基于單片機和PC串口通信的測溫系統

　　摘要：介紹了以AT89S52單片機為核心的溫度控制系統的工作原理和設計方法。系統由芯片DS18B20采集溫度信號傳輸給微控制器，通過外圍設備LCD1602顯示現場溫度值，并設計上位機程序通過串口通信實時獲取溫度。系統設計包括硬件電路設計、軟件設計。單片機程序采用C51，在KEIL開發環境中調試通過完成；PC后臺軟件采用VB6.0完成。給出了前后臺軟件設計流程圖。zui后給出了設計實現的硬件實物圖和采集到的前后臺溫度顯示結果。
　　
　　溫度是工業控制中主要的被控參數之一，在日常生活及工農業生產中經常要用到溫度的檢測及控制，因此研究溫度的測量方法和裝置具有重要的意義。傳統方法多以熱電阻和熱電偶等為溫度傳感元件，而這種模擬溫度傳感器輸出為模擬信號，必須經過A/D轉換環節獲得數字信號后才能與單片機等微處理器接口，使得硬件電路結構比較復雜、抗干擾性差、布線麻煩以及成本高等缺點。
　　
　　針對上述問題，該設計提出了基于Dallas半導體公司的數字式溫度傳感器DS18B20[1-2]和ATMEL公司AT89S52單片機構成的溫度測量系統，并可通過串口連接在PC系統上進行實時顯示，該系統安裝簡易，可靠性高，適用于惡劣環境的現場溫度測量。
　　
　　1、系統構成
　　
　　測溫系統由微控制器、溫度采集、串口通信、LCD顯示和上位機顯示等幾部分組成，如圖1所示。　　　　
　　數據采集流程為：單片機AT89S52獲取溫度傳感器DS18B20采集的溫度值，經處理后傳輸給LCD1602現實，并且通過串口通信上傳給上位機，供上位機顯示。
　　
　　1.1DS18B20數字式溫度傳感器
　　
　　DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據實際要求通過簡單的編程讀取9～12位數字溫度值。DS18B20的性能特點如下：
　　
　　①適應電壓范圍更寬（3.0～5.5V），在寄生電源方式下可由數據線供電；
　　
　　②*的單線接口方式。與微處理器連接時僅需要一條線即可實現雙向通訊；
　　
　　③DS18B20支持多點組網功能；
　　
　　④DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在一只形如三極管的集成電路內；
　　
　　⑤溫范圍－55℃～＋125℃，在-10～+85℃時精度為±0.5℃；
　　
　　⑥可編程的分辨率為9～12位，對應的分辨率分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實現高精度測溫；
　　
　　⑦轉換時間為93.75ms（9位）和750ms（12位），對于一般的實時測溫系統已經足夠了；
　　
　　⑧測量結果直接輸出數字溫度信號，以丹總線串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有*的抗干擾糾錯能力；
　　
　　⑨負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發熱而燒毀，但不能正常工作。
　　
　　1.2RS_232串口通信標準
　　
　　RS_232C是美國電子工業協會（EIA）制定的異步串行通信中應用zui廣的標準總線。該標準適用于數據傳輸速率在0~20Kbps范圍內的通信，已成為數據終端設備DTE與計算機和數據通信設備DCE的接口標準，是PC機與通信工業中應用zui廣泛的一種串行接口。其工作電平規定如下：對于數據（邏輯“1”的電平低于-3V；邏輯“0”的電平高于+3V）。對于控制信號（“信號有效”的電平高于+3V，“信號無效”的電平低于-3V）。在實際工作中應保證電平在±（3～15）V。其串行口的9根針腳功能有其固定的定義。該設計中，只要用RXD和TXD兩條數據線即可。
　　
　　1.3AT89S52
　　
　　AT89S52是一款低功耗、高性能CMOS工藝8位微控制器，攜有8K在系統可編程Flash存儲器。與80C51產品指令和引腳*兼容。使其能為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52還含有：256字節RAM、32位I/O口線、看門狗定時器、2個數據指針、三個16位定時器/計數器、一個6向量2級中斷結構、全雙工串行口、片內晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保模式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。
　　
　　1.4LCD1602顯示模塊
　　
