國(guó)建嶺

（太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，太原030024）

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常要對(duì)實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行檢測(cè)。在溫度數(shù)據(jù)的采集領(lǐng)域，傳統(tǒng)的方式主要是在多點(diǎn)放置溫度測(cè)量?jī)x器或者是放置溫度計(jì)，進(jìn)行人工讀取實(shí)際數(shù)值。這樣不僅操作維護(hù)不方便，而且還浪費(fèi)大量的人力物力去采集溫度。另外，在一些惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，以人工方式直接去讀取測(cè)量?jī)x器的溫度也不現(xiàn)實(shí)。本文提出了一種基于單片機(jī)技術(shù)和集成溫度傳感器DS 18 B 20的多路溫度測(cè)試儀，該系統(tǒng)可以方便地實(shí)現(xiàn)多路溫度數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集。并且該系統(tǒng)可以與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，以便數(shù)據(jù)報(bào)表的生成與打印，提供良好的人機(jī)界面。該系統(tǒng)具有抗干擾性強(qiáng)、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以高性能、低功耗單片機(jī) MSP430F1232為核心控制器，集成多路溫度傳感器DS18B20、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、LCD液晶顯示模塊、RS232以及電源模塊。單片機(jī)負(fù)責(zé)接收來(lái)自溫度傳感器的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，將需要顯示的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃CD顯示模塊進(jìn)行顯示，同時(shí)對(duì)采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并且還可以通過(guò)RS232接口將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)；溫度傳感器DS18B20采集現(xiàn)場(chǎng)溫度，并將數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)線輸出到單片機(jī)；LCD液晶顯示模塊用來(lái)顯示需要顯示的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)可以通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置溫度報(bào)警預(yù)定值，如果采集到的溫度達(dá)到預(yù)先設(shè)定的溫度值時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)報(bào)警程序進(jìn)行報(bào)警。電源模塊采用LM2574降壓型DC－DC電源變換器。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)以MSP 430 F 1232為核心控制器[1]，P 1口和 P 3口控制顯示電路（12864）；P 2口的（P 2.2、P 2.3、P 2.4、P 2.5）分別外接8路溫度傳感器，構(gòu)成多路溫度采集系統(tǒng)，負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集；通用串口 UATR0（P 3.4、P 3.5）外接 RS232與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；P 3.6、P 3.7模擬串行通信接口與存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；LM 2574為系統(tǒng)提供3.3 V的工作電壓。通過(guò)按鍵K 1、K 2可以預(yù)先設(shè)定各溫度采集點(diǎn)的報(bào)警溫度值。系統(tǒng)硬件電路圖如圖2所示。

2.1 MSP 430 F 1232單片機(jī)

MCU采用德州儀器（TI）的MSP 430 F 1232單片機(jī)，此單片機(jī)是一種超低功耗微控器，采用16位的體系結(jié)構(gòu)，16位的CPU集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)了最大化的代碼效率。包括1個(gè)內(nèi)置16位的定時(shí)器、一個(gè)快速12位A／D轉(zhuǎn)換器，一個(gè)通用串行同步異步通訊接口和22個(gè)I／O端口。它的主要特性：低電源電壓輸入范圍，DC 1.8～3.6 V；超低功耗，2.5 u A ＠4 k Hz，2.2 V；具有5種節(jié)電模式；喚醒時(shí)間小于6 us；12位200 Ksps的A／D轉(zhuǎn)換器，自帶采樣保持；一路串行通訊接口可用于異步通信模式或者同步通信模式；2個(gè)8位并行端口，1個(gè)6位并行端口；片內(nèi)包含8 KB FLASH ROM和256 RAM；1個(gè)通用的16位定時(shí)器，并具有片內(nèi)溫度傳感器。

單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制器，負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、控制液晶模塊內(nèi)容的顯示、與上位機(jī)通訊等。

