远程报警温控系统设计分析

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在冶钢过程中，需对出炉钢铁水进行特殊温度处理才能达到需要的性能指标。在塑料制品的生产过程中需要将原材料升温到一定程度才具有可塑性；在完成塑形后，又需要将材料温度降至一定值才能定型［2］。由此可见，非常有必要开展温度控制系统的研究，性能优越的温度控制系统可有效推动各个行业的发展。对于温度控制系统的研究，学者们已开展了一定研究，现有的温控系统都不具备远程报警通信功能，在距离较远的情况下无法及时报警通知操控者或及时发出调整温度指令。本文设计的具备远程报警的温控系统，在温度控制系统传统模式的基础上新增远程短信通信功能，采用单片机与DS18B20数字温度传感器相组合的方式进行温度的测量。可有效防止温度升高后带来的高温窒息、食品运输损坏、病人病情加重等危险，具有广泛的应用价值。

1系统总体设计

如图1所示为本温度控制系统的组成框图，主要包括单片机微控制器芯片、温度采集模块、温度检测阈值设置按键模块、显示模块、报警及提示模块和自动控制调节模块。其中报警及提示模块具有通信远程短信提示功能、蜂鸣器具有发出报警声音的功能和指示灯显示状态，此模块让本温度控系统相对于现有温度控制系统具有极大的优势，能远程实时监控场景中的温度变化，其中自动控制模块的升温和降温采用风扇和加热片进行模拟。

2硬件电路设计

如图2所示为该温度控制系统的硬件电路连接图，其主控芯片为51单片机，具体型号是STC89C52RC。硬件电路主要包括温度检测模块、液晶显示模块、继电器与灯光提示模块、蜂鸣器提示模块、串口通信模块、外接加热与降温模块以及独立供电模块，下文将对关键模块电路进行详细阐述。

2.1温度采集模块设计

温度检测模块的作用在于温度的检测，由数字式温度传感器和上拉电阻组成。DS18B20的工作模式主要有两种，分别为正常供电工作模式和寄生供电工作模式。在正常工作模式中，只需要将传感器的VDD针脚接电源正极，GND针脚接接地端，DQ针脚（即I/O总线）接在单片机I/O口上即可，一般情况下为了DS18B20能够更快响应，则需要外接一个上拉电阻在DQ针脚上。本温度控制系统的DS18B20数字温度传感器采用常规供电工作模式，根据DS18B20说明书可知其工作电流约为1mA，VCC供电电压为5V，即可知上拉电阻的阻值为R=5V/1mA=5kΩ，其中满足阻值越大，电流越小的原则。由STC89C52RC说明书可知，单个I/O的电流约在10mA，为了减小元件功耗，选用10kΩ的色环电阻能满足设计需求。DS18B20的DQ脚接在单片机P3.7I/O口，实现对数字温度传感器的读与写功能。

2.2自适应按键设置模块设计

自适应按键设置模块电路由三个按键组成，三个按键分别实现设置选择、温度加和温度减的功能。其分别连接在单片机的P3.1、P3.2和P3.3引脚。这样的按键设置可以满足根据实际温度控制场合对温度要求来设置温度阈值，扩大了本温度控制系统的应用范围。

2.3显示模块设计

显示模块采用液晶LCD1602元器件，其显示字符最大可有32个。K引脚是液晶屏背光的接地脚；A引脚是液晶屏背光的电源脚；DP0~DP7引脚是LCD1602的数据I/O引脚，接在了单片机的P0.0~P0.7I/O引脚上，实现数据传输。由于STC89C52RC是漏极开路输出，在两者之间接了阻值为10kΩ电阻作为上拉电阻防止作为I/O口使用时数据异常。E引脚作为使能脚接单片机的P2.6引脚，用于控制指令是否有效，单片机只需向LCD1602写入数据，故该引脚直接接地，便可以在软件编写时节约向该引脚赋值的操作。RS引脚作为甄别LCD1602接收单片机的数据是数据还是指令针脚，接在了单片机的P2.7I/O进行控制。VO引脚是对比度调节电压，本次设计通过参考外接了10kΩ电阻进行了对比度最佳调节，并在之后连接了1kΩ的电阻进行分压，使电流能够正常接地。VDD引脚为LCD1602电源正极，直接接在供电端口上，VSS引脚接地。

2.4报警及提示模块设计

报警及提示模块主要采用蜂鸣器、指示灯和短信远程发送，单片机在直接上电时各个I/O口引脚会有一个短暂的高电平，若此时直接连接蜂鸣器会出现误发声的现象。为避免此现象发生，用PNP三极管进行了开关的控制，当单片机I/O口给出低电平时符合PNP三极管饱和导通条件，5V电源直接给蜂鸣器供电，此时蜂鸣器发声；单片机I/O口高电平时，不满足PNP三极管饱和导通条件，此时蜂鸣器不发声。同理，本次设计用单片机计时器0的中断程序进行对无源蜂鸣器的发声频率控制。指示灯的电路设计与自动控制模块电路设计一起实现，故在自动控制模块电路设计时再详细描述。短信远程发送采用串口通信方式，串口通信模块用于单片机与上位、下位机的串口通信，由四个针脚组成，1引脚接电源，2引脚接单片机RXD引脚，3引脚接单片机TXD引脚，4引脚接地。短信远程发送采用EC600无线通信模块，便能够通过两者的串口连接进行操控，在温度超出预设值时，单片机通过软件程序进行判断并通过串口发送AT指令操控无线通信模块发送短信到预设当事人的手机号上进行远程温度报警。本温度控制系统所使用的EC600无线通信模块需要5V的电源进行驱动，故在设计串口通信模块时采用了4针脚的方式，除了RXD/TXD针脚以外还留有GND接地针脚和5V电源针脚供使用。

