基于單片機的分布式測溫系統(tǒng)設計

曲阜師范大學計算機科學學院 黨德瑞

1.引言

隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路設計技術的發(fā)展，微型化、集成化、數(shù)字化正成為傳感器發(fā)展的一個重要方向，而采用新型數(shù)字溫度傳感器大大方便了系統(tǒng)的設計。數(shù)字溫度傳感器DS18B20具有獨特的單總線接口，僅需要占用一個通用I/0端口即可完成與微處理器的通信，大大減少了接線的麻煩，使得單片機更加具有擴展性。由于DS18B20芯片的小型化，可以通過單跳數(shù)據(jù)線就可以和主電路連接。

2.整體設計

整個系統(tǒng)是由單片機控制的，要能夠實現(xiàn)接收傳感器的數(shù)據(jù)并將所接受的數(shù)據(jù)顯示出來，可以從鍵盤輸入命令，系統(tǒng)根據(jù)所鍵入的命令，選擇對應的傳感器，并經(jīng)過驅動電路驅動溫度顯示。設計一種可實現(xiàn)的，方便的單片機監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)多點溫度測量和顯示的任務。

圖1 AT89C51的硬件結構圖

3.硬件選擇

3.1 傳感器的選擇

傳感器DS18B20是美國DALLAS半導體公司推出的一種改進型溫度傳感器。DS18B20的最大優(yōu)點是采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度傳感器DS18B20和單片機AT89C51構成的測度裝置，可以直接輸出溫度的數(shù)字信號到微控制器。每個DS18B20具有一個獨有的不可修改的64位序列號，根據(jù)序列號可訪問不同的器件，這樣一條總線上可掛接多個DS18B20傳感器，實現(xiàn)多點溫度測量。DS18B20傳感器有如下特點：

(1)單總線接口，可方便地實現(xiàn)多點測溫。

(2)每一個芯片都有唯一的一個64位光刻的ROM注冊碼，家族碼為28H。

(3)無需外部器件，可通過數(shù)據(jù)線供電，電源電壓范圍：3.0V～5.0V。

(4)以此作為檢測元件，測溫范圍是-55℃～+125℃，在-10～+85℃范圍內，測量精度可達±0.5℃。

(5)分辨率為可編程的9～12位(包括一位符號位)，對應的可分變溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃。

(6)DS18B20的轉換時間與所設定的分辨率有關。當設定為9位時，最大轉換時間為93.75ms，當設定為12位時，最大轉換時間為750ms。

(7)溫度數(shù)據(jù)有2個字節(jié)組成。

(8)內部含有EEPROM，其報警上下限溫度值和設定的分辨率在掉電的情況下不丟失。

3.2 單片機的選擇

本課題選用的控制模塊是AT89C51單片機，AT89C51單片機是一種低電壓，低功耗，高性能的8位FLASH單片機。單片機的特點是體積小，功能強，可靠性高，功耗低，價格低廉，片內含有2Kbytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器，并且可以兼容標準MCS-51系列單片機的指令系統(tǒng)。

4.系統(tǒng)的硬件設計

系統(tǒng)的硬件電路如圖所示，主要是以AT89C51單片機為核心的控制部分，由四個DS18B20溫度傳感器，LED數(shù)碼管顯示，鍵盤，復位電路，報警電路等部分組成。

4.1 測溫電路設計

我們設計的是分布式測溫系統(tǒng)，要用到多個DS18B20溫度傳感器，采集的溫度數(shù)據(jù)眾多，首先要弄清楚傳感器的序列號，以便準確、有效地對每個溫度進行尋址。每個傳感器都有唯一的64位產(chǎn)品序列號。由溫度傳感器DS18B20采集的被測對象的數(shù)據(jù)，不用經(jīng)過A/D轉換，可以直接傳給AT89C51單片機，由單片機的P3.7口作為數(shù)據(jù)的輸入端口，在AT89C51單片機內有4KB閃爍可擦除、可編程的只讀存儲器，128B的數(shù)據(jù)存儲空間，可直接推動LED數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。DS18B20由VCC提供電源，連接一個4.7K的上拉電阻，傳感器的DQ腳直接連接到單片機的P1.0口。溫度測量部分的電路就連接好了。圖2為DS18B20與單片機的連接電路圖。

圖2 DS18B20與單片機的連接電路圖

4.2 鍵盤部分電路

通過鍵盤鍵入要顯示的測量點的傳感器的序列號，當其中一個按鍵被按下時，INT0就會接收到一個負脈沖信號，單片機的外部中斷會被激活，我們會檢測到P0～P3口的信號跳變，從而確定是那個按鍵被按下。當單片機接受到具體的中斷信號時，就會讀取在初始化時已經(jīng)按序列號編碼的對應序列號的DS18B20傳感器中的溫度數(shù)據(jù)，完成溫度數(shù)據(jù)的對應讀取。

4.3 顯示電路

該部分電路主要使用了移位寄存器芯片74LA164和七段數(shù)碼管。單片機通過I2C總線將要顯示的數(shù)據(jù)信號傳送到移位寄存器芯片74LS164寄存起來，再由移位寄存器控制數(shù)碼管的顯示，從而實現(xiàn)移位寄存點亮數(shù)碼管，數(shù)碼管顯示所接收的數(shù)據(jù)。

4.4 報警電路的實現(xiàn)

當所測量的溫度值達到所設定溫度的上下限時，所接受的信號可觸發(fā)蜂鳴器實現(xiàn)報警功能。單片機通過三極管驅動揚聲器發(fā)出警笛聲，選擇了壓電式蜂鳴器。圖3為報警電路電路圖。

圖3 報警電路電路圖

5.系統(tǒng)的軟件設計

本課題的系統(tǒng)軟件設計主要是在單片機的控制下完成多點溫度的測量，并將溫度值顯示，超過上下限溫度值報警的功能。要實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能必須經(jīng)過以下幾個步驟：傳感器DS18B20采集的各點的溫度信號傳遞給單片機，在鍵盤的鍵入選擇下，顯示所指定編號的傳感器的溫度值，并將溫度值通過數(shù)碼管顯示出來，若溫度超過所設定的上下限范圍則驅動蜂鳴器，發(fā)出報警。

5.1 主程序

主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示，讀出并處理DS18B20測量的溫度值，測量每1s進行一次，當系統(tǒng)初始上電時，單片機必須找出總線上所有傳感器的ROM代碼，這樣單片機就能夠判斷出傳感器的數(shù)目和類型。

5.2 讀出溫度子程序

讀出溫度子程序主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)，在讀出時需要進行CRC校驗，校驗有錯時不進行溫度數(shù)據(jù)的改寫。DS18B20的讀時序分讀0時序和讀1時序兩個過程。讀時序是主機先把單總線拉低，之后的15us內必須釋放單總線，以便將數(shù)據(jù)傳送到單總線上。

5.3 顯示電路程序設計

我們所設計的系統(tǒng)能接收到溫度信號，還要將溫度信號顯示出來。對于輸入的溫度信號的顯示是用了移位寄存器芯片74LS164。當串行輸入端任意一個為低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時鐘端CLOCK)脈沖上升沿作用下Q0為低電平。當串行輸入端有一個為高電平時，則另一個就允許數(shù)據(jù)輸入，并在CLOCK上升沿作用下決定Q0的狀態(tài)。

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