统供电，且充电宝输出电压较小，比较适合系统的使用。 电源开关选择的是自锁开关，自锁开关按下一次是功能开启，再按动一次是功能关闭，且体积小巧，组装方便，适合作为本设计的系统电源开关。

4.3 显示模块设计

显示模块主要采用四位7 段LED 数码管显示温度数据。 系统主要数据源来自于温度传感器测量的温度。 在本设计中使用的数码管为共阳极数码管，所有数码管的阳极引脚接在一起［1］，在此种接法下，阳极电平为高电平，如果阴极电平也为高电平，此时将不能引起数码管两端的电压发生变化，数码管无法点亮。 只有当单片机输出低电平时，数码管两端才会因产生电压差而被点亮。 点亮的数码管根据不同的排列组合显示出不同的数字。

4.4 温度测量模块

本设计的温度测量模块采用DS18B20 数字温度传感器［2］。 该传感器的测温范围为：-55 ～125 ℃，测温误差仅为0.5 ℃，在不到1 s 的时间内便可将温度信号转化为数字信号，相较于传统的热电偶传感器可实现高精度测温，获得的数据更加准确。 此传感器不需要外接供电，它的读、写及温度数据转换等操作仅需要借助一根系统连接引脚。 传感器的内部集成了模拟温度传感器电路，主要负责将测量的模拟信号转换成数字信号写入存储器，并通过与单片机连接，将温度数据交由单片机处理，由数码管显示温度数据。

DS18B20 有多种封装方式，“投影安全小保镖”采用的是三引脚式封装传感器。 三个引脚分别连接电源、接地与单片机的数据输入引脚，最主要的是数据连接引脚，依靠此引脚实现与单片机的互相通信。

4.5 报警模块

在“投影安全小保镖”中，设置一个报警模块，报警发声的核心器件是蜂鸣器。 蜂鸣器分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。 有源蜂鸣器接通电源便可自动产生固定频率的声音，无源蜂鸣器需要借助外部器件发来的脉冲信号驱动蜂鸣器发声［3］。 系统检测到投影仪温度高于设置的温度阈值时，单片机发出脉冲信号驱动蜂鸣器发声，通报投影仪使用时间过长，温度较高，需要进行降温处理。

4.6 降温模块

降温模块是“投影安全小保镖”的核心模块。 散热核心器件采用的是直流电机，该器件启动和制动性能较好，在工作时能够实现平滑调速，在直流电机转动时可以带动风扇叶片做同轴转动，并利用风扇叶片转动带来的流动空气辅助投影仪散热。

降温模块的运行与否，取决于单片机对温度数据与设定的阈值范围的对比判断。 当检测到的温度处于阈值区间时，降温模块保持静默；当测量的温度数据超出温度设定的阈值时，系统自动触发降温模块，并由供电模块进行持续的供电。 系统自动进入降温模式可以主动对投影设备进行物理降温，延长投影仪工作时间，使得投影设备不会因为主体温度过高而罢工，影响教师讲课。

4.7 WiFi 模块

为了方便数据的传输，系统采用ESP8266 模块实现设备间的互联。 ESP8266 内部高度集成，接口也十分丰富，可支持UART、IIC、PWM、GPIO、ADC 等多种数据收发器与通信协议。 该器件所需外部电路较少，设计电路板时预留相应接口便可直接与系统电路连接。 当硬件设备与手机通过WiFi 模块实现互联时，手机可以对系统进行远程控制，且二者能够实现实时的数据交互。 手机终端也可以实时显示当前投影设备的工作温度以及设置的温度阈值。

4.8 按键设计电路

按键电路模块通过独立按键实现对正常温度阈值的设定，并能够根据不同的使用环境人为地设置不同的温度范围。 本设计共包含三个独立按键，其中一个按键负责设定温度上下限的设置切换，另外两个按键单独控制阈值数值的增减［4］。

5 系统软件设计

系统软件设计采用KEIL 作为开发环境，C 语言作为主编程语言完成系统软件设计［5］。 软件设计包括：按键模块、数值显示模块、报警模块、DS18B20 模块、按键防抖模块。

由于硬件电路包含独立按键模块，而物理按键因设计原因难免会产生抖动，影响系统功能。 软件消抖相较于硬件消抖实现起来更为实惠与精准。 软件消抖的实现方式为：在编程时通过引入延迟函数，检测按键是否被按下，以此来消除系统按键带来的抖动。 本系统设计的延迟函数每运行一次的延迟时长为1 ms，对于后续需要具体延迟的时间，仅需要重复运行多次延迟函数即可；本设计还可借助延迟函数，给予硬件反应时间，提高运行准确率。

5.1 报警模块

报警模块的软件实现主要是通过对温度数据进行处理，在测得温度数值超出阈值时产生一串稳定的数据脉冲致使蜂鸣器工作，并自动开启散热模块。 在报警模块工作时，温度传感器仍对温度数据进行实时监控，待温度恢复到正常范围内时，蜂鸣器与散热模块将会停止工作；在测得的温度处于阈值区间内时，蜂鸣器进入静默状态，降温风扇停止运行。

5.2 按键模块

按键模块主要负责阈值范围的切换以及临界点的设定。 按键1 在被按下奇数次时，可对系统温度上限值进行修改；当按键1 被按下偶数次时，可对系统温度下限值进行设定。 按键2 与按键3 分别为温度数值的加、减按键，按下、松开一次为一个按键周期，一个按键周期可增加或者减少一个单位的温度值。

5.3 降温模块

降温模块的核心是实现对散热风扇的控制。 单片机实现对温度测量模块测得的数据与设定阈值的对比，并根据判断结果来判定是否开启散热风扇对投影设备进行散热。 这个过程由“投影安全小保镖”完全自主进行，当控制散热风扇的继电器输入端口获得来自于单片机输出的高电平时，散热模块开始运行，输出为低电平时，散热模块保持静默。

5.4 DS18B20 温度采集模块

在系统初次上电时需要对DS18B20 进行初始化操作，使DS18B20 的数据输出引脚保持高电平输出，当投影设备温度发生变化时，传感器内部会产生一串交替的低电平脉冲信号并由数据输出接口输出，如果投影设备的工作温度未发生变化，则该传感器的数据输出引脚持续保持高电平。 在DS18B20 检测到温度变化时，便会开始写入脉冲信号，写入时总是从低电平开始，每次只传输1 bit 的数据，且两个脉冲信号的周期间隔不得少于1 μs。 写入成功后，开始进行数据的读取，数据的读取也是从低位开始，高位数据左移8 位，低位数据放入value 的低位中，转换成温度值，通过显示模块输出。

6 总结

综上所述，通过系统测试，该设计能准确地检测出投影设备的温度变化，利于温度参数自动调节降温模块运转。当投影设备的工作温度超出阈值时，蜂鸣器工作，散热风扇运行，实现对投影设备的物理降温操作。 当手机终端和硬件电路通过WiFi 通信建立连接时，温度的阈值既可以在系统实体上的按键手动进行设置，也可以通过手机端实现远程设置，且两者设定的阈值也可以实现实时的更新同步。

“投影安全小保镖”不仅能减轻后勤管理人员的工作压力，精准地定位当前出现问题的投影确切位置，还可以远程设置上下限温度阈值的设定，提高人员工作效率，促使后勤服务水平进一步上升。