Temperature Monitoring System Based on AT89C51 Microcontroller
HongLi Zhu LiYuanBai
1.College of Informationa, Henan University of Technology , Zhengzhou , 450052,China; 2. College of Informationa, Henan University of Technology , Zhengzhou , 450052,China zhl780221@163.com
Abstract
To the problems of online real-time temperature inspecting of the electric cable interface, this paper designs an inspecting and alarming system based on AT89C51 microcontroller. The hardware circuit of this system is composed of collector, host control machine and PC. Through the key courses of collection, storage, conversion and transmission, the temperature data of electric cable interface is sent to real-time show and alarm, achieves inspecting and alarming for the interface of electric cable and avoids the happenings of fire effectively.
1. Introduction
In the actual process of power transmission, at the point of every 100 meters or so in the long- distance electric cable line equips an electric cable interface[1]. Cable fires caused by both the internal and the exterior breakdown easily happening in numerous electric cable interface approximately account for more than 50% in the total numbers of electric cable accidents. In fact, the electric cable interface breakdownrsquo;s development is an evolutionary process. To avoid occurrences of the electric hazards effectively, a method of monitoring the real-time temperature of electric cable interface, aiming for understanding the working condition of each interface accurately and comprehensively and determining the service plan, may ensure safety of the power transmission.
This temperature inspecting and alarming system to the cable connector takes a monitoring plan at the core of which is AT89C51 microcontroller. Three major part composing the whole system are
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978-1-4244-3930-0/09/$25.00 copy;2009 IEEE
respectively: gathering and transformation of temperature parameter, data transmission of temperature, and datarsquo;s central demonstration and processing.
2. system design
This system is composed of superior PC machine, the host control machine and the temperature collector[2]. Structurally, the whole system can be divided into three layers: one of userrsquo;s monitoring of superior machine constituted by the microcomputer system, one controlling level of master control machine composed of AT89C51 and one measuring level at the collector. Superior PC exchanges data with the host control machine through GPRS. The system is a kind of principal and subordinate structure made up of one PC and several collectors, through the RS-485 communication network, they can transmit data of long distance. The structure of the system is shown in Figure 1.
Figure 1. System structure diagram
In this system, superior PC machine regularly sends out to the host control machine the commands of reading the temperature data. After receiving these
Authorized licensed use limited to: Huaiyin Institute of Technology. Downloaded on April 15,2010 at 06:40:58 UTC from IEEE Xplore. Restrictions apply.
orders, the host machine will send back the preceding data read from collectors and saved in SRAM. After finishing the transmission, the host control machine also sent out orders of reading the temperature to each collector. Once the collector receiving them, the data saved in the collector SRAM will be send back to the host control machine that will receive and renew original data at the relevant position. During this correspondence gap collectors constantly read the newest temperature value to prepare for the real-time reading command of the host machine. All orders and transmission of the data have formulated the strict communication protocols, and adopted the different check-up ways, greatly enhanced reliability in the process of transmission.
2.1 Temperature collector
The collector consists of mainly six parts including the microcontroller AT89C51, select electric circuit of the temperature measurement port, the communication circuit, registering and booking circuit of the DS18B20 sensor, electric circuit of the memory and the temperature sensor[3]. Collectorrsquo;s structure diagram is shown in Figure 2.
Figure 2. Collectorrsquo;s structure diagram
Through select electric circuit of the temperature measurement port ,the microcontroller may control the temperature sensor DS18B20 gathering the temperature. The temperature data being saved first in the exterior memory SRAM will be sent back to the host control machine when requested at any moment.
The temperature sensor uses digital DS18B20 temperature collector. DS18B20 may provide temperature value of 9 to 12 rank number and has a warning function of usersrsquo; programmable bound of temperature without non-volatility. The information can be send in or out from DS18B20 through the single bus connection, therefore only connecting a line can meet the need. The power source in the course of writing and reading and completion of the temperature
change can be provided by the data line itself without need of outer power supply. Because each DS18B20 has the only series number, many DS18B20 may exist on the single bus. In the course of design, each electric cable parallel several dozens temperature sampling point, constituting a working form of serial line. For the temperature signal sent out by this microcontroller is the digital signal, it simplifies A/D transformation, and improves efficiency and the precision of the measurement.
