PC串口通信的測(cè)溫系統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)方案 - 全文

　　摘 要：介紹了以AT89S52 單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)由芯片DS18B20 采集溫度信號(hào)傳輸給微控制器，通過外圍設(shè)備LCD1602 顯示現(xiàn)場(chǎng)溫度值，并設(shè)計(jì)上位機(jī)程序通過串口通信實(shí)時(shí)獲取溫度。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)。單片機(jī)程序采用C51，在KEIL 開發(fā)環(huán)境中調(diào)試通過完成;PC 后臺(tái)軟件采用VB6.0 完成。給出了前后臺(tái)軟件設(shè)計(jì)流程圖。最后給出了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的硬件實(shí)物圖和采集到的前后臺(tái)溫度顯示結(jié)果。

　　溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，溫度的檢測(cè)及控制傳統(tǒng)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(hào)，必須經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)獲得數(shù)字信號(hào)后才能與單片機(jī)等微處理器接口，使得硬件電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、抗干擾性差、布線麻煩以及成本高等缺點(diǎn)。

　　針對(duì)上述問題，該設(shè)計(jì)提出了基于Dallas 半導(dǎo)體公司的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20[1-2]和ATMEL 公司AT89S52 單片機(jī)構(gòu)成的溫度測(cè)量系統(tǒng)，并可通過串口連接在PC 系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，該系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)易，可靠性高，適用于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量。

　　1 系統(tǒng)構(gòu)成

　　測(cè)溫系統(tǒng)由微控制器、溫度采集、串口通信、LCD 顯示和上位機(jī)顯示等幾部分組成，如圖1 所示。

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　　圖1 系統(tǒng)組成

　　數(shù)據(jù)采集流程為：?jiǎn)纹瑱C(jī) AT89S52 獲取溫度傳感器DS18B20 采集的溫度值，經(jīng)處理后傳輸給LCD1602 現(xiàn)實(shí)，并且通過串口通信上傳給上位機(jī)，供上位機(jī)顯示。

　　1.1 DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器

　　DS18B20 溫度傳感器是美國(guó)DALLAS 半導(dǎo)體公司推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比，它能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單的編程讀取9～12 位數(shù)字溫度值。DS18B20 的性能特點(diǎn)如下：

　?、龠m應(yīng)電壓范圍更寬(3.0～5.5 V)，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電;

　?、讵?dú)特的單線接口方式。與微處理器連接時(shí)僅需要一條線即可實(shí)現(xiàn)雙向通訊;

　?、跠S18B20 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能;

　?、蹹S18B20 在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在一只形如三極管的集成電路內(nèi);

　?、轀胤秶?55℃～+125℃，在-10～+85℃時(shí)精度為±0.5℃;

　?、蘅删幊痰姆直媛蕿?～12 位，對(duì)應(yīng)的分辨率分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.062 5℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫;

　?、咿D(zhuǎn)換時(shí)間為93.75 ms(9 位)和750 ms(12 位)，對(duì)于一般的實(shí)時(shí)測(cè)溫系統(tǒng)已經(jīng)足夠了;

　?、鄿y(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以丹總線串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC 校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力;

　?、嶝?fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。

　　1.2 RS_232 串口通信標(biāo)準(zhǔn)

　　RS_232C 是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)制定的異步串行通信中應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)總線。該標(biāo)準(zhǔn)適用于數(shù)據(jù)傳輸速率在0~20Kbps 范圍內(nèi)的通信，已成為數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE 與計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE 的接口標(biāo)準(zhǔn)，是PC 機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。其工作電平規(guī)定如下：對(duì)于數(shù)據(jù)(邏輯“1”的電平低于-3V;邏輯“0”的電平高于+3V)。對(duì)于控制信號(hào)(“信號(hào)有效”的電平高于+3V，“信號(hào)無效”的電平低于-3V)。在實(shí)際工作中應(yīng)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(shè)計(jì)中，只要用RXD 和TXD 兩條數(shù)據(jù)線即可。

　　1.3 AT89S52

　　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(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。與80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。使其能為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52 還含有：256 字節(jié)RAM、32 位I/O 口線、看門狗定時(shí)器、2 個(gè)數(shù)據(jù)指針、三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、一個(gè)6 向量2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)、全雙工串行口、片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52 可降至0 Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保模式下，RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。

　　1.4 LCD1602 顯示模塊

　　液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。目前字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最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(gè)字符，其字符發(fā)生器ROM 中自帶數(shù)字和英文字母及一些特殊符號(hào)的字符庫(kù)，沒有漢字。利用LCD1602可以建立8 個(gè)6×8 點(diǎn)陣自定義字庫(kù)的特點(diǎn)。它采用單+5V電源供電，外圍電路配置簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，具有很高的性價(jià)比。

　　LCD1602 的驅(qū)動(dòng)方式有并口驅(qū)動(dòng)和串口驅(qū)動(dòng)兩種，并口驅(qū)動(dòng)須占用單片機(jī)大量寶貴的I/O 接口;而串口驅(qū)動(dòng)須在單片機(jī)的UART 接口空閑的基礎(chǔ)上。其主要功能如下：40 通道點(diǎn)陣LCD 驅(qū)動(dòng)、可選擇當(dāng)作行驅(qū)動(dòng)或列驅(qū)動(dòng)、輸入/輸出信號(hào)：輸出能產(chǎn)生20×2 個(gè)LCD 驅(qū)動(dòng)波形;輸入接受控制器送出的串行數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，偏壓(V1∽V6)、通過單片機(jī)控制將所測(cè)的頻率信號(hào)讀數(shù)顯示出來。

