基于單片機(jī)與計(jì)算機(jī)串口的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并通過(guò)串口連接單片機(jī)與上位計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)分析等功能，解決了常規(guī)溫度測(cè)量方法在溫度測(cè)量實(shí)時(shí)性差、不能儲(chǔ)存數(shù)據(jù)及缺乏數(shù)據(jù)分析功能等方面的缺陷。
關(guān)鍵詞：串口通信；實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控；MSComm控件；DS18B20

    溫度監(jiān)控系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活中有著廣泛的應(yīng)用，但隨著監(jiān)控的面積擴(kuò)大，監(jiān)控點(diǎn)的增加及控制處理趨于智能化等新的應(yīng)用要求出現(xiàn)，傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)已經(jīng)逐漸不適用，首先是不便于觀(guān)察而且不能及時(shí)地對(duì)異常溫度變化做出迅速反應(yīng)，其次是傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)不能儲(chǔ)存大量數(shù)據(jù)，不能對(duì)監(jiān)控的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不便于對(duì)溫度情況進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)和科學(xué)的分析，為了解決以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)能實(shí)時(shí)響應(yīng)溫度并進(jìn)行控制的溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，并且采用與計(jì)算機(jī)串口通信結(jié)合的方式通過(guò)計(jì)算機(jī)增大了系統(tǒng)儲(chǔ)存量，而且在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中收集和處理溫度控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，大幅度的增強(qiáng)了該系統(tǒng)的功能，并具備較強(qiáng)的擴(kuò)展性。
    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，串口通信在諸多領(lǐng)域上得到了廣泛的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)可以通過(guò)串口來(lái)獲取單片機(jī)的各種數(shù)據(jù)，然后利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的功能進(jìn)行處理，再根據(jù)處理的結(jié)果發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制設(shè)備。本設(shè)計(jì)采用上位機(jī)和下位機(jī)的互聯(lián)工作，而計(jì)算機(jī)的分析處理能力較強(qiáng)，有很好的人機(jī)界面和大容量的多種存儲(chǔ)方式，所以上位機(jī)一般采用計(jì)算機(jī)，單片機(jī)具有價(jià)格低，功能強(qiáng)，較好的抗干擾能力和面向控制等特點(diǎn)，所以下位機(jī)采用單片機(jī)來(lái)構(gòu)成互聯(lián)工作模式。由于串行通信具有高效可靠、價(jià)格便宜，遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)等特點(diǎn)，適用于本設(shè)計(jì)的通信要求。

1 硬件設(shè)計(jì)
1．1 電路設(shè)計(jì)
    溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的下位機(jī)由7個(gè)部分組成(詳見(jiàn)圖1)，其中測(cè)量環(huán)境溫度使用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，它將溫度傳感器、A／D傳感器、寄存器、接口電路集成在一個(gè)芯片中，采用1-Wire總線(xiàn)協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字化輸出。DS18B20數(shù)字溫度傳感器溫度測(cè)量范圍為-55～+125℃，測(cè)溫分辨率可達(dá)0．062 5℃，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量進(jìn)行串行輸出，適配各種單片機(jī)或系統(tǒng)機(jī)。使用這種傳感器不需要A／D轉(zhuǎn)換電路，可以大大簡(jiǎn)化電路，溫度測(cè)量精度和速度都大幅提高。

    本設(shè)計(jì)利用MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的互聯(lián)通信。MAX232是低功耗、單電源雙RS 232發(fā)送／接收器，適用于各種EIA-232 E和V．28／V．24的通信接口。MAX232芯片內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器，可以把輸入的+5 V電源變換成RS 232C輸出電平所需±10 V電壓，所以采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只要單一的+5 V電源就可以。在MAX232芯片上，選用其中一路發(fā)送／接收，R2OUT接89C52的RXD(P3．0)，T2IN接89C52的TXD(P3．1)，T2OUT接PC機(jī)的RD，R2IN接PC機(jī)的TD，這樣就能通過(guò)P3．0和P3．1I／O口就實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)互聯(lián)通
信。本設(shè)計(jì)的信號(hào)燈部分一共使用6只LED燈，其中Start燈亮表示單片機(jī)上電工作，RX2(P3．0)燈亮表示接受從PC機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，TX2(P3．1)燈亮表示向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。m1，m2，m3三顆燈分別對(duì)應(yīng)的接口為P2．5，P2．6，P2．7，當(dāng)3個(gè)溫度傳感器探測(cè)的溫度大于設(shè)定值則變亮。
    總體電路設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為中心，整合和控制各部分。本設(shè)計(jì)的單片機(jī)是STC89C52，它通過(guò)XTAL1，XTAL2引腳外接晶振和電容實(shí)現(xiàn)11．0 59 2 MHz的時(shí)鐘周期，這能產(chǎn)生準(zhǔn)確的波特率，有利于串行通信。它的RESET引腳外接電路實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵電平復(fù)位，P1．4～P1．7引腳接有4個(gè)按鍵，實(shí)現(xiàn)時(shí)間和溫度的設(shè)定。單片機(jī)通過(guò)P1．0，P1．1，P1．2引腳讀出3個(gè)溫度傳感器的溫度值，然后通過(guò)P0端口和P2．0，P2．1，P2．2控制液晶板，在液晶上顯示時(shí)間和溫度值。同時(shí)經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部程序，控制信號(hào)燈的亮滅，發(fā)送和接受計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)。
1．2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)
    基于上節(jié)所述的硬件設(shè)計(jì)，編寫(xiě)程序以實(shí)現(xiàn)期望的功能，其中主程序不斷刷新LCD顯示的內(nèi)容，定時(shí)器T0中斷程序用于時(shí)鐘的功能，定時(shí)器T1作為波特率發(fā)生器，串口中斷實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信。
    單片機(jī)剛啟動(dòng)，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的初始化，初始化結(jié)束后，開(kāi)始進(jìn)入工作狀態(tài)，若沒(méi)有到結(jié)束時(shí)間，就進(jìn)行溫度測(cè)量并在液晶板上顯示當(dāng)前溫度值，同時(shí)按鍵掃描程序不斷監(jiān)測(cè)是否有按鍵啟動(dòng)，若S1被按，則進(jìn)入設(shè)定狀態(tài)，定時(shí)器T0中斷關(guān)閉，當(dāng)前時(shí)間停止，液晶板上顯示溫度設(shè)定值和當(dāng)前時(shí)間，可以通過(guò)S2，S3按鍵做修改(如圖2)。

