帶串口通信的溫度監(jiān)測儀器設(shè)計
摘要：本設(shè)計采用的主控芯片是ATMEL公司的AT89C51單片機，數(shù)字溫度傳感器是DALLAS公司的DS18B20。本設(shè)計用數(shù)字傳感器DS18B20測量溫度，測量精度高，傳感器體積小，使用方便。所以本次設(shè)計的數(shù)字溫度計在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、日常生活中都有廣泛的應(yīng)用。
隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實現(xiàn)，能夠獨立工作的溫度檢測和顯示系統(tǒng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。單片機技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用社會生活的各個領(lǐng)域，已經(jīng)成為一種非常實用的技術(shù)。51單片機是最常用的一種單片機。本次設(shè)計的數(shù)字溫度計采用的是DS18B20數(shù)字溫度傳感器，DS18B20是一種可組網(wǎng)的高精度數(shù)字式溫度傳感器，并可使測量電路變得簡單、可靠。
1 總體功能
基本實現(xiàn)串口通信程序，實現(xiàn)當儀器通過串口接收到字符“A”時，儀器通過串口發(fā)送內(nèi)容格式為“DD.DTDDU”的字符串，其中第1-4位“DD.D”為采集的溫度，第5位為字符“T”，為溫度標識，第6-7位“DD”為溫度上限值，第8位為字符“U”，為溫度上限值標識。
2 硬件設(shè)計
放置器件有1個AT89C51單片機，1個DS18B20溫度傳感器，1個COMPIM串口,1個RESPACK-8,1個Buzzer，1個LED-GREEN,1個CRYSTAL,5個10k電阻和5個按鈕，3個1nF電容。
AT89C51單片機: 4k 字節(jié)Flash 閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。
VCC：供電電壓。
GND：接地。
P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須接上拉電阻。
P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為低八位地址接收。
P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。
P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。
P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管腳 備選功能
P3.0 RXD（串行輸入口）
P3.1 TXD（串行輸出口）
P3.2 /INT0（外部中斷0）
P3.3 /INT1（外部中斷1）
P3.4 T0（計時器0外部輸入）
P3.5 T1（計時器1外部輸入）
P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）
P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）
P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。
RST：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。
ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。
/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。
/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。
XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。
XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。
采用集成芯片DS18B20:DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，每一片芯片內(nèi)部都有一個全球惟一的64 位編碼，在多路測溫時就是通過匹配這個編碼(ID)來確定下一步對那一個溫度傳感器進行操作，故在同一總線上可以掛接多個傳感器芯片。該芯片具有三引腳TO-92小體積封裝形式，DS18B20數(shù)字溫度計是DALLAS公司生產(chǎn)的1－Wire器件，即單總線器件，具有線路簡單，體積小等特點。DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，在不同的場合當中其“封裝”形式多樣，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。故DS18B20的體積小，使用方便，封裝形式多樣等優(yōu)點，使其特別適合在一些空間比較小以及溫度變化的速度比較緩慢的環(huán)境中工作。
DS18B20的64位ROM的結(jié)構(gòu)開始8位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48位，最后8位是前面56位的CRC檢驗碼，這也是多個DS18B20可以采用一線進行通信的原因。溫度報警觸發(fā)器TH和TL，可通過軟件寫入戶報警上下限。
DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EEPRAM。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。
頭2個字節(jié)包含測得的溫度信息，第3和第4字節(jié)TH和TL的拷貝是易失的，每次上電復(fù)位時被刷新。第5個字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率，DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。
當DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1、2字節(jié)。單片機可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625℃／LSB形式表示。
3 單片機程序設(shè)計（宋體，小四，加粗）
3.1 主程序
3.2 各程序模塊
3.2.1 溫度采集程序模塊
使用DS18B20溫度傳感器進行測量，其中1引腳接地，2引腳接AT89C51的P3.7引腳，3引腳接電源。
#include"temp.h"
void Ds18b20WriteByte(unsigned char dat)
{
unsigned int i,j;
for(j=0;j<8;j++)
{
DSPORT=0; //每寫入一位數(shù)據(jù)之前先把總線拉低1us
i++;
DSPORT=dat&0x01; //然后寫入一個數(shù)據(jù)，從最低位開始
i=6;
while(i--); //延時68us，持續(xù)時間最少60us
DSPORT=1; //然后釋放總線，至少1us給總線恢復(fù)時間才能接著寫入第二個數(shù)值
dat>>=1;
}
}
unsigned char Ds18b20ReadByte()
{
unsigned char byte,bi;
unsigned int i,j;
for(j=8;j>0;j--)
{
DSPORT=0;//先將總線拉低1us
i++;
DSPORT=1;//然后釋放總線
i++;
i++;//延時6us等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定
bi=DSPORT; //讀取數(shù)據(jù)，從最低位開始讀取
/*將byte左移一位，然后與上右移7位后的bi，注意移動之后移掉那位補0。*/
byte=(byte>>1)|(bi<<7);
i=4; //讀取完之后等待48us再接著讀取下一個數(shù)
while(i--);
}
return byte;
}
void Ds18b20ChangTemp()
{
Ds18b20Init();
Delay1ms(1);
Ds18b20WriteByte(0xcc); //跳過ROM操作命令
Ds18b20WriteByte(0x44); //溫度轉(zhuǎn)換命令
}
void Ds18b20ReadTempCom()
{
Ds18b20Init();
Delay1ms(1);
Ds18b20WriteByte(0xcc); //跳過ROM操作命令
Ds18b20WriteByte(0xbe); //發(fā)送讀取溫度命令
}
int Ds18b20ReadTemp()
{
int temp=0;
unsigned char tmh,tml;
Ds18b20ChangTemp(); //先寫入轉(zhuǎn)換命令
Ds18b20ReadTempCom(); //然后等待轉(zhuǎn)換完后發(fā)送讀取溫度命令
tml=Ds18b20ReadByte(); //讀取溫度值共16位，先讀低字節(jié)
tmh=Ds18b20ReadByte(); //再讀高字節(jié)
temp=tmh;
temp<<=8;
temp|=tml;
return temp;
}
3.2.2 液晶顯示和聲光報警程序模塊
使用LM016L液晶進行顯示，其中1引腳VSS接地，2引腳VDD和3引腳VEE接電源。4引腳RS接單片機AT89C51的P2.6引腳， 5引腳RW接單片機AT89C51的P2.5，引腳6 E接單片機AT89C51的P2.7引腳，7引腳到14引腳即D0到D7分別接P0.0到P0.7。
void LcdDisplay(int temp) //lcd顯示
{
unsigned char i, datas[] = {0, 0, 0, 0, 0}; //定義數(shù)組
float tp;
LcdWriteCom(0x80); //寫地址 80表示初始地址
tp=temp;
temp=tp*0.0625*100+0.5;
if((temp/100)>(SETTEMP-1))
{
beep=0;
}
else
{
beep=1;
}
//留兩個小數(shù)點就*100，+0.5是四舍五入，因為C語言浮點數(shù)轉(zhuǎn)換為整型的時候把小數(shù)點
//后面的數(shù)自動去掉，不管是否大于0.5，而+0.5之后大于0.5的就是進1了，小于0.5的就
datas[1] = temp % 10000 / 1000;
datas[2] = temp % 1000 / 100;
datas[3] = temp % 100 / 10;
datas[4] = temp % 10;
str[0]=datas[1]+'0';
str[1]=datas[2]+'0';
str[2]='.';
str[3]=datas[3]+'0';
str[4]='T';
str[5]=SETTEMP/10+'0';
str[6]=SETTEMP%10+'0';
str[7]='U';
LcdWriteCom(0x80); //寫地址 80表示初始地址
LcdWriteData('t');
LcdWriteCom(0x81); //寫地址 80表示初始地址
LcdWriteData('e');
LcdWriteCom(0x82); //寫地址 80表示初始地址
LcdWriteData('m');
LcdWriteCom(0x83); //寫地址 80表示初始地址
LcdWriteData('p');
LcdWriteCom(0x84); //寫地址 80表示初始地址
LcdWriteData(':');
LcdWriteCom(0x85); //寫地址 80表示初始地址
LcdWriteData('0'+datas[1]); //十位
LcdWriteCom(0x86); //寫地址 80表示初始地址
LcdWriteData('0'+datas[2]); //個位
LcdWriteCom(0x87); //寫地址 80表示初始地址
LcdWriteData('.'); //顯示 ‘.’
