基于STC89C51RD單片機(jī)的環(huán)境溫度感知系統(tǒng)設(shè)計

蔡玉輝，張 敏

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽 110000）

1 引言

近年來，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)測領(lǐng)域研究的重點。環(huán)境溫度感知系統(tǒng)憑借靈活便捷、精度高、可靠性強等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于智能家居、工業(yè)生產(chǎn)、國防建設(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，用以實現(xiàn)對環(huán)境溫度信息的全自動實時采集、傳輸、處理，將重要的環(huán)境溫度信息與相關(guān)預(yù)測報告給用戶。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

最早的8051系列單片機(jī)是由美國英特爾公司生產(chǎn)的MCS51單片機(jī)[2]。后來英特爾將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Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51系列單片機(jī)、中國宏晶科技公司生產(chǎn)的STC89C51系列單片機(jī)等。國內(nèi)外眾多8051單片機(jī)也都是以MCS51內(nèi)核為基礎(chǔ)開發(fā)出來的。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作為程序存儲器、512字節(jié)RAM作為數(shù)據(jù)存儲器，此外還有3路定時器、一個UART（通用異步收發(fā)器）、通用I/O等資源，具有基本數(shù)字信號處理與邏輯控制功能，可以滿足絕大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)需求。

在系統(tǒng)設(shè)計中，采用常見的軟硬件結(jié)合的方式，可實現(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，測溫范圍可達(dá)-55℃～125℃。DS1820小巧精致，只有三個引腳：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)的讀寫操作，具有單點和多點的網(wǎng)絡(luò)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？梢詫S1820溫度傳感器用于過程控制、家庭環(huán)境、工業(yè)設(shè)備、建筑設(shè)施的溫度檢測。同時，采用單總線結(jié)構(gòu)能夠大大節(jié)省MCU資源，使得系統(tǒng)更加簡潔，MCU利用率更高[4]。

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

設(shè)計基于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、報警指示燈電路、報警蜂鳴器電路、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

選用宏晶科技增強型8051內(nèi)核STC89C51RD單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片，6/12時鐘模式可選，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)計圖

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為目的，以硬件為基礎(chǔ)的專用計算機(jī)系統(tǒng)[7]。嵌入式系統(tǒng)最核心的是MCU，為消除板級雜散電感帶來的串?dāng)_，此處選用兩個30pF電容來配合12MHz的無源晶振，構(gòu)成晶振電路[8]，以確保單片機(jī)正常運行。P2.0～P2.7口驅(qū)動了8路DS1820溫度傳感器，每個IO口通過單總線與DS1820進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。此外還設(shè)計了按鍵電路，通過程序檢測按鍵輸入的高低電平或邊沿信號，以此可實現(xiàn)對單片機(jī)的外部控制[9]。P1口和P3口被用來驅(qū)動LED和蜂鳴器，用來做溫度超調(diào)或突變時的報警。LED采用共陽極接法，可用來避免單片機(jī)輸出電流過多造成的驅(qū)動能力不足的問題[10]。

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

要實現(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芯片來設(shè)計串口通信電路。CH340G需要12MHz的晶振來提供時鐘。當(dāng)電源為5V時，V3引腳需要對地接104電容。上述兩部分功能所對應(yīng)電路設(shè)計原理如圖3所示。

圖3 復(fù)位監(jiān)控與串口電路設(shè)計圖

最終現(xiàn)實的基于STC89C51RD單片機(jī)的環(huán)境溫度感知電路的實物電路板如圖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)計實物電路板

通過電源適配器將220V交流電轉(zhuǎn)換為9V直流電，該電壓經(jīng)過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8處不同環(huán)境的溫度。該系統(tǒng)通過D口USB座與上位機(jī)進(jìn)行通信，同時該接口也被用于ISP下載。

FLASH不能對自己進(jìn)行讀寫操作，它實現(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)識別到關(guān)鍵字后，自動調(diào)節(jié)自己的波特率并給上位機(jī)一個的應(yīng)答，以此與上位機(jī)建立握手關(guān)系，即可通過ISP上位機(jī)軟件如STCISP對單片機(jī)的FLASH進(jìn)行操作。實際上單片機(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)滿足進(jìn)入ISP功能的條件時，單片機(jī)就會自動跳轉(zhuǎn)到ISP程序并開始進(jìn)入ISP模式，此時可以對單片機(jī)的FLASH進(jìn)行讀、寫、塊擦除等操作。所設(shè)計的ISP電路，不需要更換硬件設(shè)備就可以隨時隨地地下載用戶區(qū)程序，方便快捷，便于后續(xù)的程序調(diào)試及升級。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

基于KEIL開發(fā)環(huán)境，所編寫的單片機(jī)程序包括：按鍵輸入檢測程序、LED與蜂鳴器控制程序、DS1820讀寫程序、與上位機(jī)通信程序、看門狗驅(qū)動程序等。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，單總線器件對器件的時序要求很高。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DS1820的ROM進(jìn)行操作；

(3)對DS1820存儲器進(jìn)行操作；

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

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

系統(tǒng)開始運行后，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)立刻做出動作，對應(yīng)的指示燈閃爍，蜂鳴器開始嘯叫，在上位機(jī)也會做出報警。

設(shè)計的軟件部分以VB 6.0為開發(fā)平臺。使用VB語言實現(xiàn)的上位機(jī)界面如圖5所示。設(shè)計完成的軟件具有數(shù)據(jù)處理、存儲、顯示等多種功能，通過串口與下位機(jī)進(jìn)行實時通信。此設(shè)計方式符合當(dāng)今主流的控制與檢測技術(shù)，確保數(shù)據(jù)傳遞的及時性、可靠性。當(dāng)系統(tǒng)開始工作時，打開上位機(jī)軟件，8路溫度傳感器所檢測到的溫度都實時打印在上位機(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

本設(shè)計涵蓋硬件電路設(shè)計、單片機(jī)程序編寫、上位機(jī)軟件編寫三個方面。所設(shè)計的環(huán)境溫度感知系統(tǒng)可以全自動地實時采集被監(jiān)測的環(huán)境溫度，并實時傳遞給上位機(jī)；經(jīng)過上位機(jī)處理，做出環(huán)境溫度監(jiān)測、異常報警并報告給用戶。該環(huán)境溫度感知系統(tǒng)易于操作、靈敏快捷，滿足了遠(yuǎn)程溫度的實時監(jiān)測與數(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)、國防建設(shè)等領(lǐng)域。