基于STC89C51RD單片機的環境溫度感知系統設計

蔡玉輝，張 敏

（中國電子科技集團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，環境溫度監測技術得到了各方面的重視[1]。因半導體技術、通信技術的飛速發展，環境溫度感知系統也變得更加智能化、便捷化、人性化，成為環境監測領域研究的重點。環境溫度感知系統憑借靈活便捷、精度高、可靠性強等優點被廣泛應用于智能家居、工業生產、國防建設等諸多領域。本研究嘗試提出一種環境溫度感知系統的新設計，用以實現對環境溫度信息的全自動實時采集、傳輸、處理，將重要的環境溫度信息與相關預測報告給用戶。

2 系統架構設計

最早的8051系列單片機是由美國英特爾公司生產的MCS51單片機[2]。后來英特爾將MCS51核心技術授權給其他一些公司用于產品研發，比如由美國Atmel公司生產的AT89C51系列單片機、中國宏晶科技公司生產的STC89C51系列單片機等。國內外眾多8051單片機也都是以MCS51內核為基礎開發出來的。因此，為適應不同的需求，內核架構及基本功能可能多少做出一些調整。MCS51指令集是通用的，其驅動代碼幾乎是統一的。

STC89C51RD單片機中包含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RAM作為數據存儲器，此外還有3路定時器、一個UART（通用異步收發器）、通用I/O等資源，具有基本數字信號處理與邏輯控制功能，可以滿足絕大多數嵌入式系統需求。

在系統設計中，采用常見的軟硬件結合的方式，可實現MCU與外設間高效可靠的信息交換[3]。作為系統中的溫度傳感器，DS1820是單總線9位數字式溫度傳感器，測溫范圍可達-55℃～125℃。DS1820小巧精致，只有三個引腳：GND、DQ、VCC；僅需一根數據線就可以與MCU進行通信，完成數據的讀寫操作，具有單點和多點的網絡通信拓撲結構。可以將DS1820溫度傳感器用于過程控制、家庭環境、工業設備、建筑設施的溫度檢測。同時，采用單總線結構能夠大大節省MCU資源，使得系統更加簡潔，MCU利用率更高[4]。

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

設計基于STC89C51RD單片機，所構建的環境溫度感知系統如圖1所示。系統除了STC89C51RD作為微控制器，還包含看門狗電路（復位監控電路）、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系統。

圖1 環境溫度感知系統整體架構

3 硬件電路設計

選用宏晶科技增強型8051內核STC89C51RD單片機作為系統的主控芯片，6/12時鐘模式可選，最高工作頻率可達80MHz[6]。作為系統主體的環境溫度感知電路如圖2所示。

圖2 環境溫度感知電路設計圖

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

STC89C51RD單片機有多個復位源，其一是上電自動復位；其二是手動復位，即給RST引腳一段時間高電平以實現單片機的復位。普通的手動復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。手動復位很難保證單片機復位的穩定性，容易造成復位時間不足進而造成ISP功能不穩定的狀況。對此，增設復位監控電路（看門狗），通過手動按鍵給看門狗MAX813L的/MR引腳低電平，看門狗會產生一個穩定的復位信號，對單片機產生穩定的復位操作。

要實現串口通信功能以及ISP功能，就需要USB轉TTL電平的串口芯片。在此基于南京沁恒公司的CH340G芯片來設計串口通信電路。CH340G需要12MHz的晶振來提供時鐘。當電源為5V時，V3引腳需要對地接104電容。上述兩部分功能所對應電路設計原理如圖3所示。

圖3 復位監控與串口電路設計圖

最終現實的基于STC89C51RD單片機的環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 系統硬件設計實物電路板

通過電源適配器將220V交流電轉換為9V直流電，該電壓經過DC/DC變換器轉變為直流5V，用以系統供電。右側排針接的是8路DS1820溫度傳感器，用于探測8處不同環境的溫度。該系統通過D口USB座與上位機進行通信，同時該接口也被用于ISP下載。

FLASH不能對自己進行讀寫操作，它實現ISP模式的觸發條件是：將單片機PSEN引腳接地，給單片機一個復位操作；RXD口不斷地接收數據，并判斷是否是ISP關鍵字，當識別到關鍵字后，自動調節自己的波特率并給上位機一個的應答，以此與上位機建立握手關系，即可通過ISP上位機軟件如STCISP對單片機的FLASH進行操作。實際上單片機中有2 kB的ISP程序區是堆疊到4 kB的FLASH中，當系統滿足進入ISP功能的條件時，單片機就會自動跳轉到ISP程序并開始進入ISP模式，此時可以對單片機的FLASH進行讀、寫、塊擦除等操作。所設計的ISP電路，不需要更換硬件設備就可以隨時隨地地下載用戶區程序，方便快捷，便于后續的程序調試及升級。

4 系統軟件設計

系統軟件設計包括單片機程序設計與上位機程序設計。

基于KEIL開發環境，所編寫的單片機程序包括：按鍵輸入檢測程序、LED與蜂鳴器控制程序、DS1820讀寫程序、與上位機通信程序、看門狗驅動程序等。其中，關鍵部分為DS1820的操作軟件。為確保數據鏈的完整性，單總線器件對器件的時序要求很高。DS1820相關軟件配置總體分為四步：

(1)復位并初始化DS1820；

(2)對DS1820的ROM進行操作；

(3)對DS1820存儲器進行操作；

(4)完成溫度轉換，處理DS1820返回數據。

溫度讀數以16位的二進制補碼形式存在，再對讀取溫度所得到的二進制數據量進行算法補償，進而獲得較高分辨率，增加DS1820的測溫精度。

系統開始運行后，先與上位機通信，直至握手成功；然后當收到上位機指令后，開始進行數據采集，并傳遞給上位機進行處理與顯示。當采集的8路溫度有一路超出規定范圍或有陡然變化情況發生，STC89C51RD單片機立刻做出動作，對應的指示燈閃爍，蜂鳴器開始嘯叫，在上位機也會做出報警。

設計的軟件部分以VB 6.0為開發平臺。使用VB語言實現的上位機界面如圖5所示。設計完成的軟件具有數據處理、存儲、顯示等多種功能，通過串口與下位機進行實時通信。此設計方式符合當今主流的控制與檢測技術，確保數據傳遞的及時性、可靠性。當系統開始工作時，打開上位機軟件，8路溫度傳感器所檢測到的溫度都實時打印在上位機界面上，界面清晰，可視度好。

圖5 上位機軟件界面

5 結束語

本設計涵蓋硬件電路設計、單片機程序編寫、上位機軟件編寫三個方面。所設計的環境溫度感知系統可以全自動地實時采集被監測的環境溫度，并實時傳遞給上位機；經過上位機處理，做出環境溫度監測、異常報警并報告給用戶。該環境溫度感知系統易于操作、靈敏快捷，滿足了遠程溫度的實時監測與數據記錄的需求，可被廣泛應用于智能家居、工業生產、國防建設等領域。