LcdWriteCom(0x88); //寫地址 80表示初始地址
LcdWriteData('0'+datas[3]); //顯示小數(shù)點
LcdWriteCom(0x89); //寫地址 80表示初始地址
LcdWriteData('C'); //顯示小數(shù)點
LcdWriteCom(0x80+0x40); //寫地址 80表示初始地址
for(i=0;i<=8;i++)
{
LcdWriteData(CNCHAR);
}
LcdWriteCom(0x80+0x40+13);
LcdWriteData('C');
// datas1[0]=SETTEMP/10;
// datas1[1]=SETTEMP%10;
// LcdWriteCom(0x80+0x40+9);
// LcdWriteData(datas1[0]+'0');
// LcdWriteCom(0x80+0x40+10);
// LcdWriteData(datas1[1]+'0');
LcdWriteCom(0x80+0x40+11);
LcdWriteData('.');
LcdWriteCom(0x80+0x40+12);
LcdWriteData('0');
}
3.2.4 串口通信程序模塊
將AT89C51的TXD連接COMPIM的TXD, AT89C51的RXD連接COMPIM的RXD,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接受發(fā)送。
//串口配置
SCON &= (uint8_t)((uint8_t)( ~( UART_MODE | UART_RX ))); //清SM0 SM1 REN
SCON |= (uint8_t)( UART_8BAUDRATE_VOLATILE | UART_RX );
//TIM1配置
TMOD &= (uint8_t)((uint8_t)( ~TIM1_MODE ));
TMOD |= TIM1_MODE_2; //8位自動重裝
PCON = 0x00;
TH1 = 0xFD; //波特率默認配置為9600
TL1 = 0xFD;
TI = 1; //清發(fā)送標志
TR1 = 1; //使能定時器
}
uint8_t drv_uart_rx_bytes( uint8_t* RxBuffer )
{
uint8_t l_RxLength = 0;
uint16_t l_UartRxTimOut = 0x7FFF;
while( l_UartRxTimOut-- ) //在超時范圍內(nèi)檢測數(shù)據(jù)
{
if( 0 != RI ) //檢測是否接收到數(shù)據(jù)
{
RI = 0; //清標志位
*RxBuffer = SBUF; //讀數(shù)據(jù)
RxBuffer++;
l_RxLength++;
l_UartRxTimOut = 0x7FFF;//重置超時檢測
}
}
return l_RxLength; //等待超時，數(shù)據(jù)接收完成
}
4仿真測試分析
基本實現(xiàn)串口通信程序，實現(xiàn)當儀器通過串口接收到字符“A”時，儀器通過串口發(fā)送內(nèi)容格式為“DD.DTDDU”的字符串，其中第1-4位“DD.D”為采集的溫度，第5位為字符“T”，為溫度標識，第6-7位“DD”為溫度上限值，第8位為字符“U”，為溫度上限值標識。
且AT89C51單片機雙擊加入hex文件，雙擊串口進行設(shè)置，如波特率，串口號，校驗位等，使用虛擬串口軟件虛擬串口線，用串口調(diào)試助手進行仿真調(diào)試。
5.結(jié)語
軟件設(shè)計中，把程序按功能分模塊的話能提高編程效率，把問題一一解決，同時使問題簡單化。
總的來說，自己從這次獨立的課程設(shè)計中收獲了一些知識與經(jīng)驗，一些從書本中學(xué)之不來的東西，不是說理論無用，而這恰恰是在理論的土壤中開出的花朵，是在理論的肩膀望見的更寬廣的道路！成功來之不易，自主動手動腦實踐，小小的成果亦能帶來碩大的喜悅！
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