　　液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內容豐富、超薄輕巧等優點，在袖珍式儀表和低功耗應用系統中得到廣泛的應用。目前字符型液晶顯示模塊已經是單片機應用設計中zui常用的信息顯示期間，LCD1602液晶顯示模塊可以顯示兩行，每行16個字符，其字符發生器ROM中自帶數字和英文字母及一些特殊符號的字符庫，沒有漢字。利用LCD1602可以建立8個6×8點陣自定義字庫的特點。它采用單+5V電源供電，外圍電路配置簡單，價格便宜，具有很高的性價比。
　　
　　LCD1602的驅動方式有并口驅動和串口驅動兩種，并口驅動須占用單片機大量寶貴的I/O接口；而串口驅動須在單片機的UART接口空閑的基礎上。其主要功能如下：40通道點陣LCD驅動、可選擇當作行驅動或列驅動、輸入/輸出信號：輸出能產生20×2個LCD驅動波形；輸入接受控制器送出的串行數據和控制信號，偏壓（V1∽V6）、通過單片機控制將所測的頻率信號讀數顯示出來。
　　
　　2、硬件系統設計
　　
　　2.1溫度采集電路
　　
　　在設計電路時，要想使DS18B20能夠進行的溫度轉換，I/0線必須在轉換期間保證供電。由于DS18B20的工作電流達到了1mA，所以僅靠5K上拉電阻提供電源是不行的，當幾只DS18B20掛在同一根I/0線上并同時想進行溫度轉換時，這個問題變得更加尖銳。考慮到本系統只進行單點測量，故采用從VDD引腳接入一個外部電源的方法。
　　
　　2.2主控電路及復位電路
　　
　　AT89S52具有多種封裝形式，該系統為便于焊接，采用PDIP封裝形式。AT89S52單片機內資源豐富，為解決該系統的設計提供了多種多樣的方案設計，該系統占用AT89S52I/0端口P1、P2、P3的部分資源。
　　
　　2.3電平轉換電路
　　
　　RS_232是用正負電壓來表示邏輯狀態，與TTL以高低電平表示邏輯狀態的規定不同，因此，為了能夠同計算機接口或終端的TTL器件連接，必須在RS_232與TTL電路之間進行電平和邏輯關系的變換，實現這種變換的方法可用分立元件，也可以用集成電路芯片。考慮到數據的雙向傳遞性，該系統采用MAX232芯片，可以完成TTL到RS_232雙向電平轉換。
　　
　　2.4顯示電路
　　
　　LCD1602是常見的液晶顯示器，其特點是讀寫簡易，顯示精度高，與用動態數碼管顯示相比其占用資源較少，且顯示數據穩定，抗*力強。
　　
　　2.5硬件構成總電路圖
　　
　　系統整體硬件電路包括溫度采集電路、主控制器電路、電平轉換電路和顯示電路這四部分，電路如圖2所示。　　　　
　　3、軟件系統設計
　　
　　3.1下位機軟件設計
　　
　　下位機程序設計包含三部分：微控制器的初始化、對DS18B20的訪問和對LCD1620的讀寫。AT89S52是該系統的核心部分，控制著溫度的轉換以及讀取溫度數值并轉化成十進制數以及相應的ASCII值在1602上進行顯示，通過RS232供PC機讀取溫度值。其主要工作流程為：初始化內部部件以達到環境運行要求、初始化DS18B20以及LCD1602；讀取溫度值并將采集到的數據進行相應的轉化傳送到1602上進行顯示；當遇到中斷時，進入中斷服務函數，檢查上位機是否向其請求發送數據。一旦檢測到正確的請求即將讀取的溫度數值按照一定的格式放到緩沖器中，直到數據發送結束，返回中斷點繼續執行原函數。流程圖如圖3（a）所示。
　　
　　3.2上位機軟件設計
　　
　　為方便進行遠程控制可將采集到的溫度數據通過RS_232口傳輸到控制中心的電腦上，以便實時監測。采用VB6.0[4]作為開發平臺，可快速地完成軟件的開發設計。
　　
　　采用ViusalBasic開發串口通信程序主要有兩種方法：①使用MSComm串口控件；②調用WindowAPI函數。
　　
　　使用MSComm串口控件實現通信的方法比調用API動態鏈接庫函數的方法方便、快捷、而且用編寫代碼量少的有點，可以大大地提高編程效率和系統設計的穩定性。該部分軟件完成窗體的設計，設置Timer的間隔為300ms，完成MSComm控件的添加，設置其相應的屬性，對所得的數據進行分析計算并在窗口中顯示。流程圖如圖3（b）所示。　　　　
　　4、結語
　　
　　這里項目根據實際需要完成了測溫系統的設計和實現。
　　
　　包括：整體架構設計、下位機底層硬件和軟件的具體實現、PC串口上位機軟件設計，較好地達到了預期目的。系統實物圖如圖4所示，前后臺溫度顯示如圖5（a）、圖5（b）所示。
　　
　　系統充分利用了DS18B20微型化、低功耗、高性能、抗*力強等優點，將溫度數據通過串口傳輸到上位機進行統一管理，有利于溫度數據的保存和查詢，節省了人力成本。
　　
　　該系統可應用于較多的測溫場合。更的基于嵌入式系統和無線傳感網絡的測溫系統目前也是人們研究的熱點。下一步的工作將展開基于反饋控制的溫控系統設計。