江曉軍,王建軍,陳寶玉,王素娟

光條式溫度測(cè)量顯示系統(tǒng)

江曉軍,王建軍,陳寶玉,王素娟

(上海第二工業(yè)大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院,上海201209)

設(shè)計(jì)了一種基于分段式顯示法的溫度測(cè)量顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用DS18B20數(shù)字溫度傳感器和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理,并把測(cè)量結(jié)果分段顯示在LG102510G光條上。使用這一溫度測(cè)量顯示系統(tǒng)可以克服在夜晚使用溫度計(jì)觀察鹵素?zé)艄ぷ鳒囟葦?shù)值變化的困難,有利于操作者對(duì)室外鹵素?zé)舻臏囟茸兓癄顩r進(jìn)行快速評(píng)估。通過對(duì)設(shè)定范圍為-10°C～90°C的溫度測(cè)量,驗(yàn)證了該系統(tǒng)可用于監(jiān)測(cè)照明光源的工作溫度,這為避免室外照明光源異常工作、嚴(yán)重發(fā)熱提供了一種有效途徑。

溫度測(cè)量;溫度顯示;LG102510G光條;單片機(jī)

0 引言

隨著半導(dǎo)體工業(yè)、光學(xué)制造業(yè)和激光加工業(yè)的發(fā)展,光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)廣泛采用了鹵素?zé)糇鳛檎彰鞴庠碵1-3]。通常鹵素?zé)艄β瘦^大,工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象,特別是當(dāng)這些光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)工作于室外時(shí),這一現(xiàn)象更為明顯。嚴(yán)重的發(fā)熱現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致鹵素?zé)艄庠垂ぷ鳟惓?從而影響鹵素?zé)艄庠吹氖褂脡勖凸鈱W(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的性能,因此監(jiān)測(cè)室外鹵素?zé)艄庠垂ぷ鳒囟鹊囊笕諠u增多[4-5]。通常觀察者在照明光源處放置溫度計(jì),并不時(shí)地走近溫度計(jì)仔細(xì)觀察讀取鹵素?zé)舻墓ぷ鳒囟葦?shù)值,消耗了大量的時(shí)間且在夜晚觀察非常困難。

本文研制了一種以LG102510G光條為顯示器的溫度測(cè)量顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用DS18B20數(shù)字溫度傳感器和單片機(jī)對(duì)室外鹵素?zé)舻墓ぷ鳒囟冗M(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理,并把測(cè)量結(jié)果分段顯示在LG102510G光條上。通過對(duì)設(shè)定范圍為-10°C～90°C的溫度測(cè)量和分段顯示,驗(yàn)證了該系統(tǒng)可用于監(jiān)測(cè)照明光源的工作溫度,并可避免室外照明光源異常工作、嚴(yán)重發(fā)熱。

1 光條式溫度測(cè)量顯示系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)及工作原理

光條式溫度測(cè)量顯示系統(tǒng)用于對(duì)室外鹵素?zé)艄ぷ鳒囟鹊臏y(cè)量與顯示,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可見,該系統(tǒng)主要由照明光源(50W鹵素?zé)?、DS18B20溫度傳感器、STC89S52單片機(jī)、設(shè)定單元、顯示單元和報(bào)警單元組成。系統(tǒng)由STC單片機(jī)向DS18B20溫度傳感器發(fā)送讀取鹵素?zé)艄庠垂ぷ鳒囟鹊拿?DS18B20溫度傳感器在一定的時(shí)間內(nèi)完成溫度的測(cè)量,由STC單片機(jī)采集該溫度數(shù)據(jù),然后由STC單片機(jī)將采集到的溫度數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較判斷后,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段,再將分段后的數(shù)據(jù)送光條顯示單元進(jìn)行顯示。

圖1 光條式溫度測(cè)量顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram ofthe lightbartemperature measurement&display system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1光條顯示單元

光條顯示器是由若干個(gè)LED發(fā)光元件按縱向排列而形成的一個(gè)光柱,它有紅、綠、黃等多種發(fā)光顏色。這些不同發(fā)光元件的狀態(tài)可以用來表示不同范圍的模擬量,這就為需要進(jìn)行某些范圍的模擬量的顯示或者監(jiān)測(cè)提供了一種實(shí)現(xiàn)的途徑。