圖2 系統(tǒng)硬件電路圖

2.2 DS18B20溫度傳感器

DS18B20是美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器芯片，采用3引腳T 0－92小體積封裝；它的測(cè)溫范圍為－55～＋125℃，具有9～12位A／D轉(zhuǎn)換精度，最小溫度分辨率可達(dá)0.062 5℃，以16位補(bǔ)碼方式串行輸出所測(cè)量的環(huán)境溫度；DS18B20的工作電源既可由遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式；多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到2或3根線上，此時(shí)CPU只需用一根端口線就可以實(shí)現(xiàn)與多個(gè)DS18B20傳感器的通信，這樣占用微處理器的端口也比較少，可廣泛用于多路溫度檢測(cè)與控制中[2]。

DS18B20中的溫度傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中溫度的測(cè)量，當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換指令出現(xiàn)后，轉(zhuǎn)換后的環(huán)境溫度以補(bǔ)碼的形式存放在高速暫存存儲(chǔ)器的第0個(gè)和第1個(gè)字節(jié)中。下面以l2位轉(zhuǎn)化為例具體說(shuō)明：用16位擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式提供，以0.062 5℃／LSB的形式表示，其中S為符號(hào)位。表XX是12位轉(zhuǎn)化后所得到的12位數(shù)據(jù)，高字節(jié)的前面5位為符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于0，這5位為0，此時(shí)只要將數(shù)據(jù)乘以0.062 5便可以得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘以0.062 5即可得到實(shí)際溫度[3]。

例如，＋125℃的數(shù)字輸出為07D0H；25.062 5℃的數(shù)字輸出位0191 H；－55℃的數(shù)字輸出為FC90 H。

DS18B20與單片機(jī)的接口電路。DS18B20常采用內(nèi)部寄生電源和外部電源供電兩種方式供電，在連接方式上可分為單片連接和多片連接。前者形成單點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)，后者構(gòu)成多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)[4]。本次設(shè)計(jì)中DS 18 B 20與單片機(jī)連接方式為外部電源供電方式：P 2口的（P 2.2、P 2.3、P 2.4、P 2.5）分別外接8路DQ 18 B 20溫度測(cè)試器，組成32路溫度測(cè)試系統(tǒng)；VCC接3.3 V電源供電。外部電源供電的優(yōu)點(diǎn)是電源穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)、操作方便。

2.3 液晶顯示模塊

為方便溫度信息的顯示，直觀地了解各溫度測(cè)試點(diǎn)的具體溫度，以及溫度測(cè)試點(diǎn)的報(bào)警狀況，本多路溫度測(cè)試儀在設(shè)計(jì)時(shí)集成了帶中文字庫(kù)的液晶顯示模塊。

液晶顯示模塊采用清達(dá)光電公司的HG1286412，它具有8位并行和2線串行接口方式，可以通過(guò)設(shè)置液晶模塊的PSB管腳的電平高低來(lái)控制液晶模塊工作并行或者串行模式，在多路溫度測(cè)試儀中采用單片機(jī)的P1口并行數(shù)據(jù)傳輸方式與液晶顯示模塊相連。它內(nèi)置ST 7920漢字字庫(kù)，可以提供8 192個(gè)16×16點(diǎn)的中文漢字和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCII字符。每屏可顯示4行8列共32個(gè)16×16點(diǎn)陣的漢字和64個(gè)16×8的ASCII字符。只需要向液晶模塊寫(xiě)入相應(yīng)的讀寫(xiě)命令和數(shù)據(jù)就可以將需要顯示的內(nèi)容在液晶模塊上顯示出來(lái)。液晶模塊可以根據(jù)不同的輸入命令分別在液晶屏上顯示中文、ASCII碼字庫(kù)或者自己定義的內(nèi)容。該液晶顯示模塊工作電壓為DC 3.3 V，具有接口方式靈活，控制操作指令簡(jiǎn)單、方便等特點(diǎn)。

HG12864的數(shù)據(jù)輸入輸出端口（DB0～DB7）與單片機(jī)的并行端口P1相連接；RS引腳為指令／數(shù)據(jù)選擇信號(hào)端口，RS為高電平時(shí)單片機(jī)向LCD寫(xiě)入數(shù)據(jù)，RS為低電平時(shí)單片機(jī)向LCD寫(xiě)入指令；R／W引腳為L(zhǎng)CD的讀寫(xiě)選擇信號(hào)端口，R／W高電平時(shí)單片機(jī)讀出LCD端口數(shù)據(jù)，R／W低電平時(shí)單片機(jī)向LCD端口寫(xiě)入數(shù)據(jù)；E引腳為L(zhǎng)CD模塊的使能信號(hào)，高電平有效；分別通過(guò)單片機(jī)的P3.2、P3.1、P3.0引腳進(jìn)行控制。LCD模塊與單片機(jī)的電路連線圖如圖3所示。