　　2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 溫度采集電路

　　在設(shè)計(jì)電路時(shí)，要想使DS18B20 能夠進(jìn)行精確的溫度轉(zhuǎn)換，I/0 線必須在轉(zhuǎn)換期間保證供電。由于DS18B20 的工作電流達(dá)到了1 mA，所以僅靠5 K 上拉電阻提供電源是不行的，當(dāng)幾只DS18B20 掛在同一根I/0 線上并同時(shí)想進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換時(shí)，這個(gè)問題變得更加尖銳?？紤]到本系統(tǒng)只進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量，故采用從VDD 引腳接入一個(gè)外部電源的方法。

　　2.2 主控電路及復(fù)位電路

　　AT89S52 具有多種封裝形式，該系統(tǒng)為便于焊接，采用PDIP 封裝形式。AT89S52 單片機(jī)內(nèi)資源豐富，為解決該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了多種多樣的方案設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)占用AT89S52I/0 端口P1、P2、P3 的部分資源。

　　2.3 電平轉(zhuǎn)換電路

　　RS_232 是用正負(fù)電壓來表示邏輯狀態(tài)，與TTL 以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同，因此，為了能夠同計(jì)算機(jī)接口或終端的TTL 器件連接，必須在RS_232 與TTL 電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換，實(shí)現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可以用集成電路芯片?？紤]到數(shù)據(jù)的雙向傳遞性，該系統(tǒng)采用MAX232 芯片，可以完成TTL 到RS_232 雙向電平轉(zhuǎn)換。

　　2.4 顯示電路

　　LCD1602 是常見的液晶顯示器，其特點(diǎn)是讀寫簡(jiǎn)易，顯示精度高，與用動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示相比其占用資源較少，且顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。

　　2.5 硬件構(gòu)成總電路圖

　　系統(tǒng)整體硬件電路包括溫度采集電路、主控制器電路、電平轉(zhuǎn)換電路和顯示電路這四部分，電路如圖2 所示。

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　　圖2 系統(tǒng)硬件電路總圖

　　3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　下位機(jī)程序設(shè)計(jì)包含三部分：微控制器的初始化、對(duì)DS18B20 的訪問和對(duì)LCD1620 的讀寫。AT89S52 是該系統(tǒng)的核心部分，控制著溫度的轉(zhuǎn)換以及讀取溫度數(shù)值并轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制數(shù)以及相應(yīng)的ASCII 值在1602 上進(jìn)行顯示，通過RS232供PC 機(jī)讀取溫度值。其主要工作流程為：初始化內(nèi)部部件以達(dá)到環(huán)境運(yùn)行要求、初始化DS18B20 以及LCD1602;讀取溫度值并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化傳送到1602 上進(jìn)行顯示;當(dāng)遇到中斷時(shí)，進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)，檢查上位機(jī)是否向其請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)。一旦檢測(cè)到正確的請(qǐng)求即將讀取的溫度數(shù)值按照一定的格式放到緩沖器中，直到數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束，返回中斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行原函數(shù)。流程圖如圖3(a)所示。

　　3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　為方便進(jìn)行遠(yuǎn)程控制可將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過RS_232 口傳輸?shù)娇刂?a target="_blank">中心的電腦上，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。采用VB6.0[4]作為開發(fā)平臺(tái)，可高效快速地完成軟件的開發(fā)設(shè)計(jì)。

　　采用Viusal Basic 開發(fā)串口通信程序主要有兩種方法：①使用MSComm 串口控件;②調(diào)用Window API 函數(shù)。

　　使用MSComm 串口控件實(shí)現(xiàn)通信的方法比調(diào)用API 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)的方法方便、快捷、而且用編寫代碼量少的有點(diǎn)，可以大大地提高編程效率和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。該部分軟件完成窗體的設(shè)計(jì)，設(shè)置Timer 的間隔為300ms，完成MSComm控件的添加，設(shè)置其相應(yīng)的屬性，對(duì)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算并在窗口中顯示。流程圖如圖3(b)所示。

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　　圖3 測(cè)溫系統(tǒng)程序流程

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　這里項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際需要完成了測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

　　包括：整體架構(gòu)設(shè)計(jì)、下位機(jī)底層硬件和軟件的具體實(shí)現(xiàn)、PC 串口上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，較好地達(dá)到了預(yù)期目的。系統(tǒng)實(shí)物圖如圖4 所示，前后臺(tái)溫度顯示如圖5(a)、圖5(b)所示?！　?/p>

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　　圖4 系統(tǒng)實(shí)物

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　　圖5 測(cè)溫結(jié)果顯示

系統(tǒng)充分利用了DS18B20 微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，將溫度數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理，有利于溫度數(shù)據(jù)的保存和查詢，節(jié)省了人力成本。

該系統(tǒng)可應(yīng)用于較多的測(cè)溫場(chǎng)合。更高級(jí)的基于嵌入式系統(tǒng)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的測(cè)溫系統(tǒng)目前也是人們研究的熱點(diǎn)。下一步的工作將展開基于反饋控制的溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。