單片機在溫度監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用方案設(shè)計及分析

摘 要：現(xiàn)代計算機技術(shù)的產(chǎn)業(yè)革命，將世界經(jīng)濟從資本經(jīng)濟帶入到知識經(jīng)濟時代。在電子領(lǐng)域，從20世紀中的無線電時代也進入到21世紀以計算機技術(shù)為中心的智能化現(xiàn)代電子系統(tǒng)時代。隨著單片機（Microcontroller）的出現(xiàn)，計算機真正地走入尋常百姓家。目前，單片機憑借著體積小、功耗低、功能強、性能價格比高、易于推廣應(yīng)用等顯著優(yōu)點，在自動化裝置、智能儀器儀表、過程控制、通信、家用電器等許多領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。單片機能大大地提高這些產(chǎn)品的智能性，給我們的生活帶來舒適和方便的同時，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上也極大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：溫度監(jiān)測；單片機；應(yīng)用

現(xiàn)代電子系統(tǒng)的基本核心是嵌入式計算機系統(tǒng)（Embedded Computer System），單片機便是最典型、最廣泛、最普及的嵌入式系統(tǒng)。單片機全稱為單片微型計算機（Single Chip Microcomputer），又稱微控制器（Microcontroller Uint）或嵌入式控制器（Embedded Controller）。它是將計算機的基本部件微型化并集成到一塊芯片上的微型計算機，通常片內(nèi)都含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定時器/計數(shù)器、中斷控制、系統(tǒng)時鐘及系統(tǒng)總線等。

在溫度監(jiān)測領(lǐng)域，能夠獨立工作的溫度檢測和顯示系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于電站、石油化工、冶金、輕工、食品、醫(yī)藥和軍工等諸多領(lǐng)域。單片機配合溫度傳感器元件十分適合開發(fā)此類系統(tǒng)。我們選取美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52 八位微控制器配合Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器完成智能數(shù)顯溫度計的開發(fā)工作。

本課題的開發(fā)過程經(jīng)歷了總體設(shè)計、硬件電路的構(gòu)思設(shè)計、軟件的編制和仿真調(diào)試等幾個階段。

總體設(shè)計的主要任務(wù)是明確該項目將要實現(xiàn)的具體功能及其特性指標(biāo)。并依此進行單片機及周邊設(shè)備的選型，選取軟件設(shè)計所需的開發(fā)平臺和開發(fā)語言。

硬件電路的構(gòu)思設(shè)計依據(jù)總體設(shè)計確定的功能特性要求，進一步確定單片機型號，所需周邊芯片，并設(shè)計出應(yīng)用系統(tǒng)的電路原理圖。

在軟件的編制和仿真調(diào)試階段需要依據(jù)總體設(shè)計要求，在硬件電路的基礎(chǔ)上編制應(yīng)用程序，經(jīng)過返復(fù)測試和調(diào)試以完成本項目的開發(fā)工作。

對于一個單片機系統(tǒng)的開發(fā)，需要綜合運用計算機軟硬件等多門學(xué)科的相關(guān)知識。其中包括模擬電子電路、數(shù)字電路、電子電路制圖、計算機組成原理、接口技術(shù)、MCS-51指令系統(tǒng)的匯編語言。

本課題的開發(fā)，需要將軟件知識與硬件知識有機地加以結(jié)合。在軟件編制的過程中，靈活運用了微控制器的中斷機制。包括：中斷處理、中斷響應(yīng)、中斷優(yōu)先級設(shè)置。對數(shù)字式溫度傳感器DS18B20的控制，首先要對其進行初始化（復(fù)位）操作、然后通過單片機微控制器的相應(yīng)端口進行數(shù)據(jù)讀取。在顯示輸出的過程中，需要對并行接口芯片8255A進行方式控制字的設(shè)置，并輸出轉(zhuǎn)換后的十進制溫度數(shù)值。

DS18B20采用了單總線（One-Wire Bus）技術(shù)，為了保證MCU與DS18B20的通訊時序，需要正確設(shè)置中斷優(yōu)先級，將溫度采集中斷的優(yōu)先級設(shè)置為最高，以防止被其它中斷嵌套打斷當(dāng)前的采集工作。

一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包含兩部分內(nèi)容：系統(tǒng)擴展與系統(tǒng)的配置。

系統(tǒng)擴展即單片機內(nèi)部的功能單元，如ROM、RAM、I/O、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當(dāng)?shù)男酒O(shè)計相應(yīng)的電路。系統(tǒng)的配置即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器、打印機、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計合適的接口電路。

硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是：軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件實現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，一般響應(yīng)時間比硬件實現(xiàn)長，且占用CPU時間。

