蔡玉輝，張 敏

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng) 110000）

1 引言

近年來(lái)，隨著降雨減少、高溫頻繁等氣候變化的影響，環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了各方面的重視[1]。因半導(dǎo)體技術(shù)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，環(huán)境溫度感知系統(tǒng)也變得更加智能化、便捷化、人性化，成為環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。環(huán)境溫度感知系統(tǒng)憑借靈活便捷、精度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于智能家居、工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防建設(shè)等諸多領(lǐng)域。本研究嘗試提出一種環(huán)境溫度感知系統(tǒng)的新設(shè)計(jì)，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度信息的全自動(dòng)實(shí)時(shí)采集、傳輸、處理，將重要的環(huán)境溫度信息與相關(guān)預(yù)測(cè)報(bào)告給用戶(hù)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

最早的8051系列單片機(jī)是由美國(guó)英特爾公司生產(chǎn)的MCS51單片機(jī)[2]。后來(lái)英特爾將MCS51核心技術(shù)授權(quán)給其他一些公司用于產(chǎn)品研發(fā)，比如由美國(guó)Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51系列單片機(jī)、中國(guó)宏晶科技公司生產(chǎn)的STC89C51系列單片機(jī)等。國(guó)內(nèi)外眾多8051單片機(jī)也都是以MCS51內(nèi)核為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)出來(lái)的。因此，為適應(yīng)不同的需求，內(nèi)核架構(gòu)及基本功能可能多少做出一些調(diào)整。MCS51指令集是通用的，其驅(qū)動(dòng)代碼幾乎是統(tǒng)一的。

STC89C51RD單片機(jī)中包含8位CPU作為中央處理單元、4 kB的FLASH作為程序存儲(chǔ)器、512字節(jié)RAM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，此外還有3路定時(shí)器、一個(gè)UART（通用異步收發(fā)器）、通用I/O等資源，具有基本數(shù)字信號(hào)處理與邏輯控制功能，可以滿(mǎn)足絕大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)需求。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用常見(jiàn)的軟硬件結(jié)合的方式，可實(shí)現(xiàn)MCU與外設(shè)間高效可靠的信息交換[3]。作為系統(tǒng)中的溫度傳感器，DS1820是單總線9位數(shù)字式溫度傳感器，測(cè)溫范圍可達(dá)-55℃～125℃。DS1820小巧精致，只有三個(gè)引腳：GND、DQ、VCC；僅需一根數(shù)據(jù)線就可以與MCU進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作，具有單點(diǎn)和多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。可以將DS1820溫度傳感器用于過(guò)程控制、家庭環(huán)境、工業(yè)設(shè)備、建筑設(shè)施的溫度檢測(cè)。同時(shí)，采用單總線結(jié)構(gòu)能夠大大節(jié)省MCU資源，使得系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔，MCU利用率更高[4]。

DS1820包含了64位激光ROM、感溫元件、溫度報(bào)警觸發(fā)器三大重要的組成部分[5]。

設(shè)計(jì)基于STC89C51RD單片機(jī)，所構(gòu)建的環(huán)境溫度感知系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)除了STC89C51RD作為微控制器，還包含看門(mén)狗電路（復(fù)位監(jiān)控電路）、ISP電路（在線串行編程電路）、按鍵輸入電路、報(bào)警指示燈電路、報(bào)警蜂鳴器電路、8路DS1820溫度傳感器、DC/DC電源電路以及上位機(jī)系統(tǒng)。

圖1 環(huán)境溫度感知系統(tǒng)整體架構(gòu)

3 硬件電路設(shè)計(jì)

選用宏晶科技增強(qiáng)型8051內(nèi)核STC89C51RD單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片，6/12時(shí)鐘模式可選，最高工作頻率可達(dá)80MHz[6]。作為系統(tǒng)主體的環(huán)境溫度感知電路如圖2所示。

