基于單片機的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計

摘要：本系統(tǒng)是以89C51單片機為控制核心技術(shù)的溫度采集控制系統(tǒng)，介紹了與DS18B20溫度傳感器組成溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計方案。本溫度采集系統(tǒng)的下位機采用89C51單片機為主控制器，利用DS18B20溫度傳感器進行囟炔飭浚采用數(shù)碼管進行顯示，并通過串口將采集的數(shù)據(jù)傳送到上位機(PC機)，通過上位機對溫度進行集中監(jiān)視和管理，解決了溫度測量通常比較繁瑣的問題，此測溫系統(tǒng)實現(xiàn)了對溫度數(shù)據(jù)的遠程采集、處理、實時顯示以及對囟缺ū淼墓芾懟

隨著時代的進步和發(fā)展，單片機已經(jīng)普及到我們生活、工作、科研各個領(lǐng)域，而且溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中具有舉足輕重的作用。所以，溫度測控在工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，設(shè)計一種基于89C51單片機的溫度測量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)具有價格低廉、精度高、微型化、抗干擾能力強、易擴展等一系列優(yōu)點。在以單片機為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集和實時溫度控制系統(tǒng)中，通過計算機中的MAX-232接口進行計算機與單片機之間的命令和數(shù)據(jù)傳送，就可以利用計算機對生產(chǎn)現(xiàn)場進行檢測和控制。

1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

本設(shè)計包括硬件和軟件兩個部分。系統(tǒng)的硬件部分大致可分為六部分：DS18B20、電源電路、顯示電路、單片機最小系統(tǒng)、溫度測試電路、串口通信電路，軟件部分可分為兩大部分：串口通信部分、VB數(shù)據(jù)處理與顯示部分。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件方案設(shè)計

硬件電路作為整個系統(tǒng)運行的必要框架，是軟件運行的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，離開了硬件結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能就無從談起。此部分介紹了系統(tǒng)的整體硬件模塊。經(jīng)過任務(wù)分析。具體的硬件方案設(shè)計如下：本設(shè)計是以DS18B20為傳感器、89C51單片機為控制核心組成的接口電路圖。

2.1 溫度傳感器DS18B20

DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS公司繼DS1820之后推出的一種改進型和增強型單總線智能數(shù)字溫度傳感器。它在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。其具有適應(yīng)電壓范圍更寬，獨特的單線接口方式，支持多點組網(wǎng)功能，不需要任何外圍元件，溫度分辨力可編程，內(nèi)部有溫度上、下限警告設(shè)置優(yōu)點。

2.2 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計

由單片機以及時鐘電路和復(fù)位電路構(gòu)成了單片機的最小系統(tǒng)。

1)單片機

本設(shè)計使用的是美國ATMEL公司的89C51單片機，該型號單片機功能強大，價格低廉，可以靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。89C51是一種帶4 k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器(FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。單片機系統(tǒng)是本溫度測控系統(tǒng)的核心部件，包括時鐘電路和復(fù)位電路的設(shè)計。

2)時鐘電路和復(fù)位電路

單片機內(nèi)部的振蕩電路是一個高增益反相放大器，XTAL1腳和XTAL2腳分別構(gòu)成內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入端和輸出端，外接石英晶振或陶瓷晶振以及補償電容C1、C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。在本硬件系統(tǒng)設(shè)計中，為保證串行通信波特率的誤差，選擇了11.059 2 MHz的標(biāo)準(zhǔn)石英晶振，電容C1、C2為30pF。

單片機的復(fù)位是靠外部電路實現(xiàn)的。單片機工作后，只要在它的RST引線上加載10 ms以上的高電子，單片機就能夠有效地復(fù)位。復(fù)位后，P0到P3并行I/O口全為高電子，其它寄存器全部清零，只有SBUF寄存器狀態(tài)不確定。