單片機外圍電路較多時，必須考慮其驅(qū)動能力。驅(qū)動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠，可通過增設(shè)線驅(qū)動器增強驅(qū)動能力或減少芯片功耗來降低總線負載。

MCS-51的編程語言常用的有二種，一種是匯編語言，一種是C語言。本系統(tǒng)的程序開發(fā)選擇使用MCS-51匯編語言進行編寫。硬件系統(tǒng)將根據(jù)匯編程序的指令，控制相關(guān)功能器件完成對DS18B20的復(fù)位、采集、中斷管理、測量溫度值的計算及溫度值的顯示等功能。使用者只需打開電源就可以從觀察屏上看到關(guān)心的溫度變化情況并且可以很方便紀錄數(shù)據(jù)。

單片機開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件。不同的單片機甚至同一公司的單片機它們的開發(fā)工具不一定相同或不完全相同，這就要求在選擇單片機時，需考慮開發(fā)工具的因素，原則上是以最少的開發(fā)投資滿足某一項目的研制過程，最好是使用現(xiàn)有的開發(fā)工具或增加少量的輔助器材就可達到目的的。當(dāng)然，開發(fā)工具是一次性投資，而形成產(chǎn)品卻是長遠的效益，這就需平衡產(chǎn)品和開發(fā)工具的經(jīng)濟性和效益性。

Keil軟件是目前最流行開發(fā)MCS-51系列單片機的軟件，Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（μVision）將這些部份組合在一起。近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持Keil軟件。

Keil C51是目前比較高效和靈活的8051開發(fā)平臺。它可以支持所有8051的衍生產(chǎn)品，也可以支持所有兼容的仿真器，同時支持其它第三方開發(fā)工具。因此，本課題的軟件開發(fā)選用Keil V7.06作為系統(tǒng)程序的開發(fā)/編譯工具。

從20年來單片機技術(shù)的發(fā)展歷程可以看出，單片機技術(shù)的發(fā)展以微控制器（MCU）技術(shù)及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展為先導(dǎo)，以廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域拉動，表現(xiàn)出以下技術(shù)特點：

單片機長壽命。單片機產(chǎn)品如 8051、68HC05等年齡已有近二十歲，產(chǎn)量仍是上升的。一些成功上市的相對年輕的CPU核心，也會隨著I/O功能模塊的不斷豐富，有著相當(dāng)長的生存周期。

8位、32位單片機共同發(fā)展。長期以來，單片機技術(shù)的發(fā)展是以8位機為主的。隨著移動通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品進入家庭，32位單片機應(yīng)用得到了長足、迅猛的發(fā)展。

單片機速度越來越快。為提高單片機抗干擾能力，降低噪聲，降低時鐘頻率而不犧牲運算速度是單片機技術(shù)發(fā)展之追求。

低電壓與低功耗。幾乎所有的單片機都有Wait、Stop等省電運行方式。允許使用的電源電壓范圍也越來越寬。一般單片機都能在3到6V范圍內(nèi)工作，對電池供電的單片機不再需要對電源采取穩(wěn)壓措施。低電壓供電的單片機電源下限已由2.7V降至2.2V、1.8V。0.9V供電的單片機已經(jīng)問世。

低噪聲與高可靠性技術(shù)。為提高單片機系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，各單片機商家在單片機內(nèi)部電路中采取了一些新的技術(shù)措施。

溫度傳感器部件則不斷朝著高精度、低功耗和小型化發(fā)展。未來的溫度傳感器將在更小的封裝中集成更多的功能。

隨著單片機技術(shù)和各種外部設(shè)備元件的技術(shù)不斷發(fā)展，本系統(tǒng)也將可以向更高的集成度發(fā)展，甚至可以將微控制器和相關(guān)的功能模塊使用單一元件取代。在不影響系統(tǒng)功能的前題下，通過精簡元件的使用可以進一步降低系統(tǒng)的耗電量，同時，更少的元件也意味著將使系統(tǒng)具備更高的穩(wěn)定性。

本系統(tǒng)的另一個發(fā)展方向?qū)⑹沁M一步擴展功能，如本文開始所述，溫度檢測和顯示系統(tǒng)在軍工以及民用等領(lǐng)域都得到了十分廣泛的應(yīng)用。每一種應(yīng)用主要區(qū)別在接駁不同的外部設(shè)備，并在相應(yīng)的軟件模塊上存在差異。因此，接駁不同的外部設(shè)備，同時開發(fā)相對應(yīng)的外部設(shè)備接口程序可以進一步擴展本系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，使其應(yīng)用范圍從實驗室走入更具體的實際生產(chǎn)當(dāng)中。