基于單片機與計算機串口的溫度實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

摘要：設(shè)計了一種溫度實時監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過單片機實現(xiàn)實時控制，并通過串口連接單片機與上位計算機，在計算機中實現(xiàn)實時監(jiān)控、大容量的數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)分析等功能，解決了常規(guī)溫度測量方法在溫度測量實時性差、不能儲存數(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；實時溫度監(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)控的面積擴大，監(jiān)控點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，首先是不便于觀察而且不能及時地對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)不能儲存大量數(shù)據(jù)，不能對監(jiān)控的數(shù)據(jù)進行分析，不便于對溫度情況進行長期的監(jiān)測和科學(xué)的分析，為了解決以上問題，本文設(shè)計了一個能實時響應(yīng)溫度并進行控制的溫度實時控制系統(tǒng)，并且采用與計算機串口通信結(jié)合的方式通過計算機增大了系統(tǒng)儲存量，而且在計算機系統(tǒng)中收集和處理溫度控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，大幅度的增強了該系統(tǒng)的功能，并具備較強的擴展性。
    隨著計算機技術(shù)特別是單片機技術(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，計算機可以通過串口來獲取單片機的各種數(shù)據(jù)，然后利用計算機強大的功能進行處理，再根據(jù)處理的結(jié)果發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機，實現(xiàn)遠程控制設(shè)備。本設(shè)計采用上位機和下位機的互聯(lián)工作，而計算機的分析處理能力較強，有很好的人機界面和大容量的多種存儲方式，所以上位機一般采用計算機，單片機具有價格低，功能強，較好的抗干擾能力和面向控制等特點，所以下位機采用單片機來構(gòu)成互聯(lián)工作模式。由于串行通信具有高效可靠、價格便宜，遵循統(tǒng)一的標準等特點，適用于本設(shè)計的通信要求。

1 硬件設(shè)計
1．1 電路設(shè)計
    溫度實時控制系統(tǒng)的下位機由7個部分組成(詳見圖1)，其中測量環(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芯片中，采用1-Wire總線協(xié)議，可實現(xiàn)直接數(shù)字化輸出。DS18B20數(shù)字溫度傳感器溫度測量范圍為-55～+125℃，測溫分辨率可達0．062 5℃，被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量進行串行輸出，適配各種單片機或系統(tǒng)機。使用這種傳感器不需要A／D轉(zhuǎn)換電路，可以大大簡化電路，溫度測量精度和速度都大幅提高。

    本設(shè)計利用MAX232進行電平轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)計算機和單片機的互聯(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機的RD，R2IN接PC機的TD，這樣就能通過P3．0和P3．1I／O口就實現(xiàn)單片機與計算機互聯(lián)通
信。本設(shè)計的信號燈部分一共使用6只LED燈，其中Start燈亮表示單片機上電工作，RX2(P3．0)燈亮表示接受從PC機傳來的數(shù)據(jù)，TX2(P3．1)燈亮表示向PC機發(fā)送數(shù)據(jù)。m1，m2，m3三顆燈分別對應(yīng)的接口為P2．5，P2．6，P2．7，當(dāng)3個溫度傳感器探測的溫度大于設(shè)定值則變亮。
    總體電路設(shè)計是以單片機為中心，整合和控制各部分。本設(shè)計的單片機是STC89C52，它通過XTAL1，XTAL2引腳外接晶振和電容實現(xiàn)11．0 59 2 MHz的時鐘周期，這能產(chǎn)生準確的波特率，有利于串行通信。它的RESET引腳外接電路實現(xiàn)上電自動復(fù)位和按鍵電平復(fù)位，P1．4～P1．7引腳接有4個按鍵，實現(xiàn)時間和溫度的設(shè)定。單片機通過P1．0，P1．1，P1．2引腳讀出3個溫度傳感器的溫度值，然后通過P0端口和P2．0，P2．1，P2．2控制液晶板，在液晶上顯示時間和溫度值。同時經(jīng)過單片機內(nèi)部程序，控制信號燈的亮滅，發(fā)送和接受計算機的數(shù)據(jù)。
1．2 單片機程序設(shè)計
    基于上節(jié)所述的硬件設(shè)計，編寫程序以實現(xiàn)期望的功能，其中主程序不斷刷新LCD顯示的內(nèi)容，定時器T0中斷程序用于時鐘的功能，定時器T1作為波特率發(fā)生器，串口中斷實現(xiàn)與PC機的通信。
    單片機剛啟動，首先進行數(shù)據(jù)的初始化，初始化結(jié)束后，開始進入工作狀態(tài)，若沒有到結(jié)束時間，就進行溫度測量并在液晶板上顯示當(dāng)前溫度值，同時按鍵掃描程序不斷監(jiān)測是否有按鍵啟動，若S1被按，則進入設(shè)定狀態(tài)，定時器T0中斷關(guān)閉，當(dāng)前時間停止，液晶板上顯示溫度設(shè)定值和當(dāng)前時間，可以通過S2，S3按鍵做修改(如圖2)。

