张伟超

摘要：本文提出一种基于STC89C52RC单片机的水温和气温测量系统。采用STC89C52RC为主控芯片，DS18B20数字温度传感器为测温元件，使用太阳能供电。由Keil完成系统程序设计，搭建Proteus 软件仿真平台、编译程序从而实现硬件调试仿真，最后对硬件进行运行测试。太阳能供电使该系统具有很强的适用性、实用性、可靠性等优点。

关键词：DS18B20；STC89C52RC；太阳能测温；Proteus；控制

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）04-0054-02

在对河流水文的观测中水温、气温是重要测量量。传统测温一般采用热电阻或热电偶，将模拟信号进行A/D转换后，输入到单片机进行处理。这种电路可靠性相对较差，测量准确度低而且采集点不少处在无电网供电的地方。鉴于此，本文提出基于单片机的太阳能数字测温系统设计方案。

1 系统方案设计

采用STC89C52RC单片机为主控芯片、20w单晶硅太阳能光伏板、蓄电池、DS18B20数字温度传感器、数码管等，实现对水温和气温的测量、显示功能。利用PROTEL 99SE绘制原理图、设计PCB板图。由Keil完成程序设计和编译，在硬件装配前，通过Proteus仿真。本系统能在无电网供电情况下，稳定不间断的监测水温和气温，两路数字温度传感器分别进行水温和气温采集，采集结果通过单片机处理后，通过数码管输出显示。单片机控制太阳能电池板对蓄电池进行充电管理，12v蓄电池经变压电路后为系统提供主电源。系统整体设计如下图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 单片机主控系统

本系统以STC89C52单片机作为系统的主控芯片。STC89C52RC单片机是高速、低功耗、抗干扰的CMOS8位微控制器 ，在嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。其工作频率：0～40MHz，8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。正常工作模式下，典型功耗4ma～7ma，掉电模式下可由外部中断唤醒，特别适合蓄电池供电系统。

通过STC89C52单片机，可以控制太阳能电池板对蓄电池的充电状态。在白天随着光照强度增强，太阳能电池板电压高于蓄电池电压，此时蓄电池处于充电状态。同时为了防止蓄电池过充，单片机通过检测蓄电池两端电压，控制太阳能电池板停止为蓄电池充电。如果长期阴雨无光，单片机检测到蓄电池电压低于其放电截止电压，为了延长蓄电池的使用寿命。这时单片机将关闭系统，进入掉电模式，等待有光照时候，由外部中断唤醒单片机。同时也可在深夜时关闭系统，在指定时间开启系统，从而延长电池使用时间。

2.2 数字温度传感器

DS18B20数字温度传感器是Dallas公司生产的单总线器件，具有线路简单、体积小，精度高的特点。测温范围在-55～+125℃，精度为0.5℃，内部有温度上、下限告警设置。能直接读取被测的温度，还能根据设计需求采用简单的编程技术实现 9 ～ 12 位的读取数字方式， 并且读写传输形式简单，只需一根单线接口的数据线即可。DS18B20芯片最常见的封装为TO-92，三个引脚分别为 GND-电源地、DQ-数据输入/输出引脚、VDD为可选电源引脚。采用 DS18B20完全能滿足测量要求，且更加简单和可靠性。本系统DS18B20 设计的测温电路如图2 所示。

为了能长期浸泡在水中，将TO-92封装的DS18B20，通过优质不锈钢管封装，内部填装导热硅胶，采用滚口封装技术与加厚硅橡胶导线间接。提高其感温性能同时拥有极佳的防水、防潮、防锈特点。使用双绞线带屏蔽电缆传输，保证长距离测量更稳定。一般正常通信距离可达150 m，适用于大多数场合要求。

2.3 蓄电池组选择与容量

蓄电池既是太阳能电池板储能装置，又是系统的供电装置。这要求蓄电池要维护简单且寿命长。市场常见的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。铅酸免维护蓄电池免维护性好，密封性能好，状态稳定，适合在户外使用。而普通的铅酸蓄电池，虽然价格低，但维护工作量大，应用场合少。碱性镍镉蓄电池，各项性能都很好，但是价格较高。综合考虑选择使用铅酸免维护蓄电池作为蓄电池。