The temperature measurement port select electric circuit uses bidirectional analog switch CMOS component CD4051 as the multi-channel gathering cut switch. The CD4051 has 8 groups
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基于单片机AT89C51的温度监控系统
朱红丽 白丽媛
- 大学信息 河南工业大学，郑州，450052中国;
- 大学信息 河南工业大学，郑州，450052中国;
摘要
针对电缆接口实时在线温度监测的问题，本文设计了基于AT89C51单片机的检测和报警系统。该系统的硬件电路由集热器，主控制机与PC机。通过对温度数据的采集，存储，转换和传输，电缆接口的温度数据被发送到实时显示器和报警器，从而得到关于电缆检测和报警的界面，有效地避免了火灾的发生。
- 简介
在送电的实际过程中，每百米左右的距离配备一个电缆接口[1]。电缆火灾通常是由内部和外部故障引起的，在电缆接口处发生的火灾大约占电缆事故总数的50％以上。事实上，电缆接口故障的产生是一个渐进的过程。为了避免有效电危害的发生，监控电缆接口的实时温度，旨在用于精确和全面地掌握各接口的工作状态，以确保电力传输的安全性。
该温度监测报警系统电缆连接器采用的核心是AT89C51单片机。构成整个系统的三个主要部分分别是：温度参数的收集和变换，温度数据的传输，数据的中央处理和显示。
- 系统设计
该系统由上位机，主控制机和温度采集器组成[2]。在结构上，整个系统可分为三层：由微机系统构成的上位机组成用户监测部分，AT89C51构成的主控制器和用于温度测量的采集器。上位机与主控制器通过GPRS交换数据。该系统是由一个PC和几个采集器组成的主从结构，通过RS-485通信网络，他们可以传输长距离的数据。该系统的结构示于图1：
图1系统结构图
在这个系统中，上位机定时给主控制器发送读取温度数据的命令。在接收到这些命令后，主机将会发送回从采集器中读取的数据，并将其保存在SRAM中。完成传送后，主控制器还会给每个温度采集器发送指令读取温度。一旦采集器接收到指令后，保存在采集器SRAM中的数据将被发送回主机，主机接收并在相关位置更新原始数据。与此同时，采集器读取最新的温度值，从而为主机发送的实时温度读取的指令做准备。所有的指令和数据的传输都制定了严格的通信协议，并通过不同的校验方式，在传输的过程中大大提高了可靠性。
2.1温度采集器
采集器主要由六个部分组成：微控制器AT89S51，温度采集端口电路，通信电路，DS18B20的寄存电路，存储器电路和温度传感器。采集器的结构图如图2：
图2 采集器结构图
通过温度测量端口的选择电路，微控制器可以控制温度传感器DS18B20采集的温度。在任何时刻请求指令发出时，最先保存在SRAM中的温度数据将会被发送到主控制器中。温度传感器采用DS18B20数字温度采集器。DS18B20可以提供9到12位的温度值，并且具有用户可编程温度报警功能。信息可以通过单总线连接从DS18B20发出或接收，因此只需连接单根线即可达到要求。在温度变化的读取和写入的过程中，数据线本身可以提供电源，而不需要外加电源。因为每一个DS18B20具有唯一的序列号，很多DS18B20可能存在与单总线上，在设计的过程中，每台电缆平行的几十个温度采集点构成了串行线的工作方式。由该单片机发出的温度信号是数字信号，它简化了模数转换，提高了测量效率和测量精度。
温度测量端口选择电路采用双向模拟开关CMOS元件CD4051作为多通道采集切换开关。CD4051一共有八个通道，其中一条负责单总线，而3-8译码器由单片机的地址线协调控制，负责宣统CD4051。在设计中，每个采集器使用2片CD4051，可以控制16组单总线。此外，每一个采集器具有通道扩展接口，可扩展通道至64组，完全满足实际需要。
DS18B20寄存器端口电路对新的温度完成寄存。在系统开始工作前，每一个DS18B20必须先寄存单片机的64位代码，以便在温度测量时确认。通过键盘建立逻辑地址，单片机可以读取串行码，然后将它们储存在SRAM相关单元里，以供传感器读取或写入。同时，在采集器中，32位的SRAM也扩展用于存取DS18B20的64位数据和多点的温度采集。该存储器具有快速存取速度，在电源故障的情况下不会丢失它的数据，实现系统的实际需求。
