基于單片機控制的糧倉多路溫度采集系統設計

張樹尉，鄭雪梅

(黃岡職業技術學院，湖北 黃岡 438002)

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基于單片機控制的糧倉多路溫度采集系統設計

張樹尉，鄭雪梅

(黃岡職業技術學院，湖北 黃岡 438002)

摘要：本設計由3個模塊組成：主控制器、溫度采集電路及顯示電路。所設計的多路溫度采集系統，可實現多個糧倉的溫度監視，測溫范圍為-20～70℃，精度誤差在0.1℃以內，LED數碼管直讀顯示。

關鍵詞：數字溫度計;AT89S51;DS18B20;單總線

溫度的測量不僅廣泛用于我們的日常生活之中，而且在工業加工生產、科研研究中起著至關重要的作用。一般對于溫度的測量采用由熱電偶式傳感器組成的測量電路，這種電路具有設計復雜、測量靈敏度較低、性價比低的缺點。本文設計一種多路溫度采集系統，實現多個糧倉的溫度監視，要求測溫范圍為-20～70℃，精度誤差在0.1℃以內，LED數碼管直讀顯示。依據測量指標的要求，采用DALLS公司的單總線數字式溫度傳感器DS1820作為溫度檢測傳感器，該傳感器測量范圍大，內部集成了模數轉換器，最高分辨率高達12位。相對于熱電偶傳感器，該芯片采用單總線接口協議，實現數據的采集與傳輸，大大降低硬件設計的難易度，設計成本低廉，廣泛適用于測控領域。

1總體設計方案框圖

圖1　數字溫度計總體電路結構框圖

根據設計的指標和要求，多個糧倉的溫度測量系統主要由以下幾個部分組成：

1.1控制器單元電路。控制器采用AT89S51單片機，負責與傳感器DS18B20通信，存儲不同糧倉的溫度數據，同時將溫度數據發送到顯示電路。

1.2傳感器測量電路。每個糧倉安放DS18B20傳感器，負責對溫度的測量。

1.3溫度顯示電路。采用4位共陽LED數碼管顯示，以動態掃描法實現溫度顯示，將單片機發送的數據顯示在Led數碼管上。

數字溫度計總體電路結構框圖如圖1所示。

2系統整體硬件電路

2.1主控制器

圖2　主控制器89S51

圖2為主控制器電路，由12M無源晶振組成的振蕩電路，開關S1與10uf電容組成的復位電路，用于重啟系統，保證系統正常的運行。

XTAL1腳為片內振蕩電路的輸入端，XTAL2腳為片內振蕩電路的輸出端。89S51的時鐘有兩種方式，一種是片內時鐘振蕩方式，但需在XTAL1和XTAL2腳外接石英晶體(頻率為1.2～12MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10～30pF，典型值為30pF；另外一種是外部時鐘方式，即將XTAL1接地，外部時鐘信號從XTAL2腳輸入，如圖3所示。 此次設計采用了內部時鐘方式。[2]

圖3　89S51的時鐘振蕩方式

2.2溫度采集電路

圖4　DS18B20溫度采集

溫度采集如圖4，圖中的U3、U4、U5是用于探測溫度并將溫度值轉換成數字信號的傳感器DS18B20, DS18B20采用1-Wire總線(單總線)協議,它在一根數據線完成控制字的寫入和測量溫度數據的讀出，是一種半雙工的雙向傳輸模式，多個DS18B20傳感器通過地址碼來區分。由于單片機AT89S51硬件上并不支持單總線協議，通過AT89S51來控制和訪問DS18B20時，需要通過編程模擬單總線的協議時序來實現對DS18B20的訪問。

對讀寫的數據位有著嚴格的時序要求，每一次命令和數據的傳輸都是由主機啟動的寫時序開始，此時從設備都處在偵聽狀態，數據和命令的傳輸順序都是低位在先。在讀取DS18B20檢測到的溫度數據時，主機在發出寫命令后，再需啟動讀時序完成數據接收。

2.3顯示電路

圖5　顯示電路

顯示電路采用4位共陽LED數碼管，從P0口輸出段碼通過74HC244進行緩存，再同時送入到四個數碼管的a～h端，列掃描用P2.0～P2.3口來實現，列驅動用9012三極管。

2.4穩壓電路

圖6　穩壓電路

連接器CON3通過復讀機電源接入+12V電壓，通過7805穩壓器將+12V電壓轉換成+5V電壓，作為溫度計設計電路的電源VCC。

2.5通信接口電路

圖7　通信接口電路

89S51的P1口的第二功能(ISP功能)，為了能夠將編譯好的程序下載到單片機內，由于本系統采用AT89S51，采用ISP技術，利用如表1中的P1口，來實現單片機與上位機(PC機)通信，實現程序的下載，P1是帶上拉電阻，兼有輸入和輸出功能的引腳。輸出時驅動電流可達10mA左右。