圖3 LCD模塊與MSP430F1232的連接原理圖

2.4 電源模塊

系統(tǒng)采用LM2574高性能電壓變換器提供工作電壓。LM2574技術(shù)參數(shù)如下：具有寬電壓輸入范圍（DC7 V～DC40 V）；該芯片可以輸出固定電壓或者可調(diào)電壓；最大輸出電流為0.5 A；外圍電路簡(jiǎn)單，只需外接4個(gè)電子元器件；內(nèi)置固定頻率（52 KHz）振蕩器；轉(zhuǎn)換效率高；具有過(guò)熱及過(guò)負(fù)載保護(hù)功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為方便系統(tǒng)維護(hù)與升級(jí)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序結(jié)構(gòu)，主要由主程序、溫度采集定時(shí)器程序、數(shù)據(jù)顯示程序、溫度設(shè)定程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序以及通信程序等組成。

3.1 主程序

主程序在完成系統(tǒng)初始化后，進(jìn)入上位機(jī)通信查詢、顯示子程序以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序循環(huán)，同時(shí)等待定時(shí)器中斷的發(fā)生，溫度采集采用定時(shí)中斷方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。主程序流程圖如圖4（a）所示。

3.2 溫度采集中斷程序

單片機(jī)與DS18B20之間由單總線連接，空閑時(shí)單總線狀態(tài)為高電平，傳感器處于既可以寫(xiě)入又可以讀取數(shù)據(jù)的狀態(tài)。對(duì)DS18B20的操作主要包括2類：讀取數(shù)據(jù)與寫(xiě)入數(shù)據(jù)，以ROM操作命令或存儲(chǔ)操作命令的形式出現(xiàn)。常用的命令組成：[F0H]識(shí)別總線上的所有傳感器；[33H]讀單個(gè)傳感器的序列號(hào)；[55H]定位某個(gè)傳感器；[CCH]跳過(guò)ROM操作；[4EH]寫(xiě)存儲(chǔ)器；[BEH]讀存儲(chǔ)器；[44H]完成溫度轉(zhuǎn)換。

溫度采集中斷程序通過(guò)定時(shí)器中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)定時(shí)器達(dá)到預(yù)定值時(shí)產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)便進(jìn)入溫度采集程序。進(jìn)入溫度采集程序后，系統(tǒng)將對(duì)需要采集的溫度采集點(diǎn)進(jìn)行選擇，相應(yīng)的溫度傳感器對(duì)單片機(jī)的請(qǐng)求做出響應(yīng)，當(dāng)溫度傳感器完成溫度采集后，單片機(jī)對(duì)采集完成的數(shù)據(jù)讀取。單片機(jī)對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換后得到溫度數(shù)值，并且將溫度數(shù)值進(jìn)行存儲(chǔ)。溫度采集中斷程序流程圖如圖4（b）所示。

圖4 程序流程圖

4 結(jié) 語(yǔ)

單片機(jī)技術(shù)和集成溫度傳感器設(shè)計(jì)的多路溫度測(cè)試儀，具有成本低、精度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。系統(tǒng)硬件以及軟件均采用模塊化設(shè)計(jì)，易于升級(jí)與維護(hù)。經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，為多點(diǎn)溫度采集應(yīng)用場(chǎng)合提供了一款全新的測(cè)試儀器。避免了以往人工記錄存在較大誤差的缺點(diǎn)，該系統(tǒng)具有良好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

[1] 薛小鈴，劉志群，賈俊榮.單片機(jī)接口模塊應(yīng)用與開(kāi)發(fā)實(shí)例詳解[M].北京：北京航空航天出版社，2010.

[2] 明德剛.DS18B20在單片機(jī)溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，23（1）：106－110.

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