Design of a Real-Time Monitoring System for the Temperature of Nixing Pottery Kilns ()
1. 概述
随着科技的快速发展，科技已经开始慢慢地替换了传统的人力物力，现如今国家已经开始大力倡导发展科技，让科技代替人力。坭兴陶窑炉炼炉时，温度实时显示在窑炉上，需要人工24小时在边上进行值守，非常耗费人工 [1] 。因此，人们迫切地需要一个基于温度传感器的APP来进行远程实时监控温度，从而减少人们大量的劳动时间。如今国内有很多耐高温温度传感器 [2] ，并且进一步连接手机就可以实时地进行温度监控。从温度传感器方面来讲，温度传感器的灵敏程度要比水银的灵敏程度高100倍，从而有效精确地测量温度。温度传感器的应用范围比较广，工业控制、天气预报、农业大棚、医学温度等等 [3] 。目前，从硬件角度来看，51单片机具有材料轻便、价格便宜、购买便捷等优点。同时它的操作也十分简单，只需要开机，连接温度传感器，并配置液晶显示器，就可以实现温度显示。从APP角度来看，它是目前国内外最方便的程序之一，只需要一部手机就可以接收到所有想要的数据，方便快捷，就不需要亲自到窑炉或实地进行参观考察。从市场应用范围看，电子体温计是最为广泛的温度测量工具。它具有测量精度高、使用方法简单、购买价格低廉等明显的优点，但同时，水银的大量使用对资源环境造成严重的污染，检测方法不便等缺点。因此，专业研究人员不断研究，开发出全新的电子水印体温计，并迅速得到认可，使温度测量正在向着数字化和智能一体化两个方向发展。温度测量的数字化是一个发达国家和体系经济建设的重要推动力和基础，有利于提高国家社会的战略性、带动性和巨大的成长性。由此可见，基于温度传感器的APP窑炉远程监控技术是未来发展趋势，其独特的战略地位和重要性受到了我国乃至世界社会各国的普遍认可和重视，对一个国家的科技进步和国民经济建设达到现代化发展水平起到了非常重要的作用。
2. 温度监控系统总体设计
2.1. 硬件选择
2.1.1. 温度传感器的选择
目前应用的温度传感器主要有热电阻温度传感器和温度传感器DS18B20。
热电阻温度传感器：测温原理为电阻会随着温度的变化而变化。特点是测量精度高、测量的范围大、有利于远距离测量，应用较多的材料有铂、铜等。但是，它不适合在强磁环境和强还原性介质中使用，铜电阻虽然价格低，温度系数大，电阻率小，但在腐蚀性介质中使用稳定性差。
DS18B20温度传感器不仅支持“一线总线”的数字传输方式，方便组建传感器网络。而且具有体积小、接口方便、传输距离远、可直接读出被测温度等优点，由于内含寄生电源，它不需要备份电源和外部元件。这不仅使系统的干扰性好，而且适合于恶劣环境的现场温度测量 [4] 。
通过对比热电阻温度传感器和温度传感器DS18B20的优缺点，因此，温度传感器DS18B20更加适合作为本系统的温度传感器。
2.1.2. 微控制器的选择
微控制器型号主要有AT89C51、AT89S52和STC89C52。
AT89C51 [5] ：此微控制器核心为AT89C51芯片，只读存储器采用Flash ROM，存储空间为4 KB。其突出特点为可在3 V超低压环境使用，可完全兼容MCS-51系列单片机。但其不足之处也是十分明显，当其要对程序修改时，需要重新烧入，这不仅操作麻烦而且烧写时需要多次拔插芯片，就会大大缩减芯片的使用寿命。因此AT89C51型号微控制处理器开始渐渐淡出人们视野。
AT89S52 [6] ：此微控制器核心为AT89C52芯片，它与AT89C51都采用Flash ROM只读存储器，但存储空间有了升级，为8 KB。皆可在3 V超低压环境使用，可完全兼容MCS-51系列单片机。与AT89C51不同，它在烧录程序时不需要对芯片进行拔插，芯片的使用寿命普遍较长。
STC89C52：此微控制器核心为STC89C52芯片，它与AT89C52都具有8 KB的存储空间。因为其低功耗，高性能的突出特点而受到许多电子工厂的好评，并广泛使用。与AT89C51，AT89C52芯片相比，它的强大之处在于具有灵活的8位CPU和在线编辑功能。因此，本系统采用它作为微控之处理器 [7] 。
2.1.3. 输出显示设备的选择
目前热门的输出显示设备有数码管和LCD液晶显示屏两种。数码管已经逐渐被淘汰，被LED显示屏所取代。与数码管相比，LED液晶显示屏如同画板一样，用户可以根据软件的编程来控制显示内容，而不需要改变硬件电路。外观上LED液晶显示屏体积较小，且功耗也很小，所以更受使用者的追捧，因此，使用LED液晶显示屏作为输出的显示设备 [8] 。
2.2. 软件选择
2.2.1. APP框架的选择