通信模块是实现多台机器间远程传输和通信的关键。因为所需的电缆接头温度测量数据传输距离一般超过几公里，通信模块通常采用RS-485通信接口，利用平衡传输和差分接收，具有干扰抑制能力。此外，该接收器具有灵敏度高，可检测的最低电压200mV，因此传输的信号可以达到数公里之外。
2.2 主控制器
图3为主控制器的结构图，主要包括通信电路、存储器电路和显示电路。
图3 主控制图
主机控制机的主要任务是读取和保存收集器的温度数据，然后将它们发送到上位机，以方便分析、演示和用户查询。因此，主机控制机实际上是一个具有记忆功能的处理器。因为主机控制机可同时与采集器和上位机进行交换数据，通信选择电路可以用来改变在主机控制机上的单片机的串行工作。
主机控制机和采集器之间的数据传输采用RS-485通讯方式。主机控制机可连接最多256个采集器，因此，RS-485总线的应用能够实现由很多连接采集器组成的分布式系统。
主控机与上位PC机通过GPRS（通用分组无线业务）与之对应。数据在网上任何时刻都以很高的速度进行传输。GPRS通信，一个集现代无线通信、信号的采集、计算机网络的高新系统集成技术，价格低廉，在广泛的领域有着高效的利用。更重要的是，它可以为用户提供高效、经济、安全和实时监控的方法。基于GPRS通信网络的IP数据包传输数据，主控机通过RS-485总线连接到GPRS modem，也与GSM基站对应。但不同于电路交换或数据通话，GPRS数据组传递给基类中的SGSN节点，没有连接在网络语音网关支持节点GGSN，SGSN和通过移动业务交换中心M SC进行通信。在GGSN和上位PC机之间，互联网可以直接用来完成传输。
2.3上位机管理系统
本系统的管理软件在Windows XP环境下以VB语言开发和完成。由于其丰富的图形界面，很好的控制部件的集成度，开发周期的效率高，周期短，VB语言非常适合本系统软件的开发。系统软件的功能结构图如图4所示。
图4系统软件结构
在数据传输过程中，采用与硬件相协调的异步串行通信技术，可以实现上位机与上位机之间的数据传输。系统的在线监测功能可配置离线配置，具有良好的人机界面。在在线观测系统中，设计了电缆隧道状态和温度分布图，并设计了各采集器的位置和电流的温度值，在正常情况下，接头的颜色是绿色的。
当一个采集器的温度超过设定值时，颜色会变红，当其温度图接近设定值它会变成黄色，这可以被称为超温报警。从这一点，我们可以提供电力电缆运动的实际场景的图形动态描述。如图5所示。
图5 电缆隧道状态和温度分布图
在线观测系统还可以显示或打印温度数据，如图6所示。
图6 温度测量报告
从所有的电缆接口的具体温度图中，在对应的时间只有通过输入日期和时间才能检查出每个电缆接口的表面温度和三相温度。此外，可以清楚地观察到它的每个电缆接头的温度值和温度趋势曲线，如图7所示。
图7 温度曲线
因为曲线图可以分别使用年线、月线、日期线和时间线来绘制任意接口的曲线，这张图不仅可以实时监测接头的温度，而且还可以分析接口的温度趋势。这种效果是很好的。
在线观测系统可以对系统的运行状态进行实时监测，包括各采集器的运行状态和网络等。在异常情况下，可以及时发现并及时采取措施进行维修或维修。此外，监测参数可以随时在线修改，如温度的上限设定值，巡回检查的周期等。根据电缆的工作条件的温度变化，该系统不仅可以设置电缆接头的警告温度和警告温度的变化梯度的自动显示，还可以自动跟踪环境温度。在服务平台的帮助下，管理员还提供了在线监控系统的运行状态、故障报警、图片切换、打印形式、分析历史数据、存储数据、在线修改参数等功能。
3 结束语
本文的创新主要体现在以下方面。该系统以计算机与单片机的串行通信理论为基础，利用具有强大的数据处理能力的计算机，对串行通信技术和GPRS通信、数据采集和数据的单片机的监控功能，轴承低温和抗强电场的总线系统的设计，适用于远程监控，应用于表面和电缆接头温度。通过对电缆接头进行实时监测，分析了电缆过热故障的特点，分析和预测了它的环境温度，可以有效防止过热故障和因环境引起的电源连接器的绝缘降低而造成的火灾。硬件设计上都采取了传统的单片机AT89C51，RS-458总线，和目前流行的GPRS数据传输模块，廉价而可靠完成系统的温度检测和温度数据传输。此外，在上位PC机和主控机，以及在线对电缆接头温度观测系统设计时使用VB通信程序，创造了友好的人机界面，使操作简便。在设计过程中进行了无数次的测试和实验。结果表明，该系统是比较合理的，对通信数据的传输和处理是比较先进的。它已经获得了用户的高度赞扬，因为它可以及时提供故障的位置和检修指令，并能有效地避免发生严重的事故，一般都达到了预期。该系统可应用于电力、冶金、煤矿、港口等企业，实现对电源连接器的温度在线监测。此外，只要稍加改造，就可用来监视和控制储粮温度系统、档案室、图书馆、大型的蔬菜大棚。
