基于8051單片機(jī)溫度采集及無線發(fā)送

摘要：為了遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，利用溫度傳感器DS18B20的特點(diǎn)，與AT89C51單片機(jī)構(gòu)成實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)系統(tǒng)，并通過LED數(shù)碼管顯示。利用無線傳輸模塊SRWF-1的特點(diǎn)，與單片機(jī)構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸部分，將所測(cè)量的溫度無線傳輸發(fā)送給上位機(jī)。給出了DS18B20，SRWF-1分別和AT89-C51所構(gòu)成系統(tǒng)的應(yīng)用電路和部分程序。通過無線模塊的引入，能較好地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度檢測(cè)系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：8051單片機(jī)；DS18B20；溫度采集；SRWF-1無線模塊

0 引言
    隨著數(shù)字化腳步的加快，越來越多的數(shù)字化產(chǎn)品取代了原有的機(jī)械式儀表，從而大大提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率。然而，多數(shù)情況下，溫度的采集過程只在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示，在增加了工作量的同時(shí)，也可能會(huì)造成很多不便，如進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域。因此，將無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，不僅能大大提高工作效率，同時(shí)也在一定程度上降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。
    本設(shè)計(jì)基于以上兩點(diǎn)，將工業(yè)生產(chǎn)中常用到的溫度進(jìn)行數(shù)字化，并通過無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，在接收方利用無線接收設(shè)備接收實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，從而大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 系統(tǒng)組成
    系統(tǒng)由單片機(jī)、溫度傳感器、串口通信模塊和無線傳輸模塊等幾部分組成。測(cè)溫系統(tǒng)將測(cè)得的溫度通過單片機(jī)在數(shù)碼管上實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)，通過串口通信部分和無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    該設(shè)計(jì)以Atmel公司生產(chǎn)的單片機(jī)AT89C51為核心，以數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為溫度采集，以SRWF-1無線模塊作為無線數(shù)據(jù)傳輸，從而構(gòu)成整體系統(tǒng)。
1．1 單片機(jī)系統(tǒng)
    系統(tǒng)采用AT89C51作為核心控制，配備4位共陰極數(shù)碼管顯示電路。AT89C51是Atmel公司推出的一種低功耗、高性能CMOS 8位微處理器，具有8 KB系統(tǒng)可編程FLASH存儲(chǔ)器；256 B RAM；32個(gè)I／O引腳，分為4個(gè)8位控制端口；看門狗定時(shí)器；2個(gè)數(shù)據(jù)指針；3個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；兩級(jí)中斷優(yōu)先等級(jí)；可編程全雙工串行傳輸端口；片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路；8個(gè)中斷源。其性能完全能夠滿足系統(tǒng)要求。數(shù)碼顯示采用Ytt-410391K四位7段8線數(shù)碼管，作為溫度顯示部分，并用最末一位顯示小數(shù)。
1．2 數(shù)字溫度傳感器DS18B20
    DS18B20是美國Dallas公司生產(chǎn)的一款可編程1-Wire數(shù)字溫度計(jì)。具有精度高，全數(shù)字化，連線少等諸多優(yōu)點(diǎn)。其可直接將采集到的溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過單條數(shù)據(jù)線串行發(fā)送出去，只要嚴(yán)格遵循規(guī)定時(shí)序邏輯和脈沖間隔，就能舍去同步時(shí)鐘信號(hào)線，做到通信期間引腳最少化，達(dá)到溫度采集目的。
1．2．1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部管腳
    數(shù)字式溫度傳感器DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要由四部分組成：64位ROM和單總線接口、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。

