基于单片机的温度监控报警系统设计

吴金华

(江西应用技术职业学院机电系，江西赣州 341000)

1 原理与设计

1.1 系统设计思路

本设计题目为语音温度计，因为要用单片机去完成程序控制以及数据转换，故外围电路设计较简单。硬件设计可分为:核心控制CPU、环境温度采集、数码管显示、语音播报、键盘以及超量报警［1］。硬件电路的系统框图如图1所示。

图1 语音温度计设计的系统框图

1.2 方案选择

基于图1的框图介绍，可了解到语音温度计设计的各种模块。每一模块均有一个核心器件，对于该器件的选择在某种程度上决定了设计方案的选择［2］。

(1)由于是利用单片机控制电路，因此在电路中，单片机控制处理器为核心器件［3］。在该设计中可使用AT89C2051、AT89S51以及凌阳公司生产的16位单片机等。但考虑到各种因素，设计选用AT89S51单片机作为核心控制CPU。

(2)要设计温度计便要有温度采集，可以采集温度的途径较多，文中采用达拉斯(Dallas)公司生产的单线数字温度传感器DS18B20，其可使温度信号直接转换成串行数字信号供微处理器处理，且外围电路简单、实现方便。

(3)要弥补之前用视觉单一解决问题的缺陷，可采用美国ISD公司出品的新型优质单片录放音电路实现语音播报功能，该功能采用直接模拟量存储技术DAST来完成语音的录入、存储及分段输出。因此失真小、使用方便、不需专用语音开发工具且成本低廉，所以得到了广泛使用。

(4)在语音播报时需考虑音量的大小，设计采用LM386音频功率放大器来实现音量大小的调节。语音芯片输出的声音大小无法直接改变，需通过外围电路对其进行放大，因此在外围电路添加一个放大的音频功率电路，在此电路中应用LM386既可实现音量放大且造价低廉、操作方便易实现，因此选择该系统来控制音频。

(5)显示技术是传递视觉信息的技术，由于LED数码管显示器的寿命较长、价格低廉且显示清晰，所以在设计中选择LED显示环境温度［4］。

1.3 系统电路的软硬件设计和模块原理

系统电路的软硬件设计和模块原理，如图2～图5所示。

2 各单元的建立

2.1 核心控制CPU的介绍

AT89S51是一种低损耗、高性能、CMOS 8位的微处理器，片内有4 kB的在线可重复编程快擦快写存储器，可重复写入或擦除1 000次，数据可存储10年。其与MCS 251系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS 251系列单片机，且功能多于MCS251系列。AT89S51可构成单片机最小应用系统，缩小系统体积、增强系统的可靠性且降低了成本。只要程序长度≤4 kB，4个I/O口全部为用户提供。可用5 V电压编程，且擦写时间仅需10 ms，仅为8751/87C51擦除时间的1%，与875/87C51的12 V电压擦写相比，不易损坏器件，并无两种电源的要求，且改写时无需拔下芯片，适用于众多嵌入式控制领域。

2.2 键盘控制模块

单片机应用系统中除复位按键有专门的复位电路及复位功能外，其他按键或键盘均是以开关状态来设置功能或输入数据的。因此，这些开关不仅单一用于电平输入。

当所设的功能键或数字键按下时，计算机应用系统将完成该键预设的功能。因此，键信息输入是与软件结构相应的过程。对于某些应用系统，键输入程序是整个应用系统的核心。图6为单片机键盘扫描框图。

对于一组键或一个键盘，总有一个接口电路与CPU相连。通过软件了解键输入信息，CPU可采用中断或查询的方式了解是否按下按键，并检查按键。当有键按下时，便执行该键的功能程序。

图6 键盘扫描框图

2.3 温度采集模块

(1)设计采用DS18B20作为数据采集器，其精度可精确到0.062 5，可进行环境温度的测量。DS18B20是美国Dallas公司生产的单总线数字温度传感器，可将温度信号直接转换成串行数字信号供微处理器处理，而且可在一条总线上挂接多个DS18B20芯片，构成多点温度检测系统无需任何外加硬件。DS18B20数字温度传感器可提供9～12位温度读数，读取或写入DS18B20的信息仅需一根总线，总线本身可向所有挂接的DS18B20芯片提供电源，无需额外电源［5－6］。

(2)温度传感器与单片机的接口。设计中，传感器的DQ端连接单片机AT89S51的P1.0端。其测量温度子程序的流程图如图7所示，可根据流程图以及DS18B20测量温度的基本指令来编写程序。

图7 测温流程图

2.4 语音录放模块

ISD1400系列语音芯片是美国ISD公司的新产品，图8是其原理框图，包括时钟振荡器、低噪前置放大器和差分功率放大器等电路。ISD1400系列语音芯片采用直接存储模拟信号、自动待机省电、可编程电擦除和读写存储等技术。

2.5 数显电路模块

数码管使用的是4位共阳极的LED数码管，公共端都经过PNP三极管连接电源，由单片机的P2.0～P2.3接口控制三极管的基极。当基极为低电平时三极管导通，对应的数码管点亮并显示相应的数值，如图9所示。

图8 ISD1420的原理框图

图9 数显电路图

3 结束语

温度监控报警系统可实现以下功能:(1)可在0～90℃之间设定，标定温差为xx。(2)当温度未在设定范围内时会自动报警并发送无线信号，发送距离＞10 m。(3)LED数码管可较为准确地显示实际温度。(4)通过按键可设置温度和语音播报，语音可完成远距离传送报警信号。

［1］白驹珩，雷晓平.单片计算机及其应用［M］.成都:电子科技大学出版社，1997.

［2］朱定华.单片机原理及接口技术［M］.北京:电子工业出版社，2001.

［3］谭家玉.单片机原理及接口技术［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2003.

［4］郭强.液晶显示应用技术［M］.北京:电子工业出版社，2003.

［5］邓鹏.基于单片机的家用电话远程遥控装置设计［J］.电子科技，2011，24(12):79 －81.

［6］吕俊亚.一种基于单片机的温度控制系统设计与实现［J］.计算机仿真，2012(7):242－245.