基于单片机控制的粮仓多路温度采集系统设计

张树尉，郑雪梅

(黄冈职业技术学院，湖北 黄冈 438002)



基于单片机控制的粮仓多路温度采集系统设计

张树尉，郑雪梅

(黄冈职业技术学院，湖北 黄冈 438002)

摘要：本设计由3个模块组成：主控制器、温度采集电路及显示电路。所设计的多路温度采集系统，可实现多个粮仓的温度监视，测温范围为-20～70℃，精度误差在0.1℃以内，LED数码管直读显示。

关键词：数字温度计;AT89S51;DS18B20;单总线

温度的测量不仅广泛用于我们的日常生活之中，而且在工业加工生产、科研研究中起着至关重要的作用。一般对于温度的测量采用由热电偶式传感器组成的测量电路，这种电路具有设计复杂、测量灵敏度较低、性价比低的缺点。本文设计一种多路温度采集系统，实现多个粮仓的温度监视，要求测温范围为-20～70℃，精度误差在0.1℃以内，LED数码管直读显示。依据测量指标的要求，采用DALLS公司的单总线数字式温度传感器DS1820作为温度检测传感器，该传感器测量范围大，内部集成了模数转换器，最高分辨率高达12位。相对于热电偶传感器，该芯片采用单总线接口协议，实现数据的采集与传输，大大降低硬件设计的难易度，设计成本低廉，广泛适用于测控领域。

1总体设计方案框图

图1　数字温度计总体电路结构框图

根据设计的指标和要求，多个粮仓的温度测量系统主要由以下几个部分组成：

1.1控制器单元电路。控制器采用AT89S51单片机，负责与传感器DS18B20通信，存储不同粮仓的温度数据，同时将温度数据发送到显示电路。

1.2传感器测量电路。每个粮仓安放DS18B20传感器，负责对温度的测量。

1.3温度显示电路。采用4位共阳LED数码管显示，以动态扫描法实现温度显示，将单片机发送的数据显示在Led数码管上。

数字温度计总体电路结构框图如图1所示。

2系统整体硬件电路

2.1主控制器

图2　主控制器89S51

图2为主控制器电路，由12M无源晶振组成的振荡电路，开关S1与10uf电容组成的复位电路，用于重启系统，保证系统正常的运行。

XTAL1脚为片内振荡电路的输入端，XTAL2脚为片内振荡电路的输出端。89S51的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在XTAL1和XTAL2脚外接石英晶体(频率为1.2～12MHz)和振荡电容，振荡电容的值一般取10～30pF，典型值为30pF；另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入，如图3所示。 此次设计采用了内部时钟方式。[2]

图3　89S51的时钟振荡方式

2.2温度采集电路

图4　DS18B20温度采集

温度采集如图4，图中的U3、U4、U5是用于探测温度并将温度值转换成数字信号的传感器DS18B20, DS18B20采用1-Wire总线(单总线)协议,它在一根数据线完成控制字的写入和测量温度数据的读出，是一种半双工的双向传输模式，多个DS18B20传感器通过地址码来区分。由于单片机AT89S51硬件上并不支持单总线协议，通过AT89S51来控制和访问DS18B20时，需要通过编程模拟单总线的协议时序来实现对DS18B20的访问。

对读写的数据位有着严格的时序要求，每一次命令和数据的传输都是由主机启动的写时序开始，此时从设备都处在侦听状态，数据和命令的传输顺序都是低位在先。在读取DS18B20检测到的温度数据时，主机在发出写命令后，再需启动读时序完成数据接收。

2.3显示电路

图5　显示电路

显示电路采用4位共阳LED数码管，从P0口输出段码通过74HC244进行缓存，再同时送入到四个数码管的a～h端，列扫描用P2.0～P2.3口来实现，列驱动用9012三极管。

2.4稳压电路

图6　稳压电路

连接器CON3通过复读机电源接入+12V电压，通过7805稳压器将+12V电压转换成+5V电压，作为温度计设计电路的电源VCC。

2.5通信接口电路

图7　通信接口电路

89S51的P1口的第二功能(ISP功能)，为了能够将编译好的程序下载到单片机内，由于本系统采用AT89S51，采用ISP技术，利用如表1中的P1口，来实现单片机与上位机(PC机)通信，实现程序的下载，P1是带上拉电阻，兼有输入和输出功能的引脚。输出时驱动电流可达10mA左右。