2.5自动控制模块设计

自动控制模块要求根据所检测温度超过阈值后产生自动响应，降温功能采用5V电源驱动的风扇实现，使用5V电源所驱动电器可以直接接在单片机电源引脚进行供电，用继电器进行通断控制；升温功能采用12V电源驱动的加热片实现，需外接12V驱动电源并通过继电器控制。用PNP三极管进行了单片机对继电器的通、断控制，继电器电路图中L信号线接在了单片机P1.4I/O口，当单片机发送低电平指令时符合三极管饱和条件，三极管EC端口导通继电器吸合，此时J1接线口若外接负载电路则线路导通。继电器供电电路并联了红色发光二极管，并采用电阻组成分压电路，当继电器通电时，红色发光二极管同时通电进行灯光提示。当温度高于上限时同理，继电器吸合接线头线路导通。与下限继电器区别在于R信号线接在了单片机P1.2I/O口，且发光二极管颜色为黄色。因本次设计使用的继电器最高能够适应3750W的切换功率负载，故在选用升温与降温负载时能够根据不同的场景选择不同的升温与降温电器作为温度调节的元件，本次设计选用5V电能够驱动的风扇作为我们的降温负载，12V电驱动的加热片作为升温负载，当温度检测模块测量到温度超过预设值时，相应的继电器接通，以驱动加热元件或制冷元件，当检测到温度在温度调节负载的作用下重新回到了预设温度范围内，继电器断开带动升温或降温负载关闭从而达到控制温度的效果。

3软件设计

软件设计主要包括主程序、按键温度阈值设定子程序、温度采集检测子程序、报警及自动控制调节子程序。软件设计同样采用模块化设计，将实现的每一个功能分模块软件设计，首先实现子程序调试，成功后再进行总程序调试。这样能达到子程序子功能之间独立互不影响，同时程序的适应性较强。下面对主程序和温度采集检测子程序进行详细阐述。

3.1主程序

主程序部分程序如下所示，主程序中主要体现温度采集及自动控制的过程，首先对硬件进行初始化，然后读取温度值，将温度读取值显示在液晶显示器上，读取设置阈值，将采集温度与阈值进行对比，大于最大阈值发出报警声音、发送报警短信并启动降温负载，低于最小阈值后发出报警声音、发送报警短信并启动升温负载。

3.2温度采集检测子程序

温度采用检测子程序的功能是将温度传感器DS18B20检测得到的温度读取并送显，所以程序当中会把DS18B20中的数据读取并写入液晶显示器中，对液晶的写入进行程序设置，部分程序如下所示：

4仿真测试结果与实物分析

仿真和实物如图3和4所示，采用Keil和Proteus联合仿真，Keil中调试好的程序生产.Hex文件，然后导入Proteus中。从仿真测试和实物结果可知，单击设置键观察LCD1602部件指针，当指针选中要设置的数值时，再按下加减数字按钮即可修改预设温度值区间。在按下设置键、加、减键的同时，蜂鸣器会给与短暂的反馈提示音。当前温度高于预设上限值时，继电器RL1吸合，降温负载电路接通，同时黄色信号灯亮，蜂鸣器发声警示，串口开始发送数据到下位机EC600，此时串口模拟终端会显示发送的数据，直至降温负载将温度降至预设值以下时，继电器停止吸合，负载电路断开，同时黄色信号灯灭，蜂鸣器停止发出声音示警。当前温度低于预设下限值时，继电器RL2吸合，升温负载电路接通，同时红色信号灯亮，蜂鸣器发声警示，串口开始发送数据到下位机EC600，直至升温负载将温度升至预设值以上时，继电器停止吸合，负载电路断开，同时红色信号灯灭，蜂鸣器停止发出声音示警。

5结束语

基于STC89C52RC单片机设计的温度控制系统结构简单，工作可靠，该型号的8051单片机具有串口下载功能，只需要购买专用的串口下载器便可以在不用更新电脑软件驱动的情况下，用电脑对单片机实现程序烧写，可以更加便捷地预设置与更新驱动程序。在串口接入EC600模块的情况下，能实现远程温度警告。若对于该设计进行一定程度的密封以及对于继电器及负载电路进行各种适应性调整，便可满足各种场景长时间的使用，比如控制工厂某生产车间的室温、控制某空间内的水温等，也可以在进行多点布置温度控制系统的情况下实现更大空间内的室温、水温控制，该温控系统具有非常大的应用潜力。

参考文献

［1］易丽华，黄俊.基于AT89C51单片机与DS18B20的温度测量系统［J］.电子与封装，2009（73）：39-42

［2］李厚军.电子技术中单片机的应用与开发［J］.现代工业经济和信息化，2022，12（4）：169-170，173

［3］岳华.基于单片机的煤矿用防爆电机应用设计［J］.机械管理开发，2022，37（4）：161-163

［4］王永华，龙怡嘉，张志华.基于STC89C52的智能温控系统的设计［J］.计算机产品与流通，2020（6）：149

作者：刘沁 邱顺佐 张维 张明扬 李高鑫 李沛泽 朱泳潘 单位：宜宾学院智能制造学部 宜宾学院国际应用技术学部