張樹尉，鄭雪梅

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 黃岡 438002)

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基于單片機(jī)控制的糧倉多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計

張樹尉，鄭雪梅

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 黃岡 438002)

摘要：本設(shè)計由3個模塊組成：主控制器、溫度采集電路及顯示電路。所設(shè)計的多路溫度采集系統(tǒng)，可實現(xiàn)多個糧倉的溫度監(jiān)視，測溫范圍為-20～70℃，精度誤差在0.1℃以內(nèi)，LED數(shù)碼管直讀顯示。

關(guān)鍵詞：數(shù)字溫度計;AT89S51;DS18B20;單總線

溫度的測量不僅廣泛用于我們的日常生活之中，而且在工業(yè)加工生產(chǎn)、科研研究中起著至關(guān)重要的作用。一般對于溫度的測量采用由熱電偶式傳感器組成的測量電路，這種電路具有設(shè)計復(fù)雜、測量靈敏度較低、性價比低的缺點(diǎn)。本文設(shè)計一種多路溫度采集系統(tǒng)，實現(xiàn)多個糧倉的溫度監(jiān)視，要求測溫范圍為-20～70℃，精度誤差在0.1℃以內(nèi)，LED數(shù)碼管直讀顯示。依據(jù)測量指標(biāo)的要求，采用DALLS公司的單總線數(shù)字式溫度傳感器DS1820作為溫度檢測傳感器，該傳感器測量范圍大，內(nèi)部集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最高分辨率高達(dá)12位。相對于熱電偶傳感器，該芯片采用單總線接口協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸，大大降低硬件設(shè)計的難易度，設(shè)計成本低廉，廣泛適用于測控領(lǐng)域。

1總體設(shè)計方案框圖

圖1　數(shù)字溫度計總體電路結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)設(shè)計的指標(biāo)和要求，多個糧倉的溫度測量系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：

1.1控制器單元電路。控制器采用AT89S51單片機(jī)，負(fù)責(zé)與傳感器DS18B20通信，存儲不同糧倉的溫度數(shù)據(jù)，同時將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示電路。

1.2傳感器測量電路。每個糧倉安放DS18B20傳感器，負(fù)責(zé)對溫度的測量。

1.3溫度顯示電路。采用4位共陽LED數(shù)碼管顯示，以動態(tài)掃描法實現(xiàn)溫度顯示，將單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)顯示在Led數(shù)碼管上。

數(shù)字溫度計總體電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2系統(tǒng)整體硬件電路

2.1主控制器

圖2　主控制器89S51

圖2為主控制器電路，由12M無源晶振組成的振蕩電路，開關(guān)S1與10uf電容組成的復(fù)位電路，用于重啟系統(tǒng)，保證系統(tǒng)正常的運(yùn)行。

XTAL1腳為片內(nèi)振蕩電路的輸入端，XTAL2腳為片內(nèi)振蕩電路的輸出端。89S51的時鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時鐘振蕩方式，但需在XTAL1和XTAL2腳外接石英晶體(頻率為1.2～12MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10～30pF，典型值為30pF；另外一種是外部時鐘方式，即將XTAL1接地，外部時鐘信號從XTAL2腳輸入，如圖3所示。 此次設(shè)計采用了內(nèi)部時鐘方式。[2]

圖3　89S51的時鐘振蕩方式

2.2溫度采集電路

圖4　DS18B20溫度采集

溫度采集如圖4，圖中的U3、U4、U5是用于探測溫度并將溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的傳感器DS18B20, DS18B20采用1-Wire總線(單總線)協(xié)議,它在一根數(shù)據(jù)線完成控制字的寫入和測量溫度數(shù)據(jù)的讀出，是一種半雙工的雙向傳輸模式，多個DS18B20傳感器通過地址碼來區(qū)分。由于單片機(jī)AT89S51硬件上并不支持單總線協(xié)議，通過AT89S51來控制和訪問DS18B20時，需要通過編程模擬單總線的協(xié)議時序來實現(xiàn)對DS18B20的訪問。

對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時序要求，每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是由主機(jī)啟動的寫時序開始，此時從設(shè)備都處在偵聽狀態(tài)，數(shù)據(jù)和命令的傳輸順序都是低位在先。在讀取DS18B20檢測到的溫度數(shù)據(jù)時，主機(jī)在發(fā)出寫命令后，再需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。

2.3顯示電路

圖5　顯示電路

顯示電路采用4位共陽LED數(shù)碼管，從P0口輸出段碼通過74HC244進(jìn)行緩存，再同時送入到四個數(shù)碼管的a～h端，列掃描用P2.0～P2.3口來實現(xiàn)，列驅(qū)動用9012三極管。

2.4穩(wěn)壓電路

圖6　穩(wěn)壓電路

連接器CON3通過復(fù)讀機(jī)電源接入+12V電壓，通過7805穩(wěn)壓器將+12V電壓轉(zhuǎn)換成+5V電壓，作為溫度計設(shè)計電路的電源VCC。

2.5通信接口電路

圖7　通信接口電路

89S51的P1口的第二功能(ISP功能)，為了能夠?qū)⒕幾g好的程序下載到單片機(jī)內(nèi)，由于本系統(tǒng)采用AT89S51，采用ISP技術(shù)，利用如表1中的P1口，來實現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)(PC機(jī))通信，實現(xiàn)程序的下載，P1是帶上拉電阻，兼有輸入和輸出功能的引腳。輸出時驅(qū)動電流可達(dá)10mA左右。

表1　單片機(jī)ISP功能引腳分配

此模塊做在另一塊板上，通過導(dǎo)線將圖中74LS373的MISO,MOSI,SCK分別接到89S51的MISO,MOSI,SCK端口上即可。

3系統(tǒng)軟件程序

由圖8、圖9可知，系統(tǒng)軟件設(shè)計組要由溫度顯示刷新模塊、溫度傳感器DS18B20的初始化、溫度數(shù)據(jù)的讀取、實際溫度的計算等組成。

