1 引言
温度是很重要的参数,因此,温度传感器被广泛的应用于工农业生产、科学研究和生活等领域,数量高居各种传感器之首。而随着现代社会信息化程度的迅速提升,计算机机房成为了现代化信息工程的枢纽,其安全工作已成为重中之重中,对机房内设备的安全程度要求也日益提高。机房内一旦发生故障,将导致整个系统的瘫痪,造成巨大的经济损失和不良的社会影响。因此,研发出具有远程提示功能的机房超温报警系统十分必要。本文就设计了一种以AT89S52单片机为控制核心的多路温度报警器,该多路温度报警器具有精度高、可声光报警和远程短信提示等功能,应用于实际的工程中收到了满意的效果。
2 系统方案
该温度报警器的设计主要是针对某证券公司的机房而设计的。机房中有多台计算机服务器、路由器柜、空调、风机和卫星数据接收设备等等。由于房间内的电气设备比较密集,当出现电气故障时,机房的环境温度就会迅速升高。经过分析,我们总结出造成机房高温故障甚至火灾的起因主要有:
1) 机房内的计算机、空调、风机等用电设备长时间通电工作而导致的设备老化引起的电气线路短路过载;
2) 空调风机发生故障,而不能降温,同时机房内的电子产品发热快,在短时间内使得机房温度升高超出设备正常工作温度而造成的系统瘫痪;
3) 偶然的人为因素和雷电等强电侵入;
因此,我们在考虑了每个易于出现故障设备的同时,兼顾着空间均匀分布的方式,在机房内合理安装了多个温度传感器。并且,经过现场实际情况的反复多次试验,对每一个温度探测点的温度报警限值进行了分别设定。这样,当机房内出现上述故障时,温度报警器就会采集到某个温度传感器的异常输入。当超过该点温度报警设定的高限值时,温度报警器开启空调风机对机房进行降温;当超过高高限值时,温度报警器采取自动断电、喷淋灭火的方式来阻止火灾的发生。同时,温度报警器通过声光和远程短信提示的方式向机房负责人发出报警,使故障或火灾给机房带来的损失降到最低。
3 系统硬件设计
多路温度报警器的组成包括:温度采集传感器、单片机控制电路模块、液晶界面LCD1602显示电路、开关量输出电路(开关空调风机、自动断电、喷淋灭火和输出声光报警)、远程短信电路和报警模块。系统硬件组成框图如图1所示。
整个系统采用单总线的方式构成,温度传感器将温度信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。每个上传的温度信号都带有一个唯一的地址,以表明具体是哪个传感器的温度信号。单片机作为整个系统的核心,就像人脑一样,它对所接收的数据进行分析,逐个判断各个温度信号是否超限。如果某个温度信号超限,即刻启动开关量输出电路(开关空调风机、自动断电、喷淋灭火和输出声光报警)同时向机房管理员发出短信提示;反之则为正常工作状态。为方便检测与监控,使仪器测试人员及用户能够更加直观地观察到环境中各点的温度值,将温度值和其对应的点的序号依次循环在LCD1602中显示。系统为了方便机房管理员随时调整任一个温度探测点的温度报警限值,还加入了手按键盘。光闪报警带来了变化的光信号可以引起用户注意,弥补嘈杂环境中声音报警的局限。
3.1 单片机AT89S52简介
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K 在系统可编程Flash 存储器[1]。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。在单芯片上,拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能:8k字节Flash,256字节RAM,2 位I/O 口线,看门狗定时器,2 个数据指针,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,片内晶振及时钟电路。另外,AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52的各引脚如图2所示。
3.2 温度检测电路
DS18B20数字温度计是DALLAS半导体公司生产的1－Wire,即单总线智能温度传感器[2]。具有体积小,接口方便,传输距离远等特点。DS18B20组成的温度检测电路简单,在一根通信线上可以串联多个DS18B20,安装布线十分地便利。单总线只有一根数据线,系统中的数据交换、控制都由这根线完成。设备(主机或从机)通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线,以允许设备在不发送数据时能够释放总线,而让其它设备使用总线。 单总线通常要求外接一个约为4．7kQ 的上拉电阻,这样,当总线闲置时,其状态为高电平。由于它们是主从结构,只有主机呼叫从机时,从机才能应答,因此主机访问1-wire 器件都必须严格遵循单总线命令序列,即初始化、ROM 命令、功能命令。本温度报警器系统中,主机为单片机AT89S52,从机是DS18B20,它们的接口电路图如图3所示:
3.3 开关量输出电路(开关空调风机和输出声光报警电路)
采用继电器驱动开关量形式的装置(空调风机、自动断电、喷淋灭火和声光报警)联动,继电器线圈的通断电可通过单片机AT89S52的P2.6脚控制。设计中P2.6脚置1,三极管导通,继电器开始工作,使常闭触点断开,常开触点闭合。继电器与单片机的连接电路图如图4所示。
3.4 GPRS模块
GPRS模块选用唐山蓝迪公司的LDS6020模块,在GSM网络覆盖区域可以快速可靠的实现系统中的数据传输和短信传输。LDS6020模块工作电压为+5～+24VDC,具有标准的RS485和RS232通信接口,在短信发送成功后给出提示,能够自动登录网络,断线后自动重连网络,可实现用户数据的完全透明传输,数据中心设置灵活,可用手机接收数据和短信。
4 软件设计
软件部分由主程序和多个子程序组成。主程序完成系统初始化、判断报警和开关量输出(开关空调风机、自动断电、喷淋灭火和输出声光报警);报警高限值和高高限值的设定、温度采集转换、键盘控制等都由子程序来完成。
温度报警器软件流程:首先进行系统初始化,在液晶LCD1602和温度传感器DS18B20都初始化完毕后,每隔2秒刷新一遍温度值。温度采集部分由多个DS18B20组成,且全部DS18B20都连接在一根总线上,读取每个DS18B20的温度值时都要找到匹配的ROM,DS18B20才能正常工作[3]。采集到的温度值经过模数转换后,送到LCD1602中显示,并且在单片机内进行比较。当采集到的温度值是安全值时,系统继续循环;当所采集到的温度值不是安全值时,系统采取相应的报警措施。主程序流程图如图5所示。
5 结束语
本文以温度作为主要探测参数,采用实验和空间均匀分布相结合的方式,确定了机房内多个温度报警限值,整个系统采用AT89S52单片机为控制核心,温度传感器DS18B20为测温元件,可实现机房内故障与火灾的早期探测、报警与灭火联动。整个设计电路简单、成本低廉、灵敏度高,完全达到了用户的温度控制要求。本温度报警器也适用于仓库、大棚、生产车间等场所。
参考文献:
[1] 胡亚琦.单片机原理及应用系统设计[M].西安:西安电子科技大学出版社.2010.10.
[2] 刘建亭,毛善坤.DS18B20 工作原理及基于C语言的接口设计[J].仪器仪表用户,2005.(6).
[3] 文哲雄,邓保青.数字化温度场测量系统设计 [J].自动化技术与应用,2011,30(8):89-91.
作者简介:张建平(1979-),男,助理研究员,从事工业自动化控制系统的研究。