    在工作的過(guò)程中，當(dāng)單片機(jī)接收一個(gè)數(shù)據(jù)會(huì)全部?jī)?chǔ)存在BUF變量里面，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)串口中斷，需要軟件去清除中斷標(biāo)志。然后取出BUF的值，儲(chǔ)存到對(duì)應(yīng)的數(shù)組中。由于傳送的數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單，采用了無(wú)校驗(yàn)的8位數(shù)據(jù)直接傳送模式(如圖3所示)。

2上位機(jī)的程序設(shè)計(jì)
    在串口的幾種編程方式中，利用Microsoft公司提供了MSComm控件，可以使開(kāi)發(fā)串口通信程序變得十分簡(jiǎn)單。VisualBasic是近年來(lái)發(fā)展最快的一種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，其簡(jiǎn)潔和實(shí)用性已經(jīng)受到了眾多計(jì)算機(jī)用戶(hù)和程序員的歡迎，尤其是6．0版本，功能強(qiáng)大且易于掌握，是一種優(yōu)秀的可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境，在VB應(yīng)用程序中調(diào)用MSComm控件也十分容易。采用VB標(biāo)準(zhǔn)控件MSComm來(lái)實(shí)現(xiàn)通信功能，實(shí)際上是調(diào)用了API函數(shù)，而API函數(shù)是由Commdry解釋并傳給設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序執(zhí)行的，對(duì)于VB程序開(kāi)發(fā)者只需知道MSComm控件的屬性和事件的用法即可以實(shí)現(xiàn)串口的操作。本溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的上位機(jī)操作界面正是基于VB的MSComm控件為核心，完成接收和保存數(shù)據(jù)，以及修改單片機(jī)上的參數(shù)。
    系統(tǒng)操作界面啟動(dòng)后，在串口端口和波特率選擇2個(gè)參數(shù)設(shè)置正確后，打開(kāi)串口，這時(shí)計(jì)算機(jī)會(huì)接收從單片機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是一連串的字符，所以對(duì)接收過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)的處理，關(guān)鍵是字符串的處理。通過(guò)設(shè)定參數(shù)的位數(shù)，準(zhǔn)確分離開(kāi)出每一個(gè)參數(shù)的值，然后存入對(duì)應(yīng)的數(shù)組中，并實(shí)時(shí)地顯示在屏幕上，還可以按需把數(shù)據(jù)保存到記事本。同時(shí)在操作界面上修改的數(shù)據(jù)也能通過(guò)串口傳送到單片機(jī)，遠(yuǎn)程控制單片機(jī)。在發(fā)送的數(shù)據(jù)也要嚴(yán)格按照一定的格式進(jìn)行發(fā)送，這樣單片機(jī)才能正確接收，操作界面程序流程如圖4所示。
    本設(shè)計(jì)定義的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)格式如表1所示。

3 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行
    打開(kāi)設(shè)計(jì)好的上位機(jī)軟件后，首先選擇正確的串口，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)通信，然后通過(guò)圖5所示的操作界面可以實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)到這個(gè)溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)所測(cè)量的溫度值和對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)，如有需要可以設(shè)置時(shí)間的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，通過(guò)軟件繪畫(huà)出溫度值的變化曲線(xiàn)，也可以通過(guò)實(shí)時(shí)曲線(xiàn)觀(guān)查溫度的變化情況，這個(gè)設(shè)置方便于長(zhǎng)時(shí)間地觀(guān)察溫度的變化，還可以將數(shù)據(jù)全部保存到軟件里，在需要的時(shí)候進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)分析；而在操作界面上可以很方便對(duì)溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的監(jiān)控時(shí)間段和溫度限制值作修改，當(dāng)測(cè)量的溫度值超過(guò)溫度限制值，設(shè)置好的報(bào)警燈會(huì)閃爍，提醒我們注意。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)AT89C52的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)并通過(guò)串口通信實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與計(jì)算機(jī)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)溫度實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制，計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，長(zhǎng)期數(shù)據(jù)的圖表式保存，該系統(tǒng)已經(jīng)在硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)上成功運(yùn)行。整個(gè)設(shè)計(jì)具有成本低，測(cè)量范圍廣，實(shí)時(shí)操作方便快捷，顯示和儲(chǔ)存的信息量大，可擴(kuò)展功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用在倉(cāng)庫(kù)、溫室大棚、機(jī)房等進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)控制。另外設(shè)計(jì)方案可以擴(kuò)展為網(wǎng)絡(luò)連接，可以突破串口傳送的距離限制，廣泛用于溫度在DS18B20測(cè)溫范圍之內(nèi)的場(chǎng)合，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，將具有更大的應(yīng)用價(jià)值。