陳振宇 唐海波 劉 瓊

（湖南科技大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

0 引言

溫度是一項十分重要的環(huán)境參數(shù)，然而在許多場景內(nèi)，僅僅針對單點的溫度進行測量是遠遠不夠的。例如在智慧農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)、電力系統(tǒng)、智能家居等場景中，需要對多點的溫度進行測量，以實現(xiàn)對溫度的全面把控。為了滿足此要求，很多時候采用對各檢測點使用單獨的溫度檢測系統(tǒng)的方法，最后再將數(shù)據(jù)進行綜合處理。此方法盡管達到了多點測溫這一目的，但無疑導(dǎo)致了成本與復(fù)雜度的提高，得不償失。在當(dāng)前，可利用單片機功能強大、抗干擾能力強、運行速度快等優(yōu)勢，實現(xiàn)對多點溫度的監(jiān)測?；谝陨媳尘?，該文設(shè)計了一種以AT89C51 單片機為主控的八點溫度監(jiān)測系統(tǒng)，其集八點溫度檢測與顯示、數(shù)據(jù)上傳、聲光報警等功能于一體，達到了對環(huán)境中多點位溫度監(jiān)測的目的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)主體選用AT89C51 作為處理中心，單片機可通過一組I/O 口控制8 個DS18B20 溫度傳感器，并通過另外一組I/O 口將8 個溫度傳感器所測的溫度數(shù)據(jù)在LCD 液晶顯示器上依次展示出來，且所測溫度數(shù)據(jù)可由RS232 通信接口傳達至PC 端；與此同時，單片機將對8 個所測溫度值進行判定：當(dāng)任意一點的溫度值不在預(yù)先設(shè)定好的正常區(qū)間范圍內(nèi)時，外接的蜂鳴器將會發(fā)出聲音，紅色LED 燈將會亮起。其中，溫度區(qū)間范圍的上下限值可通過按鍵進行修改，操作過程中將伴有按鍵音提示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 中心處理模塊

該設(shè)計選用51 芯片系列中的AT89C51 單片機作為核心主控，采用5V 工作電壓；選擇手動復(fù)位方式，只需在RST引腳和工作電源之間安裝一個彈性小按鍵即可，當(dāng)按下按鍵時，就會賦給RST 引腳一個高電平，便能完成手動復(fù)位；時鐘電路主要負責(zé)產(chǎn)生單片機內(nèi)部的時鐘信號，可以確保主控制器井然有序地執(zhí)行各條指令。

2.2 八點溫度數(shù)據(jù)采集模塊

該系統(tǒng)中的溫度采集模塊的核心是八個DS18B20 溫度傳感器，不同于傳統(tǒng)的熱電偶、熱敏電阻等感溫元器件，它能直接讀出測量點的溫度值，集體積小、精度高、穩(wěn)定性強等優(yōu)點于一體，可充分滿足此系統(tǒng)中對溫度檢測的要求。其具有3 個引腳：GND、DQ（雙向數(shù)據(jù)傳輸通道）、VDD。VDD一般接5V電源，在與單片機的連接時需要在DQ數(shù)字信號線上掛一個4.7kΩ 的上拉電阻。該設(shè)計中將八個DS18B20溫度傳感器的DQ 引腳接在單片機的P1 系列端口上，每個端口單獨控制一個傳感器，即可完成對八個測量點的溫度數(shù)據(jù)的采集。

2.3 液晶顯示模塊

此模塊主要選擇字符型LCD1602 液晶顯示器顯示傳感器輸送過來的溫度數(shù)據(jù)以及溫度區(qū)間的上下限閾值?？蓪⑵銬0～D7 引腳與單片機的P0 系列引腳相連接，相連的八根數(shù)據(jù)傳輸線上需要掛接一個10 kΩ 的上拉排阻，才能正常驅(qū)動LCD1602 顯示器；再將三個控制端口分別對接至單片機的P2.0～P2.2 引腳，VDD 接入最佳工作電壓值5V，VSS 和VEE直接接地即可。

2.4 鍵盤模塊

該設(shè)計中的鍵盤由四個小按鍵構(gòu)成，單片機主要通過識別對應(yīng)端口的狀態(tài)來判斷各按鍵的按下情況，可以在單片機的P3.2～P3.5 引腳與GND 之間跨接四個彈性小按鍵。當(dāng)按下彈性小按鍵時，便可將低電平送至對應(yīng)的端口處。最后，當(dāng)有任一按鍵按下時，可將控制蜂鳴器的P2.5 引腳電平拉低100ms，即可實現(xiàn)按鍵音的效果。

