溫度采集系統設計

陳進京，姜志軒，王泓平

（中國礦業大學，北京，100083）

0 引言

隨著科學技術的發展和現代工業技術的需要，測溫技術也在不斷地改進和提高。雖然溫度測量方法多種多樣，但在很多情況下，對于實際工程現場例如大棚溫度測量來講，要想得到準確可靠的結果并非易事，需要非常熟悉各種測量方法的原理及特點，結合被測對象要求選擇合適的測量方法才能完成。為了得到更加準確的數據，本文主要研究通過單片機STC89C52和PC串口通信來實現溫度采集。

本系統以單片機為核心，以DS18B20為溫度傳感器，主要由數據采集、數據報警、數據處理和數據存儲四大部分構成。本文的溫度檢測結構有由LabVIEW構成的PC上位機系統、串口通信接口和單片機下位機系統。其中上位機負責人機交互，串口通信實現PC機與單片機之間的轉換，下位機進行數據的交互與處理。

1 硬件電路設計

1.1 系統總框架

本次設計的硬件部分由51單片機（STC89C52）和8路溫度傳感器DS18B20構成。上位機采用LabVIEW編程實現，通過串口通信進行傳輸，簡單可靠。

1.2 主控芯片介紹

51單片機是對兼容Intel8051指令系統的單片機的統稱。由于其較為完善的結構和豐富的指令系統，加之操作簡單易學，在高校相關課程中得到廣泛使用。本次設計使用的型號為STC89C52，由宏晶科技開發推出，指令代碼與其他8051單片機完全兼容。

圖1 系統總框架圖

1.3 電路設計

單片機最小系統包括時鐘電路、電源和復位電路，是單片機工作的最低基本要求。

1.3.1 時鐘電路

STC89C52單片機內含增益反相放大器，可以通過石英晶振調節振蕩頻率。由于本次設計主要采用串口通信的方式，故采用11.0592M的晶振。為了穩定和調節晶振頻率，晶振上會并聯一個30pF左右的小電容。

圖2 主控芯片

1.3.2 復位電路

STC89C52單片機內含增益反相放大器，可以通過石英晶振調節振蕩頻率。由于本次設計主要采用串口通信的方式，故采用11.0592M的晶振。為了穩定和調節晶振頻率，晶振上會并聯一個30pF左右的小電容。

1.4 溫度傳感器DS18B20電路設計

DS18B20是常用的數字溫度傳感器，輸出信號為數字信號，具有體積小，價格開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。

DS18B20還具有以下優點：（1）DS18B20與微處理器連接時通過單線連接即可實現與微處理器的雙向通訊；（2）供電方式靈活，工作電壓為3.0～5.5V，可通過數據線供電；（3）測溫范圍大，在-55℃～+125℃之間。分辨率高，可實現高精度測溫[1]。

圖3 溫度傳感器電路設計

1.5 電源指示電路設計

電路板使用自鎖按鍵作為開關，并通過LED燈的亮滅指示電路的通斷，簡單有效。

1.6 串口防倒灌電路

電流倒灌是指電流流進相關引腳，為防止電路板燒毀，需要對這種異常情況進行考慮。為解決倒灌問題，本次設計加入了防倒灌電路，主要通過一個上拉電阻和二極管實現。利用二極管的特性控制高低電平，有效地解決了電流倒灌問題。

圖4 電源指示電路設計

圖5 串口防倒灌電路設計

2 系統上位機設計

在完成溫度采集系統硬件電路的設計后，必須再設計一個合適的軟件來實現溫度的采集與顯示，測量結果的記錄和處理等，構成一個完整的多點溫度采集系統。而傳統的上位機軟件通常采用VB編程語言，較為復雜，本系統采用由NI公司研發的國際上唯一一個圖形化編輯語言Labview編程語言來實現。它將復雜的代碼編程轉化成菜單的選擇功能或圖標，從而使得編程者采用連線的方式就能將所有功能和圖形連接起來[2]，更容易實現程序的開發，大大提高編程效率。

本系統主要由數據采集、數據報警、數據處理和數據存儲四大部分構成。

數據采集環節，本系統采用DS18B20完成溫度采集，所以顯示范圍從-55℃到125℃，溫度分辨率設置為0.1℃。連上板子后并打開軟件后，測量者首先完成對串口選擇、采樣時間間隔和采樣數量的設定，選擇啟動后，單片機驅使DS18B20溫度傳感器采集到的溫度通過串口通信進入到VISA中，并通過VISA的讀取函數將信息傳遞到緩沖區中。

圖6 軟件界面圖

數據處理環節，Labview讀取數據緩沖區中的離散的溫度數據，并通過其圖形顯示控件逐點連線，實現不同通道的不同顏色溫度波形顯示，同時實時記錄各個通道溫度的最大值、最小值和平均值[3]，以便更于直觀的觀察和分析數據。

數據報警環節，利用VISA寫入模塊將我們所設定的溫度報警上下限傳給單片機，當采集到的溫度大于門限時，系統會通過指示燈變紅和警報聲來實現超溫警告，并中斷控溫從而保證安全。

數據存儲環節，采用了NI公司特有的數據保存格式TDMS文件，實現初始數據存儲功能，以便后續隨時提取數據進行統計處理。

3 總結

本設計主要分為硬件設計和軟件設計兩個部分：在硬件設計部分，通過多方面比對選擇合適的器件完成硬件的配置；在軟件設計部分，利用LabVIEW設計完成數據的采集、顯示等功能，使得溫度觀測更為直接。

在這個過程中我們了解了STC89C52單片機，了解了單片機的外圍電路設計，使我們加深了對LabVIEW虛擬儀器的各種控件的了解，使我們能更加熟練LabVIEW虛擬儀器，在系統軟件部分的設計過程中，我們提高了我們的編程能力。本次的系統設計提高了我們的獨立思考能力與實際動手能力，同時也提高了我們將理論知識與實踐結合起來的能力，為我們以后的發展奠定一個良好的基礎。