基于BASIC Stamp微控制器的溫度記錄系統

陳鵬，黃斌

（福建省電子產品監督檢驗所 福建 福州 350003）

溫度測量在環境試驗中是常見的一種測量方式。傳統的溫度測量設備顯示樣品溫度于設備箱上，需要試驗人員定時查看和記錄，這極大地浪費了人力而且帶來諸多不便。當溫度試驗箱種類多而且需要長時間試驗時情況更糟，因為試驗人員需要三班倒不間斷試驗過程記錄。因此，改造傳統的高低溫箱記錄方式已經成為當務之急，同時，市場需要一種經濟的設計方式。

本研究中一種以微控制器為基礎的溫度記錄系統被開發，以滿足溫度數據測量記錄的低成本和靈活模式。開發系統的主要硬件包括一臺微型計算機，一個以BASIC Stamp[1]為基礎的微控制器電路板以及串行通訊鏈接設備。兩線串行接口數字傳感器DS1621[2]被用來進行溫度測量，微型計算機運行控制程序。一旦用戶在微型計算機界面上決定實時記錄信息，信息便通過RS-232端口送往微控制器。微型計算機和微控制器通過特定的串行通信協議通信，微型計算機告知微控制器溫度測量何時開始以及測量次數并等待微控制器發送具體數據。電路板的設計考慮了開放式結構。該系統采用了28引腳易于插拔的插座來容納BASIC Stamp微控制器。微控制器將通過軟件模擬片內集成總線I2C[3]轉換讀取的溫度數據并實時傳送回微型計算機。

1 系統硬件設計

系統的主要原理圖如圖1所示。其中BASIC Stamp微控制器是美國Parallax公司的產品，采用5 V直流電源供電，支持在線串行編程，最高時鐘頻率達到20 MHz，通訊波特率設定為9 600。BASIC Stamp微控制器帶有片上BASIC解釋芯片、內存 （包括EEPROM和RAM）、5 V穩壓器和一些通用輸入/輸出端口。該微控制器的工作溫度為0～70℃，每秒鐘約執行4 000條指令，低電平復位。EEPROM可以存儲大約500條指令。端口P是雙向輸入/輸出復用管腳，可以進行設置，其中P0和P1分別與傳感器DS1621的串行數據線SDA以及串行時鐘線SCL管腳相連，上拉電阻均為2 kΩ接+5 V。因為增強特性，該微控制器是串行通信的很好選擇，通過簡單指令即可完成串行通信。微型計算機和BASIC Stamp（具體型號BS2）的通信連接如圖2所示，連接通過若干導線完成。注意DTR與ATN在下載完程序后要斷開以便傳感器的數據能傳回微型計算機。另外，下載程序時DTR與ATN必須連接，否則BASIC Stamp不能被微型計算機識別從而無法編程。

圖3給出的是地址線A2A1A0連接為000的示意圖，其余DS1621傳感器地址連線類推。DS1621傳感器溫度測量范圍從-55～125℃，一般能滿足日常環境試驗要求，測量時不需要外部元件，溫度轉換時間小于一秒。該傳感器工作電壓介于2.7～5.5 V，數據讀寫采用兩線串行接口，溫度為9位數值，管腳數為8個。

圖1 系統框圖Fig.1 Diagram of the system

圖2 微型計算機和BASIC Stamp的串行連接Fig.2 Serial link between the PC and the BASIC Stamp

圖3 DS1621傳感器連接圖Fig.3 Connection of the DS1621 sensor

2 軟件設計

2.1 微型計算機程序

微型計算機通過用戶友好命令程序與用戶交互，編程語言為Visual Basic 6.0[4]。首先用戶選擇環境試驗產品類別和記錄名稱，用戶可以自己修改產品類別選項（手動輸入）。然后用戶輸入試驗的起始時間和結束時間并輸入記錄保存的時間間隔便自動生成一個相應文件用來保存定時的溫度記錄。圖4給出了部分用戶主界面并輪流顯示兩臺設備的溫度，用戶被允許視具體連接情況選擇通信串口號（COM1或COM2），但通信波特率固定。主界面會通知微控制器何時開始溫度測量，這里需要進行串口編程[5]。同時，程序還允許用戶修改記錄顯示的頻率。當記錄結束時，生成的文本文件中包括記錄時間、日期、設備號以及具體溫度值。用戶可以將生成的文件通過按鍵轉換成Excel文件并可添加其試驗信息并打印保存。

圖4 用戶主程序界面Fig.4 User command program interface

2.2 微控制器程序

微控制器采取輪循的方法對所連接的DS1621溫度傳感器進行數字轉換的讀取。程序首先定義了若干變量并指定了讀取的數據線和時鐘線管腳，然后定義通信波特率。接著微控制器啟動溫度傳感器并進入設置寄存器定義為單一測量。在主程序中，微控制器啟動測量并發送指令EEh并等待轉換結束。在此之后，程序發送讀取溫度指令AAh到傳感器并讀取溫度寄存器的高字節。接著，程序發送A8h讀取傳感器的計數器值。最后，程序發送A9h讀取傳感器的斜坡值。程序中用的最頻繁的是SHIFTOUT指令以及應答子程序。另外，程序也使用了SHIFTIN指令。在這一系列步驟之后，程序根據經驗公式轉換計算具體溫度值并判斷溫度的正負。最后，溫度值被以十進制數的形式通過串口回傳給微型計算機。

微控制器程序采用PBASIC語言編程，將編寫過的程序下載到微控制器并解釋是必要的，故而程序必須指定下載串口號和微控制器具體型號。當用戶按下Run按鍵程序，便進行語法檢查并下載執行。至于EEPROM以及RAM的使用情況可以通過程序編輯器[6]查詢。

3 結束語

文中討論了新型簡易低成本溫度自動記錄系統的制作及編程，說明了環境試驗溫度集中自動記錄的低成本和簡單實現是可行的。整個實驗電路（不包含微型計算機）硬件成本不超過600元人民幣。系統成功地日夜連續測量記錄3個傳感器的溫度，分辨率為0.1℃。該系統已經被證實有效，在本所環境試驗設備自動化改造初級階段中得到應用驗證，較精確地記錄了溫度值，這可以通過溫度計顯示值加以比較。由于溫度測量范圍的局限，該研究項目的高溫測量能力有待進一步提高到200℃。由于采用的微控制器和溫度傳感器很靈巧方便，這給設計帶來了便利。

[1]Parallax Inc.BASIC Stamp Syntax and Reference Manual 2.2[EB/OL].（2005-02-08）[2011-07-08].http://www.parallax.com/Portals/0/Downloads/docs/prod/stamps/web-BSM-v2.2.pdf.

[2]Maxim Integrated Products.DS1621 Digital Thermometer and Thermostat[EB/OL].（2005-09-15）[2011-07-08].http://data sheets.maxim-ic.com/en/ds/DS1621.pdf

[3]何立民.I2C總線應用系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1995.

[4]楊章偉.Visual Basic完全自學寶典[M].北京：清華大學出版社，2008.

[5]Jan Axelson.串行端口大全[M].北京：中國電力出版社，2001.

[6]Parallax Inc.BASIC Stamp Windows Editor V2.5.2.[EB/OL].（2011-03-11）[2011-07-08].http://www.parallax.com/Portals/0/Downloads/sw/bs/win/Setup-Stamp-Editor-v2.5.2.exe.