    DS18B20 64位閃存ROM的開始8位是產(chǎn)品類型的編號(hào)，接著的48位為每個(gè)器件的惟一序號(hào)，最后8位是CRC校驗(yàn)碼。用于存儲(chǔ)用戶設(shè)定溫度上下限值的非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL，使用時(shí)可通過軟件寫入、設(shè)定報(bào)警上下限值。DS18B20內(nèi)部配有一個(gè)電可擦除的E2PROM，用于存儲(chǔ)TH、TL值，數(shù)據(jù)先寫入內(nèi)部的高速暫存RAM，經(jīng)校驗(yàn)后在傳給E2PROM。RAM中的第5個(gè)字節(jié)為配置寄存器，用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)化分辨率。工作時(shí)按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)精度的溫度值。
    DS18B20具有三引腳To-92小體積封裝形式，如圖3所示；溫度測(cè)量范圍為-55～+125℃，其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可使用寄生電源方式產(chǎn)生；CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，由于其占用微處理器的端口較少，因此可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。

    DSB18B20各引腳介紹如下：GND為地；DQ為數(shù)據(jù)輸入／輸出端；VDD為外接供電電源輸入端(在寄生電源接線方式時(shí)接地)；NC為SOIC封裝的，NC為空引腳。
1．2．2 工作原理
    DS18B20內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號(hào)f0，而高溫度系數(shù)振蕩器則將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)化成頻率信號(hào)f。當(dāng)計(jì)數(shù)器打開時(shí)，DS 18B20則對(duì)f0計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器開通時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對(duì)頻率的非線性給予補(bǔ)償。其測(cè)量的結(jié)果將暫存在溫度寄存器中，可使單片機(jī)方便的將溫度讀出。
    DS18B20的核心是一個(gè)直接的數(shù)字化溫度傳感器，可將溫度值按9 b，10 b，11 b，12 b分辨率進(jìn)行量化，默認(rèn)分辨率為12 b，對(duì)應(yīng)的溫度最小增量分別為0．5℃，0．25℃，0．125℃和0．062 5℃。當(dāng)主機(jī)向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)化命令后，開始溫度轉(zhuǎn)換，檢測(cè)的溫度結(jié)果將存放在兩個(gè)字節(jié)中，最低位LSB在前，最高位MSB為符號(hào)位。其數(shù)據(jù)格式如下：

    其中，高位字節(jié)MSB的高5位為溫度的符號(hào)位，當(dāng)溫度為正時(shí)，該5位為0，溫度為負(fù)時(shí)，統(tǒng)一為1。高位字節(jié)MSB的低3位和低位字節(jié)LSB的高4位共同組成溫度值的整數(shù)部分，低位字節(jié)LSB的低4位為小數(shù)位，采用二進(jìn)制補(bǔ)碼方式存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)。例如，當(dāng)溫度為+125℃時(shí)，輸出溫度為07D0h；當(dāng)溫度為+85℃時(shí)，輸出溫度為0550h；當(dāng)溫度為+25．062 5℃時(shí)，輸出溫度為0191h；當(dāng)溫度為-10．125℃時(shí)，輸出溫度為FF5Eh；當(dāng)溫度為-55℃時(shí)，輸出溫度為FC90h。
1．2．3 硬件設(shè)計(jì)
    將DS18B20的數(shù)據(jù)輸入／輸出端與單片機(jī)AT89C51的P3．7端口相連，并將溫度值通過P1端口顯示出來。硬件原理圖如圖4所示。

