公路溫度采集存儲(chǔ)器

曹金曉 桑運(yùn)曉 劉同壯

摘 要：介紹了一種單片機(jī)控制的公路溫度采集存儲(chǔ)器，它包括溫度采集、數(shù)據(jù)保存和顯示三個(gè)部分。單片機(jī)通過溫度傳感器獲取每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的溫度，進(jìn)而將溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器內(nèi)。系統(tǒng)失電后存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)不能丟失，工作人員能夠通過顯示模塊或串口通信模塊獲取溫度數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：溫度存儲(chǔ)；AT89C52；傳感器；功耗

隨著公路運(yùn)輸事業(yè)的蓬勃發(fā)展，交通運(yùn)輸朝著高速化、重型化的趨勢(shì)發(fā)展。公路是交通運(yùn)輸?shù)妮d體，隨著貨車載重重量的增加，將導(dǎo)致公路路面的加速破壞。長(zhǎng)期以來，路面瀝青層厚度變薄，從而削弱路面的承載能力，大大影響了公路的結(jié)構(gòu)性和使用性，容易造成意外事故的發(fā)生。經(jīng)相關(guān)研究人員分析得知，溫度是破壞路面質(zhì)量的首要因素，溫度變化容易引起路面的變形，因此要想減小溫度對(duì)瀝青路面的影響，需要對(duì)公路路基的溫度做詳細(xì)的分析。我們可以將溫度傳感器放置在公路路基的不同深度，以獲取不同深度的溫度，然后對(duì)獲取的溫度值進(jìn)行分析，尋找路面溫度場(chǎng)以及公路路基的變化規(guī)律。

公路溫度采集存儲(chǔ)器是觀測(cè)高速公路路面和路基溫度的一種設(shè)備，在設(shè)計(jì)修筑高速公路之前和對(duì)高速的養(yǎng)護(hù)期間，可以有效記錄所在觀測(cè)點(diǎn)的溫度變化情況，為高速公路的修建和養(yǎng)護(hù)提供科學(xué)的決策依據(jù)。本設(shè)備具有體積小、功耗少、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖1為溫度采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)包括單片機(jī)系統(tǒng)及外圍電路、電源模塊、鍵盤輸入模塊、串口通信模塊、溫度采集模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、液晶顯示模塊、時(shí)鐘模塊和繼電器模塊。

其中，電源模塊包括鋰電池和電源轉(zhuǎn)換電路，將鋰電池電壓轉(zhuǎn)換為單片機(jī)及其他外圍電路所需的電壓等級(jí)。電源采用7.2V、7500毫安時(shí)的聚合鋰電池，通過對(duì)系統(tǒng)功耗的控制，可以做到兩個(gè)月內(nèi)系統(tǒng)消耗鋰電池的電量小于30%。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)：本系統(tǒng)的核心芯片是AT89C52單片機(jī)。該器件采用Atmel公司高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，是一種低功耗、高性能CMOS 8位微處理器。它內(nèi)部有2個(gè)全雙工串行口，3個(gè)16位可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器，32個(gè)雙向輸入輸出口，8k byte的ROM和256位的RAM，程序調(diào)試簡(jiǎn)單方便。

溫度采集模塊：本系統(tǒng)溫度的獲取采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20。該芯片是一種具有單總線接口的數(shù)字溫度傳感器，它與單片機(jī)連接簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低 、體積小。其硬件原理圖如圖2所示。DQ端引腳與單片機(jī)的P1.4口相連并接上4.7k的上拉電阻。

數(shù)據(jù)保存模塊：本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保存模塊采用IIC總線的AT24C系列EEPROM作為數(shù)據(jù)保存的芯片。負(fù)責(zé)保存溫度采集模塊一個(gè)月來采集到的數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)可以被單片機(jī)讀出用于顯示，其硬件連接如圖2所示。其中數(shù)據(jù)線sda、時(shí)鐘線sclk分別于單片機(jī)的P1.0和P1.1口相連接。