在南方地区一般最长的连续阴雨天气不超过30天。综合系统功耗考虑，经过测算，选择用12V、20Ah容量的铅酸免维护蓄电池可以满足系统在30天连续阴雨无光照条件下正常工作。特别适用在野外无电网供电的采集点，大大提高了系统适用范围。

2.4 太阳能电池板

采用单晶硅太阳能电池板，它的电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，所有种类的太阳能电池板中光电转换效率最高。本系统选用峰值功率20W，峰值电压17.3V，短路电流1.33A，钢化玻璃封装，高强度铝边框。相对于本系统功耗而言，20w单晶硅太阳能电池板能满足系统需求且有余量。

2.5 显示及电源模块电路

显示模块采用2个三位共阴极数码管分别来显示测量的水温和气温，利用单片机的定时器来实现动态扫描显示。电源模块：由太阳能电池板发电，12V蓄电池电压经过LM7805稳压后产生5V电压直流电源，作为单片机、温度传感器、数码管等主电源。电压转换电路图如图3所示。

3 软件设计

3.1 主控程序

水温，气温测量系统上电启动后自动复位，首先对芯片内部寄存器、单片机IO口进行初始化，然后进入主函数开始运行。首先判断检测蓄电池电压是否低于放电截止电压，若低于系统则进入休眠关闭状态，等待外部中断重新激活系统。否则进入温度测量及显示子程序。接着进入蓄电池充电方式选择子程序，来判断电池电压是继续充电，还是停止充电。最后在返回主函数循环。

3.2 温度测量子程序设计

DS18B20在同单片机通信采用的是单总线协议方式，它将所采集到的温度转换为数字信号后，通过DQ传送至单片机。由于DS18B20在一根数据线上实现数据的双向传输，故单片机在同DS18B20通信时候，我们采用软件的方法来模拟单总线的协议时序。需要严格的按照通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。依照DS18B20的通讯协议。同时为了简化软件设计，本设计采用“并行I/O口输入与单总线结构相结合” 结合的方式巡回读取多路温度。温度测量流程如下：（1）初始化DS18B20，执行跳过ROM命令（CCH），不读取64位ROM编码直接向DS18B20发出功能命令。（2）向DS18B20发送温度转换指令（44H） ，随后启动温度采样与A/D转换，并将转换数据存储在暂存器中。（3）再次初始化DS18B20，执行跳过ROM命令。（4）执行单片机读暂存器命令（BEH），将对应的DS18B20高速暂存存储器的数据读入单片机中，其中第0，1字节分别是温度值低位（LS byte）和高位（MS byte），从而完成某通道DS18B20的温度采集。

4 Proteus电路仿真

Proteus嵌入式系统仿真与开放平台是由英国Labcenter公司开发的，它完善的电路设计与仿真平台可以对模拟电路、数字电路、模/数混合电路、单片机及其外围电路进行系统仿真。Proteus提供了大量的虚拟仪器、仪表、激励源和分析工具。编辑环境功能强大，界面友好容易操作，仿真调试简洁直观。启动Proteus ISIS 7，从Proteus元件库中选择所需元件。将在Keil软件下编写控制程序并生成HEX文件装载到单片机中进行仿真。通过仿真结果表明本测量系统温度测量模块、显示模块、充电方式选择模块、电源模块、均正常工作，程序可按照预先设定方式正常工作。

5 结语

本次研究提出了一种采用STC89C52RC为主控模块，DS18B20数字温度传感进行水温和气温的测量，使用太阳能光伏供电系统的方法。用数字传感器提高了测量精度，简化了电路降低了功耗，容易实现的特点。同时该系统在野外依靠太阳能长期稳定工作，对水文监测、气象监测等具有很高实用价值。

参考文献

[1]周润景，张丽娜.PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[2]孫少伟，戴义保，章高琴.基于DS18B20组网测温的研究[J].自动化仪表，2006，27（10）：42-45.