表1　單片機ISP功能引腳分配

此模塊做在另一塊板上，通過導線將圖中74LS373的MISO,MOSI,SCK分別接到89S51的MISO,MOSI,SCK端口上即可。

3系統軟件程序

由圖8、圖9可知，系統軟件設計組要由溫度顯示刷新模塊、溫度傳感器DS18B20的初始化、溫度數據的讀取、實際溫度的計算等組成。

3.1主程序

圖8為系統設計主程序,一開始完成對設備的初始化，接著開啟定時器記錄刷新時間，每隔一秒完成對數據的讀取與刷新，然后實現對溫度的顯示。

圖8　主程序流程圖

圖9　讀出溫度子程序流程圖

3.2讀出溫度子程序

讀出溫度子程序流程如圖9所示，在對DS18B20進行復位后，AT89S51向所有DS18B20發匹配ROM命令(即區分安裝在各個位置的DS18B20的地址碼)，各個DS18B20收到此地址碼后立即進行判斷是否在訪問自己，如果地址匹配，則該DS18B20發出應答信號，AT89S51緊接著發出讀取命令，地址匹配的DS18B20收到此命令后便將采集到的溫度數據進行CRC編碼(在溫度數據后附加8位的CRC校驗碼)并存放到一個9字節的RAM中，AT89S51讀取DS18B20中9字節RAM中的數據并進行CRC校驗，CRC正確時改寫當前的溫度值，校驗有錯時不進行溫度數據的改寫。

3.3計算溫度子程序

計算溫度子程序流程圖如圖10所示，從DS18B20中RAM中讀取的是二進制代碼代表的溫度值，我們日常生活中的溫度都為十進制顯示，結合DS18B20輸出的二進制數據的格式，通過溫度轉換子程序，實現二進制數據與十進制攝氏溫度的轉換，這樣才能輸出我們要求的溫度格式。

3.4溫度顯示更新程序

溫度每時每刻都在發生著輕微的變化，為了能夠實時顯示正確的溫度，就要定時刷新數據，如圖11所示，該程序實現了對溫度數據的更新功能，對單片機存儲的溫度數據進行處理，進行溫度的正負判斷，以及位數處理。

圖10　計算溫度子程序流程圖

圖11　顯示數據刷新子程序流程圖

3.5溫度數據的計算處理方法

DS18B20的轉換精度可在9～12位之間選擇，分辨率分別為0.5℃、 0.25 ℃、 0.125℃ 、0.0625℃，轉換精度越高所需的A/D時間也越長，9字節RAM中前兩個字節是轉換好的溫度，在對于12位轉換精度，除了最高的4位表示正負符號外，根據溫度傳感器低的12位二進制數字，轉換成十進制數據，將該數據乘以12精度的靈敏度0.0625，所得到的十進制數據則為單位為攝氏度的溫度值。

溫度顯示數據的小數位是由9字節RAM中低字節的低半字節組成的，由于12位轉換精度的分辨率是0.0625℃，介于0.1℃～0.01℃之間，由于是用半個字節(0～F)表小數部分，直接通過乘以0.0625轉換成的十進制小數值需要占用4位小數，實際應用中通常精確到0.1℃，用1位LED顯示小數，這就需要將15種二進制碼對應成10種十進制數，表2列出了一種二進制和十進制的近似對應關系表[2]。

表2　小數部分二進制和十進制的近似對應關系表

4調試及性能分析

系統的調試包括硬件電路調試和軟件調試，由于硬件電路并不復雜，而且全部都是數字電路，只要焊接良好，沒有短路和斷路情況出現電路即可正常工作。由于采用了模塊化的設計方法，軟件調試可以先進行各功能子程序的單獨調試通過，再逐步將各功能模塊往里添加進來，每添加一個功能模塊調試成功后再添加一個功能模塊，直到所有功能模塊能同時正常工作。由于DS18B20跟AT89S51之間采用串行數據通信，在編程時嚴格按照DS18B20芯片手冊上的時序，來實現對芯片數據的采集，不然將得到的錯誤的數據。

性能測試是用精度為0.01℃溫度計和本溫度測試系統各自測量值的比較來完成的，通過實測對比，在-20～50℃的溫度范圍內，二者的最大絕對誤差都在±0.05℃以內，完全適合一般的應用場合，可用三節干電池供電做成手持電子溫度計。

參考文獻：

[1]張俊謨.單片機中級教程. 北京：北京航空航天大學出版社，1999:11-100.

[2]李光飛,樓然苗,胡佳文等.單片機課程設計實例指導. 北京：北京航空航天大學出版社，2004:105-125.

[3]夏路易,石宗義. 電路原理圖與電路板設計教程Protel 99SE. 北京： 北京希望電子出版社社,2002:1-203.

[4]李軍. 51系列單片機高級實例開發指南. 北京：北京航空航天大學出版社， 2004:10-50.

中圖分類號:TP368

文獻標志碼：A

文章編號：1671-1602(2016)08-0035-03

作者簡介：張樹尉(1995.09-)，男，湖北黃岡市人。

鄭雪梅(1995.11-)，女，湖北黃岡市人，黃岡職業技術學院2014級物聯網應用技術專業在校學生。