圖2 環(huán)境溫度感知電路設(shè)計(jì)圖

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為目的，以硬件為基礎(chǔ)的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[7]。嵌入式系統(tǒng)最核心的是MCU，為消除板級(jí)雜散電感帶來(lái)的串?dāng)_，此處選用兩個(gè)30pF電容來(lái)配合12MHz的無(wú)源晶振，構(gòu)成晶振電路[8]，以確保單片機(jī)正常運(yùn)行。P2.0～P2.7口驅(qū)動(dòng)了8路DS1820溫度傳感器，每個(gè)IO口通過(guò)單總線與DS1820進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。此外還設(shè)計(jì)了按鍵電路，通過(guò)程序檢測(cè)按鍵輸入的高低電平或邊沿信號(hào)，以此可實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的外部控制[9]。P1口和P3口被用來(lái)驅(qū)動(dòng)LED和蜂鳴器，用來(lái)做溫度超調(diào)或突變時(shí)的報(bào)警。LED采用共陽(yáng)極接法，可用來(lái)避免單片機(jī)輸出電流過(guò)多造成的驅(qū)動(dòng)能力不足的問(wèn)題[10]。

STC89C51RD單片機(jī)有多個(gè)復(fù)位源，其一是上電自動(dòng)復(fù)位；其二是手動(dòng)復(fù)位，即給RST引腳一段時(shí)間高電平以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位。普通的手動(dòng)復(fù)位可以通過(guò)阻容和按鍵搭建而成，按鍵未按下時(shí)RST引腳為低電平，按鍵按下時(shí)電源接到電容負(fù)極，電容會(huì)放電，從而將RST引腳拉高。因此RST高電平時(shí)間由按鍵按下時(shí)間和電容大小決定。手動(dòng)復(fù)位很難保證單片機(jī)復(fù)位的穩(wěn)定性，容易造成復(fù)位時(shí)間不足進(jìn)而造成ISP功能不穩(wěn)定的狀況。對(duì)此，增設(shè)復(fù)位監(jiān)控電路（看門(mén)狗），通過(guò)手動(dòng)按鍵給看門(mén)狗MAX813L的/MR引腳低電平，看門(mén)狗會(huì)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的復(fù)位信號(hào)，對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生穩(wěn)定的復(fù)位操作。

要實(shí)現(xiàn)串口通信功能以及ISP功能，就需要USB轉(zhuǎn)TTL電平的串口芯片。在此基于南京沁恒公司的CH340G芯片來(lái)設(shè)計(jì)串口通信電路。CH340G需要12MHz的晶振來(lái)提供時(shí)鐘。當(dāng)電源為5V時(shí)，V3引腳需要對(duì)地接104電容。上述兩部分功能所對(duì)應(yīng)電路設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

圖3 復(fù)位監(jiān)控與串口電路設(shè)計(jì)圖

最終現(xiàn)實(shí)的基于STC89C51RD單片機(jī)的環(huán)境溫度感知電路的實(shí)物電路板如圖4所示。該電路板采用兩層布線方式，布局合理，布線緊湊。

圖4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)實(shí)物電路板

通過(guò)電源適配器將220V交流電轉(zhuǎn)換為9V直流電，該電壓經(jīng)過(guò)DC/DC變換器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?V，用以系統(tǒng)供電。右側(cè)排針接的是8路DS1820溫度傳感器，用于探測(cè)8處不同環(huán)境的溫度。該系統(tǒng)通過(guò)D口USB座與上位機(jī)進(jìn)行通信，同時(shí)該接口也被用于ISP下載。