3.1主程序

圖8為系統(tǒng)設(shè)計主程序,一開始完成對設(shè)備的初始化，接著開啟定時器記錄刷新時間，每隔一秒完成對數(shù)據(jù)的讀取與刷新，然后實現(xiàn)對溫度的顯示。

圖8　主程序流程圖

圖9　讀出溫度子程序流程圖

3.2讀出溫度子程序

讀出溫度子程序流程如圖9所示，在對DS18B20進(jìn)行復(fù)位后，AT89S51向所有DS18B20發(fā)匹配ROM命令(即區(qū)分安裝在各個位置的DS18B20的地址碼)，各個DS18B20收到此地址碼后立即進(jìn)行判斷是否在訪問自己，如果地址匹配，則該DS18B20發(fā)出應(yīng)答信號，AT89S51緊接著發(fā)出讀取命令，地址匹配的DS18B20收到此命令后便將采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC編碼(在溫度數(shù)據(jù)后附加8位的CRC校驗碼)并存放到一個9字節(jié)的RAM中，AT89S51讀取DS18B20中9字節(jié)RAM中的數(shù)據(jù)并進(jìn)行CRC校驗，CRC正確時改寫當(dāng)前的溫度值，校驗有錯時不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫。

3.3計算溫度子程序

計算溫度子程序流程圖如圖10所示，從DS18B20中RAM中讀取的是二進(jìn)制代碼代表的溫度值，我們?nèi)粘Ｉ钪械臏囟榷紴槭M(jìn)制顯示，結(jié)合DS18B20輸出的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的格式，通過溫度轉(zhuǎn)換子程序，實現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)據(jù)與十進(jìn)制攝氏溫度的轉(zhuǎn)換，這樣才能輸出我們要求的溫度格式。

3.4溫度顯示更新程序

溫度每時每刻都在發(fā)生著輕微的變化，為了能夠?qū)崟r顯示正確的溫度，就要定時刷新數(shù)據(jù)，如圖11所示，該程序?qū)崿F(xiàn)了對溫度數(shù)據(jù)的更新功能，對單片機(jī)存儲的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)行溫度的正負(fù)判斷，以及位數(shù)處理。

圖10　計算溫度子程序流程圖

圖11　顯示數(shù)據(jù)刷新子程序流程圖

3.5溫度數(shù)據(jù)的計算處理方法

DS18B20的轉(zhuǎn)換精度可在9～12位之間選擇，分辨率分別為0.5℃、 0.25 ℃、 0.125℃ 、0.0625℃，轉(zhuǎn)換精度越高所需的A/D時間也越長，9字節(jié)RAM中前兩個字節(jié)是轉(zhuǎn)換好的溫度，在對于12位轉(zhuǎn)換精度，除了最高的4位表示正負(fù)符號外，根據(jù)溫度傳感器低的12位二進(jìn)制數(shù)字，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)乘以12精度的靈敏度0.0625，所得到的十進(jìn)制數(shù)據(jù)則為單位為攝氏度的溫度值。

溫度顯示數(shù)據(jù)的小數(shù)位是由9字節(jié)RAM中低字節(jié)的低半字節(jié)組成的，由于12位轉(zhuǎn)換精度的分辨率是0.0625℃，介于0.1℃～0.01℃之間，由于是用半個字節(jié)(0～F)表小數(shù)部分，直接通過乘以0.0625轉(zhuǎn)換成的十進(jìn)制小數(shù)值需要占用4位小數(shù)，實際應(yīng)用中通常精確到0.1℃，用1位LED顯示小數(shù)，這就需要將15種二進(jìn)制碼對應(yīng)成10種十進(jìn)制數(shù)，表2列出了一種二進(jìn)制和十進(jìn)制的近似對應(yīng)關(guān)系表[2]。

表2　小數(shù)部分二進(jìn)制和十進(jìn)制的近似對應(yīng)關(guān)系表

4調(diào)試及性能分析

系統(tǒng)的調(diào)試包括硬件電路調(diào)試和軟件調(diào)試，由于硬件電路并不復(fù)雜，而且全部都是數(shù)字電路，只要焊接良好，沒有短路和斷路情況出現(xiàn)電路即可正常工作。由于采用了模塊化的設(shè)計方法，軟件調(diào)試可以先進(jìn)行各功能子程序的單獨(dú)調(diào)試通過，再逐步將各功能模塊往里添加進(jìn)來，每添加一個功能模塊調(diào)試成功后再添加一個功能模塊，直到所有功能模塊能同時正常工作。由于DS18B20跟AT89S51之間采用串行數(shù)據(jù)通信，在編程時嚴(yán)格按照DS18B20芯片手冊上的時序，來實現(xiàn)對芯片數(shù)據(jù)的采集，不然將得到的錯誤的數(shù)據(jù)。

性能測試是用精度為0.01℃溫度計和本溫度測試系統(tǒng)各自測量值的比較來完成的，通過實測對比，在-20～50℃的溫度范圍內(nèi)，二者的最大絕對誤差都在±0.05℃以內(nèi)，完全適合一般的應(yīng)用場合，可用三節(jié)干電池供電做成手持電子溫度計。

參考文獻(xiàn)：

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[4]李軍. 51系列單片機(jī)高級實例開發(fā)指南. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2004:10-50.

中圖分類號:TP368

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-1602(2016)08-0035-03

作者簡介：張樹尉(1995.09-)，男，湖北黃岡市人。

鄭雪梅(1995.11-)，女，湖北黃岡市人，黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院2014級物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)在校學(xué)生。