多点温度巡回检测报警系统设计报告

随着电子技术、计算机技术、通信技术的迅速发展，工业测控领域采用先进的技术 对现场的工业生产参数进行检测，监测是实现工业自动化的重要标志。据不完全统计， 在工业生产中被监测最多的参数应该是压力、流量、温度三大参数。无论在石油、化工、 煤炭、水利等行业，还是电力、机械、航空、国防等部门，都离不开对这些参数的监测。 当然除此之外，还有诸如液位、扭矩、密度、浓度、速度、位移、距离、电参数等众多 物理参数的监测，但用的最多的恐怕还是温度的监测，可以说温度的测量是一个“永 恒”的话题。温度测量的领域十分广泛，其实，不仅在工业领域，而且在民用领域、军 用领域，温度的测量随处可见。在工业领域，电力系统的安全运行关系到整个工业的发 展和人民生活的稳定，其中一个重要的方面是电气设备自身的安全运行，由于绝大多数 的电气设备采用封闭式结构，散热效果差，热积累大，并长期处于高电压、大电流和满 负荷运行，其结果造成热量集结加剧，温升直接危害电器设备的绝缘，这就要求对电气 设备的温度状况进行测量控制。如发电厂的发电机组随着电压增高和容量增大，解决定 子铁心和绕组温升的问题就日益突出。对全封闭的高压开关电器，也存在对其开关触头 温度的监测问题，电机的轴温，胶带滚筒的表面温度，工业冷却循环水温，加热设备的 炉温，啤酒的麦芽发酵温度，各种化工原料在化学反应时控制的温度等等。在民用领域， 超市的食品架内温度，人们生活空间环境的温度，空调的控制温度，人体繁荣体温检测， 冰箱、冰柜的温度测量等等。随着计算机的发展，程序控制也逐渐成为了工业生产中的 主要角色，各种各样的检测系统应运而生。基于单片机的温度检测系统具有以前温度检 测所无法具有的优点，因为系统为程序控制，所以实现形式非常灵活，而且可以实现很 多新功能，而且对于日益复杂化的工业生产，对于多点温度检测的需求也很大程度上提 高了。单片机系统具有体积小，功耗小的特点，而且可以对采集的数据进行软件处理， 所以用单片机进行多路温度检测，具有非常实际的意义。

DS18B20 内部结构主要由四部分组成：64 位光刻 ROM 、温度传感器、非挥发的温 度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。

(1)DQ 为数字信号输入/输出端； (2)GND 为电源地；

(3)VDD 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。 DS18B20 内部结构图：

在本设计中，使用 DS18B20 对温度进行采集，即通道 DS18B20 把摄氏温度信号转换 成数字信号，通过 74HC4066 和 74HC138 选择采集哪路 DS18B20 信号，其电路如图 4 所 示。

74HC4066 是一款高速 CMOS 器件，74HC4066 引脚兼容 HEF4066B。74HC4066 遵循 JEDEC 标  准  no.7A  。  74HC4066  引  脚  图  如 图  所  示  ：

74HC4066 引脚兼容 74HC4016，但具备更低的导通阻抗。此外，导通阻抗在整个输 入信号范围内保持恒定。

74HC138 是一款高速 CMOS器件，74HC138 引脚兼容低功耗肖特基 TTL（LSTTL）系 列。74HC138 译码器可接受 3 位二进制加权地址输入（A0, A1 和 A2），并当使能时， 提供 8 个互斥的低有效输出（Y0 至 Y7）。

74HC138 特有 3 个使能输入端：两个低有效（E1 和 E2）和一个高有效（E3）。除 非 E1 和 E2 置低且 E3 置高，否则 74HC138 将保持所有输出为高。

CD74HC138 ，CD74HC238 和 CD74HCT138 ， CD74HCT238 是高速硅栅 CMOS 解码器， 适合内存地址解码或数据路由应用。74HC138 作用原理于高性能的存贮译码或要求传输 延迟时间短的数据传输系统,在 高性能存贮器系统中,用这种译码器可以提高译码系统 的效率。将快速赋能电路用于高速存贮器时,译码器的延迟时间和存贮器的赋能时间通 常小于存贮器的典型存取时间,这就是说由肖特基钳位的系统译码器所引起的有效系统 延迟可以忽略不计。HC138 按照三位二进制输入码和赋能输入条件,从 8 个输出端中译

少了扩展所需要的外接门或倒相器,扩展成 24 线译码器不需外接门;扩展成 32 线译码 器,只需要接一个外接倒相器。在解调器应用中,赋能输入端可用作数据输入端。

74HC4066。图 5 中给出一路温度采集电路与 74HC4066 的方式。要实现多路温度的分时 采集，只需在多个 74HC4066 的输入端连接多路温度采集电路即可。

