基于單片機(jī)和DS18B20的溫度采集和分析系統(tǒng)

宋全,謝頌華,王超,苗新龍,童一帆

(武漢理工大學(xué) 理學(xué)院,湖北 武漢430070)

摘要介紹了一種溫度采集、分析系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)所測(cè)溫度采樣,存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)并進(jìn)行相關(guān)分析的功能。通過(guò)80C51單片機(jī)和DS18B20溫度傳感器,以PC端的SQL Server 2008作為數(shù)據(jù)庫(kù),Matlab作為分析工具,利用串口、ADO組件、MATALB引擎完成相關(guān)功能。經(jīng)測(cè)試,該系統(tǒng)可完成從溫度采集到分析的一系列活動(dòng),可用于一般場(chǎng)合對(duì)溫度的采集、分析工作。

關(guān)鍵詞單片機(jī);溫度傳感器;溫度采集;溫度分析

收稿日期:2015-03-06

基金項(xiàng)目:武漢理工大學(xué)自主創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(146814007)

作者簡(jiǎn)介:宋全(1993—),男,本科。研究方向:應(yīng)用軟件程序設(shè)計(jì),單片機(jī)程序設(shè)計(jì)。E-mail:121941710@qq.com。謝頌華(1977—),女,博士,副教授。研究方向:圖像處理,模式識(shí)別。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.027

中圖分類號(hào)TP212.11

A Temperature Collection and Analysis System Based on the MCU and DS18B20

SONG Quan,XIE Songhua,WANG Chao,MIAO Xinlong,TONG Yifan

(School of Science,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

AbstractA system for both temperature collection and analysis is designed.The functions of sampling of the measured temperature,storage and analysis are achieved.Based on the 80C51,DS18B20 with SQL Server 2008 as the database and Matlab as the analysis tool,the system uses the serial port,ADO component,MATALB engine to complete relevant functions.According to the testing,the system is capable of a series of tasks from temperature collection to analysis,suitable for temperature sampling and analysis.

Keywordssingle chip microcomputer;temperature sensor;temperature collection;temperature analysis

傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)大多以熱敏電阻為溫度傳感器,但熱敏電阻的可靠性較差、測(cè)量溫度準(zhǔn)確率低,且還必須經(jīng)專門的接口電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后才能由單片機(jī)進(jìn)行處理[1]。不僅如此,大部分溫度系統(tǒng)都缺少對(duì)溫度的采樣存儲(chǔ),無(wú)法對(duì)溫度進(jìn)一步分析。本文介紹了一套以個(gè)人電腦及80C51單片機(jī)為核心,使用DS18B20溫度傳感器進(jìn)行溫度采樣,數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行溫度存儲(chǔ),Matlab進(jìn)行溫度分析的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)其所處環(huán)境的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,同時(shí)進(jìn)行溫度的采樣、存儲(chǔ)和分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)特定環(huán)境下溫度的了解。

1系統(tǒng)總體組成

系統(tǒng)硬件部分主要用于溫度的測(cè)量和存儲(chǔ)。PC端則用于測(cè)溫事件的建立與存儲(chǔ)、測(cè)量參數(shù)的設(shè)置、溫度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及溫度數(shù)據(jù)的分析。整體而言,系統(tǒng)核心部分分為溫度監(jiān)測(cè)模塊、溫度存儲(chǔ)模塊和溫度分析模塊3部分。

溫度監(jiān)測(cè)模塊用于溫度的監(jiān)測(cè)及采樣,首先利用PC端程序進(jìn)行測(cè)溫事件的建立及采樣開(kāi)始時(shí)間(時(shí)分秒)、采樣結(jié)束時(shí)間(時(shí)分秒)、采樣間隔(秒)和傳輸方式8個(gè)采樣相關(guān)參數(shù)的設(shè)置,傳輸方式包括直接傳輸和間接傳輸,對(duì)應(yīng)溫度的永久存儲(chǔ)和臨時(shí)存儲(chǔ),相關(guān)參數(shù)通過(guò)串口傳給單片機(jī)。然后利用80C51單片機(jī)和DS18B20溫度傳感器來(lái)獲取當(dāng)前溫度,并按要求對(duì)溫度進(jìn)行采樣,同時(shí)利用其他器件將溫度及當(dāng)前時(shí)間顯示到LED屏上。