本系統(tǒng)采用一個(gè)10位LED低功耗光條LG102510G,每一位LED對(duì)應(yīng)10°C,10位LED對(duì)應(yīng)的溫度顯示范圍是-10°C～90°C,它可以指示鹵素?zé)艄庠吹墓ぷ鳒囟确秶?使操作者更直觀地監(jiān)測(cè)其溫度變化。該10位LED的一端分別與10個(gè)100Ω的電阻相連,另一端則分別與單片機(jī)端口P0.0～P0.7和P2.0～P2.1相連,并且由相應(yīng)端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。與端口P0.0～P0.7相連的由低位到高位排列的LED顯示位LED0、LED1、LED2、LED3、LED4、LED5、LED6、LED7分別表示溫度顯示范圍是-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,而與單片機(jī)端口P2.0～P2.1相連的由低位到高位排列的LED顯示位LED8、LED9分別表示溫度顯示范圍是70°C～79°C、80°C～89°C,且LED顯示位中的一位亮?xí)r,所有低于該顯示位的LED顯示位都亮。

2.2溫度測(cè)量單元

鹵素?zé)艄庠垂ぷ鳒囟葦?shù)據(jù)測(cè)量是由STC89S52單片機(jī)和DS18B20完成的。DS18B20是美國(guó)半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的“一線總線”接口溫度傳感器,測(cè)溫范圍是-550°C～+1 250°C,可以程序設(shè)定9～12位的分辨率,測(cè)量分辨率最高為0.065°C,測(cè)量時(shí)間可達(dá)93.78 ms,并具有獨(dú)特的單線接口方式[6-7]。在本設(shè)計(jì)中,將DS18B20放置在鹵素?zé)艄庠吹慕饘偻鈿ど?測(cè)量分辨率設(shè)為0.5°C,溫度范圍設(shè)為-10°C～90°C,溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時(shí)間設(shè)為200 ms,并在DS18B20與STC單片機(jī)之間用一條帶4.7 kΩ上拉電阻的連線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信。當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后,開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第1、2字節(jié)中。單片機(jī)STC89S52通過單線接口讀出該數(shù)據(jù),讀數(shù)據(jù)時(shí)低位在在、高位在后,數(shù)據(jù)格式以0.062 5°C/LSB式表示。

STC89S52是一個(gè)8位單片機(jī),它具有4 KB的在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)單元、32個(gè)可編程I/O口線[8]。當(dāng)STC89S52單片機(jī)對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫操作時(shí),首在將DS18B20復(fù)位,即將DS18B20的DQ線拉低480～960μS,再將數(shù)據(jù)線拉高15～60μS,然后由DS18B20發(fā)出60～240μS的低電平作為應(yīng)答信號(hào),此時(shí)STC89S52單片機(jī)可以開始對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫操作。

2.3溫度設(shè)定與報(bào)警單元

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了3個(gè)按鍵S1,S2,S3。S1是設(shè)置鍵,用于通知STC89S52單片機(jī)進(jìn)入溫度報(bào)警值設(shè)定功能,設(shè)定溫度上、下限報(bào)警值;S2、S3分別為溫度報(bào)警值增加鍵和溫度報(bào)警值減小鍵。按鍵S1,S2,S3分別接到單片機(jī)STC89S52的P2.2,P2.3, P2.4端口上。另外,還設(shè)計(jì)了蜂鳴報(bào)警器,單片機(jī)STC89S52的端口P1.2與之相連,當(dāng)該端口輸出為高電平時(shí),三極管導(dǎo)通,引起蜂鳴器報(bào)警。電路原理圖如圖2所示。

圖2 溫度報(bào)警單元Fig.2 Temperature alarm unit

單片機(jī)STC89S52將設(shè)定好的溫度上、下限報(bào)警值保存到芯片AT24C02里,由于芯片AT24C02是串行EEPROM,采用I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,以引腳SDA作為串行數(shù)據(jù)線,并以引腳SCL作為串行時(shí)鐘線,故單片機(jī)STC89S52上的總線與AT24C02存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送均由SDA數(shù)據(jù)線完成[9]。由于芯片AT24C02占用的資源和I/O線很少,體積也小,同時(shí)具有抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、數(shù)據(jù)不易丟失等特點(diǎn),應(yīng)用于本系統(tǒng)可保證掉電時(shí)數(shù)據(jù)不丟失且系統(tǒng)功耗小,這為本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)室外運(yùn)行的鹵素?zé)艄庠垂ぷ鳒囟冉档土顺杀尽?/p>

本系統(tǒng)在啟動(dòng)的時(shí)候,單片機(jī)STC89S52在讀取存儲(chǔ)在AT24C02里的溫度上、下限報(bào)警值,然后將其與DS18B20讀取到的溫度值進(jìn)行比較判斷。芯片AT24C02的引腳Vcc接電源正極,引腳SDA和SCL通過10 kΩ上拉電阻接電源正極,其電路原理圖如圖3所示。