图 5 DS18B20 与 74HC4066 的接口电路

MAX232 是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单 5V 电源供电时提供 EIA/TIA-232-E 电平。当用单片机和PC 机通过串口进行通信，尽管单 片机有串行通信的功能，但单片机提供的信号电平和 RS232 的标准不一样，因此要通过

据通道。8 脚（R2IN）、9 脚（R2OUT）、10 脚（T2IN）、7 脚（T2OUT）为第二数据通 道。TTL/CMOS 数据从 11 引脚（T1IN）、10 引脚（T2IN）输入转换成 RS-232 数据从 14 脚（T1OUT）、7 脚（T2OUT）送到电脑 DB9 插头；DB9 插头的 RS-232 数据从 13 引脚（R1IN）、

8 引脚（R2IN）输入转换成 TTL/CMOS 数据后从 12 引脚.（R1OUT）、9 引脚（R2OUT）输 出。

在单片机应用系统中，如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用 LED 数码管 是一种较好的选择。LED 数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简单易 行。

LED 数码管是由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。图 9 中 a 为 0.5inLED 数码管的外形和引脚图，其中七只发光二极管分别对应 a～g 笔段构成“ ”字形另一 只发光二极管 Dp 作为小数点。因此这种 LED 显示器称为七段数码管或八段数数码。LED 数码管按电路中的连接方式可以分为共阴型和共型两大类，如图 9 中 b、c 所示。共阳 型是将各段发光二极管的正极连在一起，作为公共端 COM，公共端 COM接高电平，a～g、 Dp 各笔段通过限流电阻接控制端。某笔段控制端低电平时，该笔段发光，高电平时不 发光。控制某几段笔段发光，就能显示出某个数码或字符。共阴型是将各数码发光二极 管的负极连在一起，作为公共端 COM 接地，某笔段通过限流电阻接高电平时发光。

LED 数码管按其外形尺寸有多种形式，使用较多的是 0.5in 和 0.8in；按显示颜色 也有多种形式，主要有红色和绿色；按亮度强弱可分为高亮和普亮，指通过同样的电流 显示亮度不一样，这是因发光二极管的材料不一样而引起的。

LED 数码管的使用与发光二极管相同，根据其材料不同正向压降一般为 1.5～2V 额 定电流为 10mA，最大电流为 40mA。静态显示时取10mA 为宜，动态扫描显示可加大，可 脉冲电流，但一般不超过 40mA

a)外形和引脚              b)共阴极结构              c)共阳极结构

当 LED 数码管与单片机相联时，一般将 LED 数码管的各笔段引脚 a、b、…、g、Dp 按某一顺序接到 MCS－51 型单片机某一个并行 I/O口 D0、D1、…、D7，当该 I/O 口输 出某一特定数据时，就能使 LED 数码管显示出某个字符。例如要使共阳极 LED 数码管显 示“0”，则a、b、c、d、e、f 各笔段引脚为低电平，g 和 Dp 为高电平。

LED 数码管编码方式有多种，按小数点计否可分为七段码和八段码；按共阴共阳可 分为共阴字段码和共阳字段码，不计小数点的共阴字段码与共阳字段码互为反码；按 a、 b、…、g、Dp 编码顺序是高位在前，还是低位在前，又可分为顺序字段码和逆序字段 码。甚至在某些特殊情况下将 a、b、…、g、Dp 顺序打乱编码。表 1 为共阴和共阳 LED 数码管几种八段编码表。这里采用共阴极数码管的编码方式。

LED 数码管显示电路在单片机应用系统中可分为静态显示方式和动态显示方式。在 本设计中，使用的是动态显示方式，这里主要介绍动态显示方式及其电路连接。动态显 示在本设计中如图 10 所示。

一般情况，在静态显示方式下，每一位显示器的字段需要一个 8 位 I/O 口控制，而 且该 I/O 口须有锁存功能，N 位显示器就需要 N 个 8位 I/O 口，公共端可直接接+5V（共 阳）或接地（共阴）。显示时，每一位字段码分别从 I/O 控制口输出，保持不变直至 CPU 刷新显示为止。也就是各字段的亮灭状态不变。

而当显示位数较多时，静态显示所占用的 I/O 口多，为节省 I/O 口与驱动电路的数 目，常采用动态扫描显示方式。将所有 LED 数码管显示器的段码线的相应段并联在一起， 由一个 8 位 I/O 端口控制，而各显示位的公共端分别由另一单独的 I/O 端口线控制。

告警在设计电路中，被广泛的应用，简单实用。当温度、压力、转速等等超出了设 置的限度，有可能对设备、人或其他造成危害；所以，当检测到温度、压力、转速等大 于期望的范围时，由相关电路触发三极管的基极，使三极管导通，继电器吸合，指示灯 亮，同时蜂鸣器响，发出告警信号。其电路如图 11 所示。