FLASH不能對(duì)自己進(jìn)行讀寫(xiě)操作，它實(shí)現(xiàn)ISP模式的觸發(fā)條件是：將單片機(jī)PSEN引腳接地，給單片機(jī)一個(gè)復(fù)位操作；RXD口不斷地接收數(shù)據(jù)，并判斷是否是ISP關(guān)鍵字，當(dāng)識(shí)別到關(guān)鍵字后，自動(dòng)調(diào)節(jié)自己的波特率并給上位機(jī)一個(gè)的應(yīng)答，以此與上位機(jī)建立握手關(guān)系，即可通過(guò)ISP上位機(jī)軟件如STCISP對(duì)單片機(jī)的FLASH進(jìn)行操作。實(shí)際上單片機(jī)中有2 kB的ISP程序區(qū)是堆疊到4 kB的FLASH中，當(dāng)系統(tǒng)滿(mǎn)足進(jìn)入ISP功能的條件時(shí)，單片機(jī)就會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到ISP程序并開(kāi)始進(jìn)入ISP模式，此時(shí)可以對(duì)單片機(jī)的FLASH進(jìn)行讀、寫(xiě)、塊擦除等操作。所設(shè)計(jì)的ISP電路，不需要更換硬件設(shè)備就可以隨時(shí)隨地地下載用戶(hù)區(qū)程序，方便快捷，便于后續(xù)的程序調(diào)試及升級(jí)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)程序設(shè)計(jì)與上位機(jī)程序設(shè)計(jì)。

基于KEIL開(kāi)發(fā)環(huán)境，所編寫(xiě)的單片機(jī)程序包括：按鍵輸入檢測(cè)程序、LED與蜂鳴器控制程序、DS1820讀寫(xiě)程序、與上位機(jī)通信程序、看門(mén)狗驅(qū)動(dòng)程序等。其中，關(guān)鍵部分為DS1820的操作軟件。為確保數(shù)據(jù)鏈的完整性，單總線器件對(duì)器件的時(shí)序要求很高。DS1820相關(guān)軟件配置總體分為四步：

(1)復(fù)位并初始化DS1820；

(2)對(duì)DS1820的ROM進(jìn)行操作；

(3)對(duì)DS1820存儲(chǔ)器進(jìn)行操作；

(4)完成溫度轉(zhuǎn)換，處理DS1820返回?cái)?shù)據(jù)。

溫度讀數(shù)以16位的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存在，再對(duì)讀取溫度所得到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)量進(jìn)行算法補(bǔ)償，進(jìn)而獲得較高分辨率，增加DS1820的測(cè)溫精度。

系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，先與上位機(jī)通信，直至握手成功；然后當(dāng)收到上位機(jī)指令后，開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并傳遞給上位機(jī)進(jìn)行處理與顯示。當(dāng)采集的8路溫度有一路超出規(guī)定范圍或有陡然變化情況發(fā)生，STC89C51RD單片機(jī)立刻做出動(dòng)作，對(duì)應(yīng)的指示燈閃爍，蜂鳴器開(kāi)始嘯叫，在上位機(jī)也會(huì)做出報(bào)警。

設(shè)計(jì)的軟件部分以VB 6.0為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。使用VB語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的上位機(jī)界面如圖5所示。設(shè)計(jì)完成的軟件具有數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、顯示等多種功能，通過(guò)串口與下位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。此設(shè)計(jì)方式符合當(dāng)今主流的控制與檢測(cè)技術(shù)，確保數(shù)據(jù)傳遞的及時(shí)性、可靠性。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，打開(kāi)上位機(jī)軟件，8路溫度傳感器所檢測(cè)到的溫度都實(shí)時(shí)打印在上位機(jī)界面上，界面清晰，可視度好。

圖5 上位機(jī)軟件界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)涵蓋硬件電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)程序編寫(xiě)、上位機(jī)軟件編寫(xiě)三個(gè)方面。所設(shè)計(jì)的環(huán)境溫度感知系統(tǒng)可以全自動(dòng)地實(shí)時(shí)采集被監(jiān)測(cè)的環(huán)境溫度，并實(shí)時(shí)傳遞給上位機(jī)；經(jīng)過(guò)上位機(jī)處理，做出環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)、異常報(bào)警并報(bào)告給用戶(hù)。該環(huán)境溫度感知系統(tǒng)易于操作、靈敏快捷，滿(mǎn)足了遠(yuǎn)程溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)記錄的需求，可被廣泛應(yīng)用于智能家居、工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域。