2.5 串行通信模塊

該設(shè)計選擇穩(wěn)定性較強的RS232 通信接口來完成串行通信任務(wù)。單片機引腳中的P3.0 與P3.1 的第二功能就是負責(zé)單片機的串行口通信功能，利用此引腳以及RS232 模塊即可設(shè)計好接口電路。此外，RS232 接口與單片機串口的通信信號并不是完全一致的，需要使用MAX232 作為信號轉(zhuǎn)換中介，只有此芯片把RS232 電平與TTL 電平進行轉(zhuǎn)換以后，才能確保兩機之間通信順利。

2.6 聲光報警模塊

聲音報警模塊的實現(xiàn)需要在單片機的P2.5 引腳上利用蜂鳴器、PNP 型三極管、電阻設(shè)計好電路，若系統(tǒng)判定八個測量點的溫度值有任意一個不在事先設(shè)定好的閾值內(nèi)，則將P2.5 引腳的電平拉低，蜂鳴器將發(fā)出聲音。燈光報警部分可在P2.3 與P2.4 引腳上分別用紅色與綠色LED 燈與電阻串聯(lián)至電源，通過引腳電平高低來調(diào)控紅、綠燈光的亮滅。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 溫度檢測部分

該部分的核心器件是DS18B20 溫度傳感器。其對操作步驟要求十分嚴格，只有在其初始化完成以后，才能進行指令字的寫入與讀出。大致可按照下面的步驟進行：1）對DS18B20 進行初始化；2）復(fù)位成功后對其發(fā)送一條跳過讀序列號ROM 指令0xCC（本設(shè)計中是由單片機的八個端口各自控制一個DS18B20 傳感器，沒有采用一個端口控制八個傳感器的方式，所以不需要讀取傳感器的序列號）；3）再發(fā)送兩條RAM 指令（0x44 為啟動溫度轉(zhuǎn)換指令；0xBE 為讀取內(nèi)部RAM）；4）最后讀取內(nèi)部RAM 的前兩個字節(jié)，即為DS18B20 所測的溫度值的二進制補碼，后續(xù)只需簡單進行進制轉(zhuǎn)換即可。

同時，要想順利驅(qū)動DS18B20 完成各條指令，必須遵循時序圖中的要求，編排好各指令的時序。根據(jù)DS18B20溫度傳感器時序原理，可大致對時序進行如下安排：1）首先DS18B20 初始化時需將數(shù)據(jù)總線拉高480us，再等待傳感器應(yīng)答，如有低電平傳送過來，則代表傳感器初始化成功；2）DS18B20 寫命令字周期一般要求60us ≤T ≤120us，也就是對總線寫“0”或“1”須將總線拉低/高60us 以上，且每兩位之間需要有1us 的間隔時間；3）DS18B20 讀命令字周期也一般為60us 以上，且在讀操作開始前應(yīng)當(dāng)把總線先拉低1us，DS18B20 才開始將數(shù)據(jù)讀出。

3.2 液晶顯示部分

液晶顯示部分大致可按如下步驟進行：1）初始化LCD1602。依次寫入0x38 命令字、0x0C 命令字、0x06 命令字、0x01 命令字，便能設(shè)置好顯示器模式、光標性質(zhì)等基本要素；2）取得各點溫度數(shù)據(jù)。此處獲取的是溫度傳感器輸送過來的二進制溫度值；3）換算成十進制溫度數(shù)據(jù)；4）設(shè)置各點橫縱坐標。此步驟需要調(diào)用寫命令字函數(shù)，再輸入對應(yīng)位置的數(shù)據(jù)指針即可實現(xiàn)坐標點定位；5）顯示各點溫度數(shù)據(jù)。調(diào)用寫數(shù)據(jù)函數(shù)將八個溫度數(shù)據(jù)依次寫入即可。

3.3 鍵盤部分

鍵盤部分主要由四個獨立彈性按鍵配合LCD1602 與蜂鳴器進行可視化的人機交互，K1 按鍵負責(zé)對串口發(fā)送功能進行控制，K2～K4 按鍵主要負責(zé)調(diào)控溫度區(qū)間上下限值，按鍵模塊子函數(shù)主要根據(jù)各按鍵的按下情況和按下次數(shù)來進行判斷與操作。其中溫度區(qū)間設(shè)置程序邏輯大致如下：1）K2第一次按下，此時自定義標志字flag=0，不進行任何操作；2）K2 按下兩次，此時flag+1=1，系統(tǒng)選中溫度上限值。再判斷K3、K4 是否按下，若按下則溫度上限值加/減1；3）K2 按下三次，此時flag+1=2，系統(tǒng)選中溫度下限值。同理再判斷K3、K4 是否按下，若按下則溫度下限值加/減1；4）K2 按下四次，此時flag+1=3，再令flag=0，即可返回第一步。