目前比较流行的移动APP开发框架有以下六种 [9] ：网页、混合、渐进、原生、桥接、自绘。前三种体验与Web的体验相似，后三种与原生APP的体验相似。这六种框架形式，都有自己适用的范围。其中：(1) 网页应用：适用于传统网站APP化。(2) 混合应用：适用于小成本应用开发。(3) 渐进应用：适用于高机会成本的场合。(4) 原生应用：适用于大型和高体验要求的应用。(5) 桥接应用：适用于高速迭代的创意类应用。(6) 自绘应用：适用于游戏和有特殊效果的应用。因此，对于移动APP开发框架的选择无所谓好坏之分，重要的是适用。本系统选用原生应用框架。
2.2.2. 服务器的选择
现如今服务器有很多种，常见的服务器有：java方式开发的服务器，PHP开发的服务器，.net开发的服务器等等 [10] 。
Java开发的服务器 [11] ：首先java的特性是封装性，正是因为这种封装性，如今网站提供了很多封装的jar包，方便开发人员的使用，人员在开发的过程中可以调用jar内部的方法，从时间服务器接收APP的数据以及从数据库中读取数据。Java的SpringMVC模式是当前主流开发模式，配合mybitis连接数据库非常简便。
PHP开发的服务器 [12] ：PHP属于弱性开发语言，开发模式单一，需要自己写方法，调式bug不便捷。服务器的稳定性较java的差一些。PHP的官方资料较少，对于新人开发难度较大，没办法独立完成服务器的开发。需要专业人员的指点才可以完成。
.net开发的服务器：.net配合APP的方式较为麻烦，APP传输数据时，.net接收的方式需要自己调配。而java只需要引入jar包就可以解决，这造成了开发的不便利性。同时.net只能调用ibits的，链接数据库方式比java链接数据库的方式较弱一些，.net的开发方式是面向过程的，而java是面向对对象的，因此java的开发方式较为简单。
综上所述，使用java的方式开发服务器，可以简单而快捷地完成服务器的搭建，并配合APP的数据传输和数据库的数据联调。
3. 温度监控系统硬件设计
温度的测量由以下三步完成：
1) 信号采集：温度传感器模块对外界温度进行实时采集并发送到只读存储器中保存下来。
2) 信号分析：单片机会对采集到的温度进行初步分析。假如超过最高温度便会产生一个报警信号。
3) 信号处理：由LED液晶显示屏对采集到的温度进行实时的展示，假如接收到报警信号，蜂鸣器便会长鸣并在LED显示屏显示一个报警图标。
3.1. 信号采集
温度传感器DS18B20 [13] 主要由64位光刻ROM、温度传感器、温度报警器和配置寄存器四部分组成。GND管脚代表电源地；DQ管脚代表数字信号输入/输出端；VDD管脚代表外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。如图1：
图1. DS18B20内部结构
3.2. 信号分析
DS18B20根据低温度和高温度的振荡频率受温度影响的不同，分别产生对应的脉冲信号发送给计数器1和计数器2。接着计数器1进行减法计数，当其减到零时，温度寄存器对应的值将加一。然后计数器重新执行之前操作，当计数器2计数到零停止温度寄存器的累加，此时的温度即为所测的外部温度。如计数时计数器1和温度寄存器会对应−55℃有一个基数值，如图2。STC89C52系列单片机内部具有12时钟/机器周期和6时钟/机器周期二者可自由切换，为了满足不同情况下的控制要求，STC89C52系列单片机内部有两个定时/计数器中断，两个外部中断和一个串行中断。单片机最小系统包括晶体振荡电路、复位电路等等。单片机短小，但是处理数据速度精准快速。其电路图如图3所示。
图2. DS18B20原理图
图3. 单片机最小系统
3.3. 信号处理
LED液晶显示屏作为显示设备，其主要作用是将硬件接收到信息通过显 示屏展示出来，使用者可以实时了解系统的运行状态，并进行实时分析和记录，以便日后出现问题时进行查阅。1602采用标准的16脚接口，如图4。
1602采用标准的16脚接口 [14] ，其中：
第1脚：VSS为电源地。
第2脚：VDD接5 V电源正极。
第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接地电源时对比度最高，接正电源时对比度最弱。
第4脚：RS为寄存器选择，高电平1代表选择数据寄存器、低电平0代表选择指令寄存器。
第5脚：RW为读写信号线，高电平时代表进行读操作，低电平时代表进行写操作。
第6脚：E端为使能端。
第7~14脚：D0~D7为8位双向数据端。
第15~16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。
图4. LED显示模块
报警模块：APP的页面可以设置最高温度，可根据实际工作环境设定。当APP接收到温度超过报警值的信息时，页面会显示红色圆圈，并根据不同的温度值显示不同的颜色。同时，会有“叮叮”的报警声音，提示温度已经到了最高值。在51单片机的液晶显示屏中还有一个小喇叭的提示信息，方便工作人员的观察。当出现报警时，需要人员及时对温度问题进行处理。
4. 温度监控系统APP设计
4.1. 开发工具介绍