圖3 AT24C02的接線Fig.3 The connection of AT24C02

2.4PCB板設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的PCB制板圖是以Protel99SE為設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。單片機(jī)STC89S52位于PCB板的中央,芯片AT24C02和光條LG102510G位于單片機(jī)STC89S52的兩側(cè),減小了噪聲對(duì)存貯器和顯示數(shù)據(jù)的干擾,而系統(tǒng)的電源接入口設(shè)于PCB板邊緣的下方,有利于減小電源中噪聲的竄擾。制好的PCB制板圖如圖4所示。

圖4 硬件系統(tǒng)的PCB板圖Fig.4 PCB profile of the hardware system

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)是在keilC開發(fā)平臺(tái)上用C語言編程實(shí)現(xiàn)的。STC89S52單片機(jī)在對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫操作,讀取溫度值,再以該值與AT24C02外部E2PROM中存儲(chǔ)的溫度上、下限報(bào)警值比較后進(jìn)行處理和判斷,最后把鹵素?zé)艄庠吹墓ぷ鳒囟葦?shù)據(jù)按分段送光條LG102510G進(jìn)行顯示。

本系統(tǒng)軟件是由主程序、溫度報(bào)警值設(shè)定子程序、溫度值讀出子程序、溫度值處理子程序和顯示數(shù)據(jù)刷新子程序組成,縮短了測(cè)量溫度的時(shí)間,提高了測(cè)量的實(shí)時(shí)性。本系統(tǒng)軟件的主程序流程圖如圖5所示。

圖5 軟件系統(tǒng)的主程序流程圖Fig.5 Flow chartof the main program of the software system

表1 溫度測(cè)量結(jié)果Tab.1 The results oftemperature measurement

完成上述系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)后,將DS18B20分別放置于照明光源金屬外殼的上、下、左、右共4個(gè)位置進(jìn)行試驗(yàn),即以這4個(gè)位置作為4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),并在3個(gè)不同的時(shí)間點(diǎn)對(duì)同一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)量,共得到12個(gè)溫度測(cè)量值。再用測(cè)量分辨率為0.1°C的FLUKE572紅外線測(cè)溫儀對(duì)同樣的位置進(jìn)行測(cè)量,得到12個(gè)溫度測(cè)量值并以此作為參考值,將這些數(shù)據(jù)整理后如表1所示。從表1可以看出,照明光源金屬外殼的上、左兩個(gè)位置的測(cè)量溫度都比參考溫度高,而下、右兩個(gè)位置的測(cè)量溫度普遍比參考溫度低。這是由于照明光源的右下方放置了溫度測(cè)量顯示系統(tǒng)的開關(guān)電源,該電源工作時(shí)產(chǎn)生的熱輻射通過照明光源金屬外殼表面反射到FLUKE572紅外線測(cè)溫儀中,該紅外線測(cè)溫儀得到的測(cè)量結(jié)果疊加了這一溫度變化量,故下、右兩個(gè)位置的參考溫度比DS18B20測(cè)量得到的溫度值高一些;而照明光源的左邊沒有開關(guān)電源等發(fā)熱器件,故上、左兩個(gè)位置的參考溫度與測(cè)量溫度較接近且略低一些。經(jīng)過對(duì)表1中測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比后可知,用DS18B20測(cè)量得到的溫度值與相應(yīng)的參考值之間的最大誤差為0.6°C,最大相對(duì)誤差為3.97%,說明可以使用DS18B20作為溫度傳感器來監(jiān)測(cè)照明光源的工作溫度,即使照明光源出現(xiàn)工作異常、嚴(yán)重發(fā)熱的現(xiàn)象時(shí),DS18B20在設(shè)定的溫度測(cè)量范圍(-10°C～90°C)內(nèi)也可以得到相應(yīng)的溫度測(cè)量值。

4 結(jié)論

本文研制了一種基于分段式顯示法的溫度測(cè)量顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用DS18B20數(shù)字溫度傳感器和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理,并把測(cè)量結(jié)果分段顯示在LG102510G光條上。通過對(duì)設(shè)定范圍為-10°C～90°C的溫度測(cè)量和分段顯示,驗(yàn)證了該系統(tǒng)可用于監(jiān)測(cè)照明光源的工作溫度,并可避免室外照明光源異常工作、嚴(yán)重發(fā)熱,故該光條式溫度測(cè)量顯示系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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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

江曉軍(1970–),男,四川內(nèi)江人,副教授,博士,主要研究方向?yàn)榫芄怆姕y(cè)控技術(shù),電子郵箱xjjiang@sspu.edu.cn。