溫度存儲(chǔ)模塊分為臨時(shí)存儲(chǔ)模塊和永久存儲(chǔ)模塊,臨時(shí)存儲(chǔ)模塊用于將所測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)I2C總線臨時(shí)存儲(chǔ)于AT24C02芯片中,永久存儲(chǔ)模塊則將AT24C02芯片中的數(shù)據(jù)或當(dāng)前測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)串行口傳給PC端,然后PC端程序?qū)⑵浯鎯?chǔ)于SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中。

溫度分析模塊利用Matlab對(duì)所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過(guò)將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表,然后調(diào)用Matlab的m文件讀取Excel表中的數(shù)據(jù),并對(duì)其分析,完成數(shù)據(jù)處理。

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件原理如圖2所示,硬件電路圖如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)STC89C52RC單片機(jī)進(jìn)行控制,8051系列單片機(jī)為1980年Intel公司推出的MCS-51系列8為高檔單片機(jī)微機(jī)[2],而該型號(hào)單片機(jī)為8051內(nèi)核芯片,內(nèi)含F(xiàn)lash E2PROM存儲(chǔ)器,內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間的大小為4 kB,內(nèi)部RAM為512 Byte[3],價(jià)格較低,能較好地滿足系統(tǒng)要求。DS18B20溫度傳感器通過(guò)單總線與單片機(jī)P1.7連接,單總線數(shù)字溫度傳感器將地址線、數(shù)據(jù)線、控制線合為1根信號(hào)線[4],硬件開(kāi)銷小,為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性,將DS18B20的VCC端與外部電源相連。1602液晶為5 V電壓驅(qū)動(dòng),可顯示兩行,每行16個(gè)字符,內(nèi)置含128個(gè)字符的ASCII字符集字庫(kù),可滿足系統(tǒng)信息輸出的要求,1602占用單片機(jī)的P0及P2.3、P2.4、P2.5。AT24C02為E2PROM存儲(chǔ)器,使用了快速、高效、精準(zhǔn)的I2C接口設(shè)計(jì)技術(shù)[5]與單片機(jī)進(jìn)行通信,時(shí)鐘線與單片機(jī)P2.0相連,信號(hào)線與P2.1相連。DS1302為時(shí)間芯片,能自動(dòng)產(chǎn)生年、月、日、時(shí)、分、秒等時(shí)間信息,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫度與測(cè)量時(shí)間的對(duì)應(yīng)傳輸,并方便系統(tǒng)控制。MAX232為RS232/TTL電平轉(zhuǎn)換[6]芯片,實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與PC端上位機(jī)的串口通信,其與單片機(jī)的RXD(P3.0)和TXD(P3.1)相連。

圖2　硬件原理圖

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1　單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

圖3為程序的程序總體設(shè)計(jì)圖,application為整個(gè)單片機(jī)程序的全局變量,用以區(qū)分系統(tǒng)核心部分和應(yīng)用部分,當(dāng)按下與P3.2相連的按鍵時(shí),觸發(fā)外部中斷0,application自加1。

系統(tǒng)核心部分又分為空閑模式和工作模式。系統(tǒng)處于空閑模式時(shí),讀取DS1302的時(shí)間信息和DS18B20的溫度信息,在液晶顯示屏上顯示當(dāng)前的日期、時(shí)間和溫度,同時(shí)利用按鍵可校準(zhǔn)日期和時(shí)間;處于工作模式時(shí),硬件電路與PC端配合工作,完成溫度的采樣、存儲(chǔ)和傳輸。

應(yīng)用部分,單片機(jī)通過(guò)串口獲得溫度閾值和函數(shù)式,利用下文將敘述的公式完成相應(yīng)功能。另外,單片機(jī)進(jìn)行溫度采樣的時(shí)間由定時(shí)器0進(jìn)行精確控制。定時(shí)器1用于波特率的產(chǎn)生。當(dāng)PC端傳遞數(shù)據(jù)給單片機(jī)時(shí),將導(dǎo)致串口中斷,參數(shù)數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)的SBUF寄存器,然后再將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于char型二維數(shù)組Parameter[8][3]中,因?yàn)樗鑲鬏數(shù)膮?shù)數(shù)據(jù)共有8個(gè),且每個(gè)參數(shù)的位數(shù)均為2位,故包括‘