時(shí)鐘模塊：本系統(tǒng)的時(shí)鐘模塊用于給系統(tǒng)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，并在特定的時(shí)間喚醒單片機(jī)來采集溫度數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片用的是DS12C887，它的內(nèi)部通過計(jì)數(shù)來獲取時(shí)間信息，時(shí)間信息可以具體到年月日、時(shí)分秒和星期。時(shí)鐘模塊電路圖如圖2所示，DS12C887的MOD腳接低電平，該芯片的AD0至AD7端與單片機(jī)的P0口相接，IRQ端與單片機(jī)的INT0腳相接，時(shí)鐘芯片在特定時(shí)間產(chǎn)生中斷，喚醒休眠的單片機(jī)。

液晶顯示模塊：本系統(tǒng)采用LCD1602液晶顯示屏來顯示溫度數(shù)據(jù)，它只能顯示符號(hào)、字母、數(shù)字，是一種字符型液晶。LCD1602顯示屏共有16個(gè)引腳，其中D0至D7為雙向數(shù)據(jù)傳輸端口，第5引腳R/W控制腳決定數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?，E為使能信號(hào)，RS為命令/數(shù)據(jù)選擇引腳。顯示屏的電路圖如圖4所示，它的D0至D7端口與單片機(jī)的P0口相連。

繼電器模塊：繼電器模塊連接單片外圍芯片和電源之間，，當(dāng)單片機(jī)處于休眠狀態(tài)時(shí)，繼電器斷開外圍器件的電源端，可有效降低系統(tǒng)功耗；當(dāng)系統(tǒng)需要獲取溫度信息時(shí)，單片機(jī)會(huì)發(fā)出相關(guān)信號(hào)使繼電器吸合，進(jìn)而外圍器件得以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 軟件設(shè)計(jì)流程

圖5描述了本系統(tǒng)的工作流程。單片機(jī)在初始化后，系統(tǒng)就進(jìn)入了休眠狀態(tài)，單片機(jī)首次上電后繼電器線圈仍然處于失電狀態(tài)，外圍器件電源端引腳沒有與系統(tǒng)電源連接，此時(shí)電源只給時(shí)鐘芯片和單片機(jī)供電。

如果工作人員按下與單片機(jī)外部中斷1引腳相連接的按鍵，單片機(jī)即被中斷信號(hào)喚醒，繼電器外圍器件得電，以使外圍器件都與系統(tǒng)電源連接，并讓器件做出相應(yīng)響應(yīng)。

工作人員處理完數(shù)據(jù)后單片機(jī)重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。在每天定時(shí)采集溫度的時(shí)間到來時(shí)，時(shí)鐘芯片產(chǎn)生中斷信號(hào)，單片機(jī)通過外部中斷0被喚醒，繼電器線圈得電，以使系統(tǒng)電源給外圍器件供電，然后采集溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存到EEPROM中。

4 結(jié)語

本文利用單片機(jī)設(shè)計(jì)了公路溫度采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，介紹了硬件和軟件的具體設(shè)計(jì)方法。

由于本系統(tǒng)用在野外無人值守的場(chǎng)合，所以對(duì)功耗要求比較嚴(yán)格，本系統(tǒng)采用各種辦法來減少功耗。DS18B20的上拉電阻選擇是本系統(tǒng)著重關(guān)注的問題，由于導(dǎo)線很長(zhǎng)，所以需要通過實(shí)驗(yàn)選出最佳上拉電阻值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡漢才.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社，1996.

[2] 譚永宏.單片機(jī)原理與開發(fā)技術(shù)[M].國(guó)防科技大學(xué)出版社，2011.

[3] 郭天祥.新概念51單片機(jī)才C語言教程—入門、提高、開發(fā)、擴(kuò)展全攻略[M].電子工業(yè)出版社，2010.

[4] 錢顯毅.電子電路設(shè)計(jì)[N].科技時(shí)報(bào)，2009.