3.4 串行通信部分

串行通信功能主要由單片機控制串行口和相關(guān)寄存器，再配合內(nèi)部定時器及中斷來完成。此部分主要由兩個功能函數(shù)構(gòu)成：①串口初始化函數(shù)。T1 定時器的工作方式選擇方式2（命令字為0x20），波特率設(shè)置為9600bps（令TH1/TL1=0xfd），啟動T1 定時器（令TR1=1），串行口工作方式選擇方式1（命令字為0x50），控制相關(guān)中斷（令EA、ES=1）；②輸出數(shù)據(jù)子函數(shù)。將數(shù)據(jù)寫入SBUF 寄存器，全部寫入后請求中斷TI 將會置零，表示傳輸已完成。

3.5 主程序部分

主程序可按以下步驟進行操作：1）完成各部件初始化；2）八點溫度傳感器輪尋讀取所有溫度數(shù)據(jù)；3）在LCD1602上顯示出八個測量點的溫度值以及溫度區(qū)間上下限值；4）掃描鍵盤模塊引腳電平，判斷是否有按鍵按下，若有則根據(jù)按鍵對應(yīng)的功能進行操作，實現(xiàn)人機互動；5）判斷各點溫度值是否在設(shè)定區(qū)間之內(nèi)，若不在則將進行聲光報警；6）重新輪尋各點的溫度值，跳轉(zhuǎn)至3）。

4 仿真分析

將該系統(tǒng)在Proteus 8 Professional 軟件中進行仿真模擬，仿真情況如圖1 所示。運行過程如下：首先LM016L 液晶顯示器開始亮起（Proteus 中無直接的LCD1602 液晶顯示器，可用LM016L 代替），LM016L 將顯示開機畫面；待系統(tǒng)的各元器件初始化完成以后，八個傳感器開始采集溫度數(shù)據(jù)，并按時序傳送至單片機內(nèi)，然后顯示器上依次展示出8 個點的溫度值與溫度區(qū)間的上下限值（此處U 代表溫度上限值，D代表溫度下限值，系統(tǒng)初始設(shè)置上限值為40℃，下限值為10℃）?？擅黠@看到當(dāng)前八點溫度值均在設(shè)定范圍以內(nèi)，故綠色LED 燈將會亮起。

此外，在Proteus 仿真過程中可以隨時修改DS18B20 組件上的溫度值，可以用于測試液晶顯示以及聲光報警功能。不妨將任一DS18B20 溫度傳感器的溫度值調(diào)高或者調(diào)低，使其不在設(shè)定好的溫度范圍內(nèi)，等待單片機再次掃描更新數(shù)據(jù)以后，系統(tǒng)判定有溫度不在設(shè)定范圍內(nèi)，于是可以明顯聽到蜂鳴器BUZZER 發(fā)出聲音，紅色LED 亮起；當(dāng)把溫度值重新調(diào)回至正常區(qū)間內(nèi)后，待系統(tǒng)再次掃描更新，聲光警報隨即停止，綠色LED 再次亮起。

四個彈性小按鍵BUTTON 組成了鍵盤模塊，K1 可以控制系統(tǒng)與上機位之間的信息傳遞，K2～K4 可以調(diào)節(jié)溫度區(qū)間上下限值，當(dāng)通過K2 選中區(qū)間的某一最值時，該值的個位數(shù)光標將會閃動，且在按下時伴隨有短暫的按鍵音，可對使用者進行提醒。再按下K3 或者K4，便能對選中值進行加1或者減1。

串口通信部分使用的是仿真軟件中的虛擬串口COMPIM組件，其包含RS232 接口與電平轉(zhuǎn)換功能，因此不需要另外添加MAX232 芯片。當(dāng)按下K1 發(fā)送按鈕時，系統(tǒng)將會把數(shù)據(jù)通過串口傳輸至上機位，在仿真中可通過串口調(diào)試助手或者Proteus 自帶的虛擬終端Virtual Terminal 進行數(shù)據(jù)觀察。如使用虛擬終端接收，則要在組件屬性中設(shè)置好波特率，然后在彈窗中觀察端口數(shù)據(jù)。通過監(jiān)視端口信息，可以看到八個點的溫度值依次發(fā)送到上機位終端中。經(jīng)過以上仿真分析，該系統(tǒng)完成了八個點位的溫度測量、顯示、上傳，以及不正常溫度的聲光報警，整體達到設(shè)計要求。

圖1 系統(tǒng)整體仿真電路圖

5 結(jié)語

該設(shè)計基于八路DS18B20 溫度傳感器，選用AT89C51單片機作為中心處理器，實現(xiàn)了8 個點位的溫度測量，八點溫度值可在LCD1602 液晶顯示器中依次顯示，并通過RS232接口傳至上機位PC 端；若溫度值不在設(shè)定范圍以內(nèi)，系統(tǒng)將進行報警提醒，其中溫度區(qū)間范圍可通過按鍵進行設(shè)置。該系統(tǒng)成本較低、線路簡明、穩(wěn)定性強，是一套十分實用與完整的多點溫度監(jiān)測方案。