4参考文献
【1】成永洪，电力设备绝缘检查和诊断，中国电力出版社，北京，2001。
【2】王勇，“基于AT89S51的电能计量系统”，微计算机信息，2006（29）。pp.15-18。
【3】杨过府，“江苏电器，2005（5），温度检测智能控制系统的硬件和软件设计。第20～21页。
温度传感器芯片简化设计
当选择一个温度传感器时，将不再局限于模拟输出或数字输出设备。现在有的传感器类型，会让你有很大的选择空间。在市场上的所有的温度传感器提供模拟输出。热敏电阻、 RTDs 和热电偶是另一种模拟输出设备，硅温度传感器。在大多数应用程序中，不幸的是，这些模拟输出设备需要比较器、 ADC 或在他们的输出放大器。因此，当更高的级别，集成的变得可行，数字接口的温度传感器成为可用。这些芯片在多种形式出售，从简单信号在特定温度时的设备已超过那些报告同时提供警告在升温设置的远程和本地的温度。选择现在不是简单地之间模拟输出和数字输出的传感器 ；有范围广泛的传感器类型可供选择。
温度传感器的种类
图 1 传感器和 IC 制造商目前提供温度传感器的四的类
在图1中举例说明四种温度传感器类型。一种理想的模拟传感器提供输出电压，这是一个完美的线性温度 （A） 的功能。在数字 I/O 类的传感器 (B) 中，温度多 1 和 0 的表单中的数据传递到微控制器，通常是通过串行总线。沿着相同的总线，数据被发送到温度传感器的微控制器，通常设置的警报针的数字输出将旅行的温度限制。警报中断微控制器时已经超过温度限制。这种类型的设备，还可以提供风扇控制。
'模拟正量'传感器(C)被应用在多种类型的数字输出上。当超过特定温度的时候，Vout对温度曲线是一个数字输出。在这种情况下，增加到模拟温度传感器的“正信号”只不过是一个比较器的参考电压。其他的类型“正信号”部分在以频率和方波的形式储存以后被延迟，这些将会在以后讨论。
系统监视器 （D） 是四种类型当中最复杂的集成电路。除了功能由数字 I/O 类型提供外，当电压上升或下降到通过I/O 总线设置的极限的时候这类型装置的监测系统会报警。风扇监控和/或控制包含在这种类型中的集成电路。在某些情况下，此类设备用于决定一个风扇是否正在工作。更多复杂控制风扇如一或更多量过的温度的功能。系统监视器传感器这里不讨论，但简短提到温度传感器的类型。
模拟输出温度传感器
热电阻和硅温度传感器被广泛地应用在模拟输出温度传感器上。图 2 清楚地显示当需要时电压和温度的线性关系，硅温度传感器是比热敏电阻好得多。在狭窄的温度范围之内，热敏电阻可以提供合理的线性和良好的敏感特性。许多构成原始电路的热敏电阻已经被硅温度传感器代替。
图 2 热敏电阻和硅温度传感器这两个模拟输出温度探测器的比较
硅温度传感器有不同的输出刻度和偏移量。例如，与绝对温度成比例的输出转换功能，还有其他与摄氏温度和华氏温度成比例。摄氏温度部分提供一种组合以便温度能被单端补给传感器测试。
在大多数应用程序中，这些装置的输出被装入一个比较器或 A/D 转换器的温度数据转换为数字格式。这些附加的装置，热电阻和硅温度传感器继续被使用是由于在很多情况下它的成本低和使用方便。
数字 I/O 温度传感器
大约在五年前，一种新型温度传感器出现了。这种装置包括一个允许与微控制器进行通信的数字接口。接口通常是 Isup2;C 或 SMBus 的串行总线，但其他的串行接口，如 SPI 是共用的。除了要报告的微控制器，温度读数，该接口也从微控制器接收指令。这些指令通常温度限制，如果超出，将中断微控制器的温度传感器在集成电路上的数字信号。然后微控制器可以调整风扇速度，或减慢微处理器的速度，例如，保持温度在控制下。
这种类型装置有多样性的特点。远程温度传感，为了能够远程测量，大多数的高效处理器提供一个温度的模拟电压芯片晶体。（晶体管的两个 p-n 结仅被使用）。图 3 显示了一个使用这种技术检测的处理器。其他应用利用离散的晶体管实现相同的功能。
图 3 设计的温度传感器可远程测试处理器芯片上的p-n结温度
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