2.3 電平轉(zhuǎn)換和串口通信電路的設(shè)計

1)電平轉(zhuǎn)換

單片機的PC機與單片機之間的通信需通過RS232串口來實現(xiàn)，因為232電平與單片機輸出的TTL電平不兼容，本次系統(tǒng)通過MAX232芯片實現(xiàn)TTL電平與RS232電平的轉(zhuǎn)換。MAX232芯片是包含兩路接收器和驅(qū)動器的RS232電平轉(zhuǎn)換芯片，適用于各種232通信接口。芯片內(nèi)部有一個電源電壓變換器，可以把輸入的+5 V電源電壓變換成RS232輸出電平所需的±10 V電壓。所以采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只需要單一的+5 V電源即可。

2)串口通信

串口通信是計算機與外圍設(shè)備之間進行信息交換的一種方式，是指數(shù)據(jù)一位一位的按順序在一根信號線上進行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。串行通信有兩種基本工作方式：異步傳送和同步傳送，本系統(tǒng)中采用異步串行通信方式來實現(xiàn)單片機與PC之間的通信。89C51有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和計算機之間可以方便地進行串口通訊。進行串行通訊時要滿足一定的條件，比如計算機的串口是RS232電平的，而單片機的串口是TTL電平的，兩者之間必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路，我們采用了專用芯片MAX232進行轉(zhuǎn)換。

綜上所述，可以得到系統(tǒng)的硬件電路圖及仿真圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)的軟件方案設(shè)計

整個系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實現(xiàn)的，當(dāng)硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來了。下位機通過DS18B20傳感器的測量，將溫度采集，采集上來的溫度信息經(jīng)過MAX232電平轉(zhuǎn)換上傳給上位機，這些上傳到上位機的溫度信息的處理是該溫度采集系統(tǒng)上位機最重要的一部分，實現(xiàn)了溫度信息的查詢、顯示、趨勢圖等功能。

3.1 VB與單片機通信的建立

由單片機的測試點實時采集溫度，通過MAX232傳輸?shù)缴衔粰CPC，利用在Visual Basic 6.0的通信控件MSCOMM屬性設(shè)置和事件響應(yīng)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)與單片機串行通信。在上位機中，完成溫度傳感器ROM讀取并顯示、實時溫度數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、曲線繪制、歷史數(shù)據(jù)查詢，其中在數(shù)據(jù)查詢功能中，設(shè)計了時間查詢、溫度查詢等功能。溫度采集系統(tǒng)中下位機將溫度轉(zhuǎn)換并將溫度值存儲到單片機的RAM里，實現(xiàn)溫度采集系統(tǒng)的上位機(PC機)向下位機(單片機)發(fā)送信息以及上位機接收下位機的溫度信息并加以處理。

MSCOMM控件的目的是為了簡化Windows下串行通信編程，它既可以用來提供簡單的串口端口通信功能，也可以用來創(chuàng)建功能完備的、事件驅(qū)動的高級通信工具。使用它可以建立與串行端口的連接，通過串行端口連接到其它通信設(shè)備(如調(diào)制解調(diào)器)，發(fā)出命令，交換數(shù)據(jù)，以及監(jiān)視和響應(yīng)串行連接中發(fā)生的事件和錯誤。MSCOMM控件通信的流程圖如圖3所示。編寫程序時，只需要按照下面的流程圖，即可實現(xiàn)通信功能。

4 結(jié)論

研究了一種基于單片機技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計，本設(shè)計采用89C51單片機作為數(shù)據(jù)處理與控制單元，為了進行數(shù)據(jù)處理，單片機控制數(shù)字溫度傳感器，把溫度信號通過單總線從數(shù)字溫度傳感器傳遞到單片機上。通過對本設(shè)計的思考，更加加深了對單片機的認識，熟練了單片機的編程，更對當(dāng)前的溫度傳感器有了更深刻的認識與了解。但是由于此系統(tǒng)依賴溫度傳感器，因而對溫度傳感器的穩(wěn)定性，線性等諸多方面有著嚴(yán)格的要求，但是傳感器的性能越好，相對而言其價格也就越高，因而在此設(shè)計中，溫度傳感器我個人覺的還是存在遺憾。隨著人們生活水平的不斷提高，單片機控制無疑是人們追求的目標(biāo)之一，它所給人帶來的方便也是不可否定的，要為現(xiàn)代人工作、科研、生活提供更好的更方便的設(shè)施就需要從單片機技術(shù)入手，一切向著數(shù)字化控制，智能化控制方向發(fā)展。