溫宗周，劉 偉

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048）

進(jìn)入21世紀(jì)，人們對(duì)科學(xué)生產(chǎn)、自動(dòng)化服務(wù)有了更深的認(rèn)識(shí)，溫度監(jiān)測(cè)更是在很多領(lǐng)域備受關(guān)注。傳統(tǒng)的實(shí)地?cái)?shù)據(jù)測(cè)量局限于測(cè)量方法單一測(cè)量數(shù)據(jù)不連續(xù),并且時(shí)效性差，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，在線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)越來越多的運(yùn)用于我們的日常生活中，對(duì)提升生產(chǎn)生活水平具有重要意義[1]。

近年來隨著工業(yè)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，智能化生產(chǎn)已經(jīng)是一種生產(chǎn)趨勢(shì)，高速發(fā)展的嵌入式技術(shù)是其中主要的推動(dòng)力。針對(duì)目前集群現(xiàn)場(chǎng)溫度采集，提出使用單片機(jī)自動(dòng)采集和上報(bào)溫度數(shù)據(jù)，省去人工采集環(huán)節(jié)，而且保證了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和完整性。而MSP430單片機(jī)由于具有超低功耗，低成本，處理能力強(qiáng)，運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，成為了工業(yè)數(shù)據(jù)采集的一個(gè)很好的選擇。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由1臺(tái)計(jì)算機(jī)，1片MSP430F149單片機(jī)作為主控芯片，若干DS18B20采集溫度組成，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的DS18B20由單片機(jī)逐個(gè)發(fā)送相應(yīng)指令負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)，然后通過RS232串口通訊發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)負(fù)責(zé)接收和顯示采集到的溫度信息，并將采集到的溫度按時(shí)間先后繪成對(duì)應(yīng)的折線圖，此外，可以通過上位機(jī)隨時(shí)發(fā)送召測(cè)指令獲取當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度傳感器

溫度傳感器與單片機(jī)連接硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示[2]。

圖2 DS18B20與單片機(jī)連接方式Fig.2 DS18B20 and MCU-driven connection

溫度傳感器模塊采用DS18B20，工作電壓范圍是3.0～5.5 V,在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電，它的測(cè)量溫度范圍為－55～+125℃，支持"一線總線"接口，每個(gè) DS18B20的光刻ROM中出廠前就被光刻64位序列號(hào)，可以看作是它的地址序列碼。光刻ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。

2.2 主控芯片選擇

主控芯片采用美國德州儀器公司的16位單片機(jī)MSP430F149，其工作電壓為 1.8V～3.6V;CPU運(yùn)行正交的精簡指令集;MSP430F149具有5種低功耗模式;它還具有豐富的片上外圍模塊,其16位定時(shí)器 Timer A具有4種工作模式,可同時(shí)進(jìn)行多個(gè)捕獲/比較功能;2個(gè)串行通信接口USART0與USART1;FLASH存儲(chǔ)器多達(dá)60 KB,擦寫次數(shù)可達(dá) 10萬次[3]。

2.3 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊設(shè)計(jì)，主要采用輸出電壓固定的低壓差三端穩(wěn)壓器 LM2940將輸入 8～12 V電壓穩(wěn)壓至 5 V輸出，由MSP430F149芯片的工作電壓決定需要再進(jìn)行一次穩(wěn)壓，這里選用AMS1117的固定輸出3.3 V版，再將5 V電壓穩(wěn)壓至3.3 V給主控芯片供電。具體穩(wěn)壓電路如圖3、圖4所示。

圖3 LM2940穩(wěn)壓電路Fig.3 LM2940 voltage stabilizing circuit

圖4 AMS1117－3.3V穩(wěn)壓電路Fig.4 AMS1117－3.3V voltage stabilizing circuit

2.4 通訊接口設(shè)計(jì)

