基于單片機的溫度采集系統設計

摘要：本系統是以89C51單片機為控制核心技術(shù)的溫度采集控制系統，介紹了與DS18B20溫度傳感器組成溫度采集系統的設計方案。本溫度采集系統的下位機采用89C51單片機為主控制器，利用DS18B20溫度傳感器進(jìn)行囟炔飭浚采用數碼管進(jìn)行顯示，并通過(guò)串口將采集的數據傳送到上位機(PC機)，通過(guò)上位機對溫度進(jìn)行集中監視和管理，解決了溫度測量通常比較繁瑣的問(wèn)題，此測溫系統實(shí)現了對溫度數據的遠程采集、處理、實(shí)時(shí)顯示以及對囟缺ū淼墓芾懟

隨著(zhù)時(shí)代的進(jìn)步和發(fā)展，單片機已經(jīng)普及到我們生活、工作、科研各個(gè)領(lǐng)域，而且溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數之一，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)域具有廣泛的應用，設計一種基于89C51單片機的溫度測量系統的硬件結構具有價(jià)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(diǎn)。在以單片機為基礎的數據采集和實(shí)時(shí)溫度控制系統中，通過(guò)計算機中的MAX-232接口進(jìn)行計算機與單片機之間的命令和數據傳送，就可以利用計算機對生產(chǎn)現場(chǎng)進(jìn)行檢測和控制。

1 系統的總體方案設計

本設計包括硬件和軟件兩個(gè)部分。系統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、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數據處理與顯示部分。系統的總體結構框圖如圖1所示。

2 系統的硬件方案設計

硬件電路作為整個(gè)系統運行的必要框架，是軟件運行的結構基礎，離開(kāi)了硬件結構，整個(gè)系統需要實(shí)現的功能就無(wú)從談起。此部分介紹了系統的整體硬件模塊。經(jīng)過(guò)任務(wù)分析。具體的硬件方案設計如下：本設計是以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(jìn)型和增強型單總線(xiàn)智能數字溫度傳感器。它在測溫精度、轉換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進(jìn)，與傳統的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現9～12位的數字值讀數方式。其具有適應電壓范圍更寬，獨特的單線(xiàn)接口方式，支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，不需要任何外圍元件，溫度分辨力可編程，內部有溫度上、下限警告設置優(yōu)點(diǎn)。

2.2 單片機最小系統設計

由單片機以及時(shí)鐘電路和復位電路構成了單片機的最小系統。

1)單片機

本設計使用的是美國ATMEL公司的89C51單片機，該型號單片機功能強大，價(jià)格低廉，可以靈活應用于各種控制領(lǐng)域。89C51是一種帶4 k字節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(chēng)單片機。89C51單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。單片機系統是本溫度測控系統的核心部件，包括時(shí)鐘電路和復位電路的設計。

2)時(shí)鐘電路和復位電路

單片機內部的振蕩電路是一個(gè)高增益反相放大器，XTAL1腳和XTAL2腳分別構成內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構成并聯(lián)諧振電路。在本硬件系統設計中，為保證串行通信波特率的誤差，選擇了11.059 2 MHz的標準石英晶振，電容C1、C2為30pF。

單片機的復位是靠外部電路實(shí)現的。單片機工作后，只要在它的RST引線(xiàn)上加載10 ms以上的高電子，單片機就能夠有效地復位。復位后，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 電平轉換和串口通信電路的設計

1)電平轉換

單片機的PC機與單片機之間的通信需通過(guò)RS232串口來(lái)實(shí)現，因為232電平與單片機輸出的TTL電平不兼容，本次系統通過(guò)MAX232芯片實(shí)現TTL電平與RS232電平的轉換。MAX232芯片是包含兩路接收器和驅動(dòng)器的RS232電平轉換芯片，適用于各種232通信接口。芯片內部有一個(gè)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備之間進(jìn)行信息交換的一種方式，是指數據一位一位的按順序在一根信號線(xiàn)上進(jìn)行傳輸的通信方式。串行通信有兩種基本工作方式：異步傳送和同步傳送，本系統中采用異步串行通信方式來(lái)實(shí)現單片機與PC之間的通信。89C51有一個(gè)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(jìn)行串口通訊。進(jìn)行串行通訊時(shí)要滿(mǎn)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(gè)電平轉換電路，我們采用了專(zhuān)用芯片MAX232進(jìn)行轉換。

綜上所述，可以得到系統的硬件電路圖及仿真圖如圖2所示。

3 系統的軟件方案設計

整個(gè)系統的功能是由硬件電路配合軟件來(lái)實(shí)現的，當硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來(lái)了。下位機通過(guò)DS18B20傳感器的測量，將溫度采集，采集上來(lái)的溫度信息經(jīng)過(guò)MAX232電平轉換上傳給上位機，這些上傳到上位機的溫度信息的處理是該溫度采集系統上位機最重要的一部分，實(shí)現了溫度信息的查詢(xún)、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(diǎn)實(shí)時(shí)采集溫度，通過(guò)MAX232傳輸到上位機PC，利用在Visual Basic 6.0的通信控件MSCOMM屬性設置和事件響應的基礎上，實(shí)現與單片機串行通信。在上位機中，完成溫度傳感器ROM讀取并顯示、實(shí)時(shí)溫度數據顯示、數據存儲、曲線(xiàn)繪制、歷史數據查詢(xún)，其中在數據查詢(xún)功能中，設計了時(shí)間查詢(xún)、溫度查詢(xún)等功能。溫度采集系統中下位機將溫度轉換并將溫度值存儲到單片機的RAM里，實(shí)現溫度采集系統的上位機(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(jiǎn)化Windows下串行通信編程，它既可以用來(lái)提供簡(jiǎn)單的串口端口通信功能，也可以用來(lái)創(chuàng )建功能完備的、事件驅動(dòng)的高級通信工具。使用它可以建立與串行端口的連接，通過(guò)串行端口連接到其它通信設備(如調制解調器)，發(fā)出命令，交換數據，以及監視和響應串行連接中發(fā)生的事件和錯誤。MSCOMM控件通信的流程圖如圖3所示。編寫(xiě)程序時(shí)，只需要按照下面的流程圖，即可實(shí)現通信功能。

4 結論

研究了一種基于單片機技術(shù)的溫度采集系統的設計，本設計采用89C51單片機作為數據處理與控制單元，為了進(jìn)行數據處理，單片機控制數字溫度傳感器，把溫度信號通過(guò)單總線(xiàn)從數字溫度傳感器傳遞到單片機上。通過(guò)對本設計的思考，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。但是由于此系統依賴(lài)溫度傳感器，因而對溫度傳感器的穩定性，線(xiàn)性等諸多方面有著(zhù)嚴格的要求，但是傳感器的性能越好，相對而言其價(jià)格也就越高，因而在此設計中，溫度傳感器我個(gè)人覺(jué)的還是存在遺憾。隨著(zhù)人們生活水平的不斷提高，單片機控制無(wú)疑是人們追求的目標之一，它所給人帶來(lái)的方便也是不可否定的，要為現代人工作、科研、生活提供更好的更方便的設施就需要從單片機技術(shù)入手，一切向著(zhù)數字化控制，智能化控制方向發(fā)展。