表1　单片机ISP功能引脚分配

此模块做在另一块板上，通过导线将图中74LS373的MISO,MOSI,SCK分别接到89S51的MISO,MOSI,SCK端口上即可。

3系统软件程序

由图8、图9可知，系统软件设计组要由温度显示刷新模块、温度传感器DS18B20的初始化、温度数据的读取、实际温度的计算等组成。

3.1主程序

图8为系统设计主程序,一开始完成对设备的初始化，接着开启定时器记录刷新时间，每隔一秒完成对数据的读取与刷新，然后实现对温度的显示。

图8　主程序流程图

图9　读出温度子程序流程图

3.2读出温度子程序

读出温度子程序流程如图9所示，在对DS18B20进行复位后，AT89S51向所有DS18B20发匹配ROM命令(即区分安装在各个位置的DS18B20的地址码)，各个DS18B20收到此地址码后立即进行判断是否在访问自己，如果地址匹配，则该DS18B20发出应答信号，AT89S51紧接着发出读取命令，地址匹配的DS18B20收到此命令后便将采集到的温度数据进行CRC编码(在温度数据后附加8位的CRC校验码)并存放到一个9字节的RAM中，AT89S51读取DS18B20中9字节RAM中的数据并进行CRC校验，CRC正确时改写当前的温度值，校验有错时不进行温度数据的改写。

3.3计算温度子程序

计算温度子程序流程图如图10所示，从DS18B20中RAM中读取的是二进制代码代表的温度值，我们日常生活中的温度都为十进制显示，结合DS18B20输出的二进制数据的格式，通过温度转换子程序，实现二进制数据与十进制摄氏温度的转换，这样才能输出我们要求的温度格式。

3.4温度显示更新程序

温度每时每刻都在发生着轻微的变化，为了能够实时显示正确的温度，就要定时刷新数据，如图11所示，该程序实现了对温度数据的更新功能，对单片机存储的温度数据进行处理，进行温度的正负判断，以及位数处理。

图10　计算温度子程序流程图

图11　显示数据刷新子程序流程图

3.5温度数据的计算处理方法

DS18B20的转换精度可在9～12位之间选择，分辨率分别为0.5℃、 0.25 ℃、 0.125℃ 、0.0625℃，转换精度越高所需的A/D时间也越长，9字节RAM中前两个字节是转换好的温度，在对于12位转换精度，除了最高的4位表示正负符号外，根据温度传感器低的12位二进制数字，转换成十进制数据，将该数据乘以12精度的灵敏度0.0625，所得到的十进制数据则为单位为摄氏度的温度值。

温度显示数据的小数位是由9字节RAM中低字节的低半字节组成的，由于12位转换精度的分辨率是0.0625℃，介于0.1℃～0.01℃之间，由于是用半个字节(0～F)表小数部分，直接通过乘以0.0625转换成的十进制小数值需要占用4位小数，实际应用中通常精确到0.1℃，用1位LED显示小数，这就需要将15种二进制码对应成10种十进制数，表2列出了一种二进制和十进制的近似对应关系表[2]。

表2　小数部分二进制和十进制的近似对应关系表

4调试及性能分析

系统的调试包括硬件电路调试和软件调试，由于硬件电路并不复杂，而且全部都是数字电路，只要焊接良好，没有短路和断路情况出现电路即可正常工作。由于采用了模块化的设计方法，软件调试可以先进行各功能子程序的单独调试通过，再逐步将各功能模块往里添加进来，每添加一个功能模块调试成功后再添加一个功能模块，直到所有功能模块能同时正常工作。由于DS18B20跟AT89S51之间采用串行数据通信，在编程时严格按照DS18B20芯片手册上的时序，来实现对芯片数据的采集，不然将得到的错误的数据。

性能测试是用精度为0.01℃温度计和本温度测试系统各自测量值的比较来完成的，通过实测对比，在-20～50℃的温度范围内，二者的最大绝对误差都在±0.05℃以内，完全适合一般的应用场合，可用三节干电池供电做成手持电子温度计。

参考文献：

[1]张俊谟.单片机中级教程. 北京：北京航空航天大学出版社，1999:11-100.

[2]李光飞,楼然苗,胡佳文等.单片机课程设计实例指导. 北京：北京航空航天大学出版社，2004:105-125.

[3]夏路易,石宗义. 电路原理图与电路板设计教程Protel 99SE. 北京： 北京希望电子出版社社,2002:1-203.

[4]李军. 51系列单片机高级实例开发指南. 北京：北京航空航天大学出版社， 2004:10-50.

中图分类号:TP368

文献标志码：A

文章编号：1671-1602(2016)08-0035-03

作者简介：张树尉(1995.09-)，男，湖北黄冈市人。

郑雪梅(1995.11-)，女，湖北黄冈市人，黄冈职业技术学院2014级物联网应用技术专业在校学生。