RS232接口采用美國EIA(電子工業(yè)聯(lián)合會(huì))與BELL等公司一起開發(fā)并于1969年公布的通信協(xié)議。該總線廣泛使用在微機(jī)數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE和數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE之間。微機(jī)配備RS232接口不僅可以與多種儀器和外設(shè)連接，而且通過它還可以在兩臺(tái)微機(jī)之間進(jìn)行近程和遠(yuǎn)程的通信。RS232采用的是負(fù)邏輯，所要求的電平不是TTL電平，但系統(tǒng)的其它數(shù)字硬件都采用TTL電平，因此，兩者通信時(shí)，必須有相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換電路。本系統(tǒng)采用MAX232接口芯片，它可以滿足TTL向RS232和RS232向TTL電平轉(zhuǎn)換的功能[4]。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 DS18B20軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是多個(gè)DS18B20并聯(lián)監(jiān)測(cè)各點(diǎn)溫度，所以每次采集溫度之前需發(fā)送讀取ROM指令讀取對(duì)應(yīng)DS18B20的序列號(hào)，確定采集點(diǎn)，然后發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令，等待溫度轉(zhuǎn)換完畢后，讀取所測(cè)定的溫度。具體程序流程如圖5所示。

圖5 DS18B20工作軟件流程Fig.5 DS18B20’s software work flow

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)系統(tǒng)需要定時(shí)將采集到的溫度數(shù)據(jù)上報(bào)給上位機(jī)，本系統(tǒng)采用MSP430F149的16位定時(shí)器 Timer B的增計(jì)數(shù)模式，當(dāng)計(jì)數(shù)到跟TBCCR0一樣的時(shí)候，就返回0，重新計(jì)數(shù)，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷標(biāo)志，觸發(fā)對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)中斷程序，將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)；同時(shí)為了能隨時(shí)召測(cè)到實(shí)時(shí)溫度，若上位機(jī)向單片機(jī)發(fā)送指令，則觸發(fā)串口中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，讀取對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)溫度并發(fā)送給上位機(jī)，或者將對(duì)應(yīng)數(shù)值賦值給定時(shí)變量，若沒有檢測(cè)到串口中斷則進(jìn)入低功耗模式[5]。具體程序流程如圖6、圖7所示。

圖6 檢測(cè)終端軟件流程Fig.6 Monitoring terminal software process

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)上位機(jī)軟件是使用Microsoft公司的Visual Basic6.0編寫，主要使用MSComm控件實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和下位機(jī)進(jìn)行通信，將下位機(jī)測(cè)得的溫度上傳到PC機(jī)中，同時(shí)也通過上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送召測(cè)指令（本系統(tǒng)設(shè)計(jì)指令為255。），獲取實(shí)時(shí)溫度；然后使用MSChart控件將上報(bào)的溫度數(shù)據(jù)依時(shí)間先后繪成折線圖，最后，用到timer控件，記錄溫度上報(bào)時(shí)間[6－7]。

圖7 串口中斷程序流程Fig.7 Serial port interrupt program

4 系統(tǒng)測(cè)試

首先打開上位機(jī)軟件，點(diǎn)擊“打開串口”按鈕打開通訊端口，接著給下位機(jī)上電，然后設(shè)置召測(cè)時(shí)間間隔，本系統(tǒng)測(cè)試[8]時(shí)間設(shè)置為30分鐘，伴隨實(shí)時(shí)發(fā)送召測(cè)指令獲取當(dāng)前溫度量，測(cè)試結(jié)果如圖8所示，對(duì)應(yīng)溫度計(jì)測(cè)量結(jié)果如表1所示。

圖8 系統(tǒng)測(cè)試界面Fig.8 Interface chart of the test system

表1 上報(bào)溫度和實(shí)測(cè)溫度對(duì)照表Tab.1 Reports temperature and actual temperature control table

5 結(jié)論

結(jié)合溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)集群分布的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，利用MSP430F149主控采集各點(diǎn)溫度量，利用RS232通訊將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，最后通過上位機(jī)觀察監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)際溫度計(jì)測(cè)量結(jié)果基本一致，實(shí)現(xiàn)了對(duì)集群現(xiàn)場(chǎng)溫度量的自動(dòng)召測(cè)，結(jié)果達(dá)到了預(yù)期要求。

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