1．3 SRWF-1型無線數(shù)據(jù)模塊
    SRWF-1型微功率無線數(shù)傳模塊是上海桑銳電子科技有限公司自主開發(fā)的智能型產(chǎn)品，該產(chǎn)品支持1 200 b／s，2 400 b／s，4 800 b／s，9 600 b／s，19 200 b／s等多種接口波特率，也可根據(jù)需要提供其他非標(biāo)準(zhǔn)接口波特率。
    SRWF-1型微功率無線數(shù)傳模塊具有最大10 dBm(10 mW)的微發(fā)射功率；可提供多種載頻頻率；高抗干擾能力和低誤碼率，可得到實(shí)際誤碼率為10-5～10-6；傳輸距離遠(yuǎn)，在視距下，可靠傳輸距離大于300 m；支持多信道，多速率，可根據(jù)需要擴(kuò)展到16／32信道；雙串口，三種接口方式；智能數(shù)據(jù)控制，無需編制多余程序，較大的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，可一次傳輸無限長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)；低功耗，接收電流小于20 mA，發(fā)射電流小于40 mA，休眠時(shí)電流僅為20μA；高可靠性，體積小，重量輕；兩種接口收發(fā)等待時(shí)間，既能用于高速設(shè)備(如DSP系統(tǒng))也可適用低速系統(tǒng)(如51系統(tǒng))；看門狗實(shí)時(shí)監(jiān)控，使設(shè)備永不死機(jī)。
1．3．1 外形尺寸結(jié)構(gòu)圖
    SRWF-1的外形結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1．3．2 接口定義
    SRWF-1提供1個(gè)9針的連接器(CON1)，其定義基于終端的連接方法如表1所示。

1．3．3 接口參數(shù)
    SRWF-1的左下角有一組5位的短路跳線(J1)，分別定義為ABCDE，設(shè)跳線開路(不插短路器)為狀態(tài)0，跳線短路(插入短路器)為狀態(tài)1。其配置方法為：
    (1)信道頻率
    J1的ABC三位跳線提供8種選擇，可通過設(shè)置ABC的短接狀態(tài)確定使用0～7號(hào)信道，只要在通信網(wǎng)中，ABC的跳線方式相同，就可以相互通信，其對(duì)應(yīng)的頻道如表2所示。

    (2)接口方式選擇
    SRWF-1提供兩個(gè)串口，COM1(CON1的Pin3，Pin4)固定為TTL電平的UART串行口；COM2(CON1的Pin6，Pin7)可通過J1的D位來選擇接口方式：
    D=1(不接短路器)
    COM2=RS 485，RS 485的A／B口
    D=0(接短路器)
    COM2=RS 232，RS 232的TXD／RXD
    J1的E位是用來選擇校驗(yàn)方式的：
    E=0(不插短路器)8E1／801 帶一位校驗(yàn)位
    E=1(插短路器)8N1 不帶校驗(yàn)位
    (3)波特率設(shè)定
    SRWF-1模塊提供1 200／2 400／4 800／9 600 b／s等接口波特率，波特率的設(shè)定可通過改變模塊反面的焊盤跳線(J2～J4)的狀態(tài)來確定。假設(shè)焊盤斷開為0，短路為1，焊盤跳線J4～J2的狀態(tài)和波特率對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

    (4)接口方式選擇
    本設(shè)計(jì)與單片機(jī)串口相連，采用標(biāo)準(zhǔn)RS232接口方式連接，將短路跳線D短接,其示意圖如圖6所示。其他引腳可懸空不接,以免引入干擾。

    選取3號(hào)信道，將短路跳線B，C短接，信號(hào)發(fā)送和接收頻率為431.4588MHz，將兩個(gè)SRWF-1模塊均選取此設(shè)置，則兩個(gè)無線模塊即可相互通信。
    根據(jù)本設(shè)計(jì)的需要，將SRWF-1的焊盤跳線J3，J2短接，從而得到波特率為9 600 b／s。

2 軟件設(shè)計(jì)
2．1 程序流程圖
    系統(tǒng)的程序流程圖如圖7所示。

2．2 部分程序
    DS18B20初始化程序：
    
 

3 結(jié)語
    DS18B20以其簡(jiǎn)單、精度高、測(cè)溫范圍廣而被廣泛應(yīng)用；8051單片機(jī)以其抗干擾強(qiáng)、可靠性強(qiáng)、容易上手等優(yōu)點(diǎn)而廣泛使用；加上SRWF-1的使用，使在溫度采集過程中，可通過無線發(fā)送數(shù)據(jù)，方便使用，減少工作量。