(1) Android Studio：Android的开发环境，基于IntelliJ IDEA，因其拥有可拖拽的UI编辑器和大量的代码模板等优点而受到许多Android开发者的一致好评。(2) Android SDK：Android Software Development Kit的一种简称，用于在Android平台上开发移动应用程序的开发工具。其中包含多种工具包。(3) Eclipse：是一个框架平台，许多软件开发人员开发自己的IDE都是使用Eclipse作为框架来开发的。 [15]
4.2. 服务器设计步骤
(1) 首先创建一个web的项目，命名为Android。
(2) 引入Spring、SpringMVC、mybitis的jar。目的为了接收APP发送的请求。
(3) 通过controler层进行接收APP传来请求命令，其主要方法
@RequestMapping("/selectMaxTemp")
public void selectMaxTemp(HttpServletResponse res)
{
MaxTemp selectMaxTemp = maxTempService.selectMaxTemp();
String list = JSON.toJSONString(selectMaxTemp);
try {
res.getWriter().print(new String(list.getBytes(),"iso-8859-1"));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
@RequestMapping("/insertMaxTemp")
public void insertMaxTemp(String wd,HttpServletResponse res){
int i = maxTempService.insertMaxTemp(wd);
try {
res.getWriter().print(i);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
(4)通过Dao层进行与数据库的数据传输，其主要方法是
5. 系统测试
为了确保稳定使用，需要测试当温度变化时，APP软件是否会预警，温度的颜色圈是否会有变化，APP接收的温度超过最大值的时候会不会有提示响声。系统测试流程如图5。系统测试过程：1) USB一端连接到温度传感器上，另一端链接到自己的电脑USB串口中，然后打开温度传感器的开关按钮。实物图如图6所示。
图5. 系统运行流程
图6. 硬件实物图
2) 打开串口连接，选择正确波特率，由于9600的波特率最为稳定，所以硬件使用的波特率为9600，接着要找到对应的串口。只有搜索到硬件对应的串口并选择正确波特率时才可接收到数据。串口助手界面如图7所示。
图7. 串口助手界面
(3) 打开服务器，可以在后台看到硬件传输过来的温度值。此现象代表硬件已经成功把数据传输到了电脑。控制台输出数据如图8所示。
图8. 控制台输出数据
(4) 温度监控界面如图9所示。在该界面中，用户可以设置最高温度。当接收到阿温度超过最高温度时，APP会产生报警，当前温度的红色圆圈会标红并响起警报。当温度降低到最高温度以下时，警报消失，圆圈恢复默认颜色，如图10所示。在当前温度界面中，用户可以点击查看硬件传输过来的实时数据。
图9. 温度不超过最高温度
图10. 温度超过最高温度
6. 结论
本论文主要讨论采用STC89C52单片机为硬件的工作核心，搭配DS18B20温度传感器对坭兴陶窑炉温度进行实时采集和监控的控制。该系统通过手机APP实现了温度的远程监控、超温报警和历史温度分析等功能。用户可以实时地采集到每一秒钟的温度，传感器的传输速度稳定且非常快。在APP中设定一个最高温度值，当温度超过该值时，APP的温度圆圈会变红并发出“叮叮”声音提示。服务器实时接收串口传输到数据库的信息，并将数据库记录的温度以折线图的形式传给APP。经过实验验证，该系统具有良好的监控测温能力，能够为用户提供及时、便利的窑炉温度查看。
基金项目
钦州市科技开发项目(20190853)。
坭兴陶窑炉温度实时监控系统设计
摘要：坭兴陶煅烧过程中，需要对温度进行实时监测。为了解决无人值守监测窑炉温度，本论文聚焦于采用STC89C52单片机为硬件的工作核心，搭配DS18B20温度传感器对温度进行实时采集，通过手机APP来模拟对坭兴陶窑炉温度实时地监控，并作出相应的历史数据折线图。当采集到的温度超过用户设定的最高温度时系统将产生一个警报信号，系统将产生长鸣来对用户进行提醒。本设计基本实现了利用传感器结合APP的坭兴陶窑炉监控系统，实现了温度的远程监控、超温报警、历史温度分析等功能，能够实现无人值守，实时监控窑炉温度。系统可以方便用户随时随地查看窑炉温度，具有及时性、便利性。
关键词：坭兴陶，窑炉温度监控，手机APP，传感器