    在工作的過程中，當(dāng)單片機接收一個數(shù)據(jù)會全部儲存在BUF變量里面，同時產(chǎn)生一個串口中斷，需要軟件去清除中斷標志。然后取出BUF的值，儲存到對應(yīng)的數(shù)組中。由于傳送的數(shù)據(jù)簡單，采用了無校驗的8位數(shù)據(jù)直接傳送模式(如圖3所示)。

2上位機的程序設(shè)計
    在串口的幾種編程方式中，利用Microsoft公司提供了MSComm控件，可以使開發(fā)串口通信程序變得十分簡單。VisualBasic是近年來發(fā)展最快的一種計算機語言，其簡潔和實用性已經(jīng)受到了眾多計算機用戶和程序員的歡迎，尤其是6．0版本，功能強大且易于掌握，是一種優(yōu)秀的可視化開發(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標準控件MSComm來實現(xiàn)通信功能，實際上是調(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)動程序執(zhí)行的，對于VB程序開發(fā)者只需知道MSComm控件的屬性和事件的用法即可以實現(xiàn)串口的操作。本溫度實時控制系統(tǒng)的上位機操作界面正是基于VB的MSComm控件為核心，完成接收和保存數(shù)據(jù)，以及修改單片機上的參數(shù)。
    系統(tǒng)操作界面啟動后，在串口端口和波特率選擇2個參數(shù)設(shè)置正確后，打開串口，這時計算機會接收從單片機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是一連串的字符，所以對接收過來的數(shù)據(jù)的處理，關(guān)鍵是字符串的處理。通過設(shè)定參數(shù)的位數(shù)，準確分離開出每一個參數(shù)的值，然后存入對應(yīng)的數(shù)組中，并實時地顯示在屏幕上，還可以按需把數(shù)據(jù)保存到記事本。同時在操作界面上修改的數(shù)據(jù)也能通過串口傳送到單片機，遠程控制單片機。在發(fā)送的數(shù)據(jù)也要嚴格按照一定的格式進行發(fā)送，這樣單片機才能正確接收，操作界面程序流程如圖4所示。
    本設(shè)計定義的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)格式如表1所示。

3 系統(tǒng)實際運行
    打開設(shè)計好的上位機軟件后，首先選擇正確的串口，實現(xiàn)與單片機通信，然后通過圖5所示的操作界面可以實時觀測到這個溫度實時控制系統(tǒng)所測量的溫度值和對應(yīng)的時間點，如有需要可以設(shè)置時間的起始點和結(jié)束點，通過軟件繪畫出溫度值的變化曲線，也可以通過實時曲線觀查溫度的變化情況，這個設(shè)置方便于長時間地觀察溫度的變化，還可以將數(shù)據(jù)全部保存到軟件里，在需要的時候進行必要的數(shù)據(jù)分析；而在操作界面上可以很方便對溫度實時控制系統(tǒng)中的監(jiān)控時間段和溫度限制值作修改，當(dāng)測量的溫度值超過溫度限制值，設(shè)置好的報警燈會閃爍，提醒我們注意。

4 結(jié)語
    本文設(shè)計了基于單片機AT89C52的溫度實時監(jiān)控系統(tǒng)并通過串口通信實現(xiàn)了單片機與計算機互聯(lián)，實現(xiàn)了多點溫度實時遠程控制，計算機的實時數(shù)據(jù)分析，長期數(shù)據(jù)的圖表式保存，該系統(tǒng)已經(jīng)在硬件平臺和軟件平臺上成功運行。整個設(shè)計具有成本低，測量范圍廣，實時操作方便快捷，顯示和儲存的信息量大，可擴展功能強等優(yōu)點，可以應(yīng)用在倉庫、溫室大棚、機房等進行溫度實時控制。另外設(shè)計方案可以擴展為網(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測溫范圍之內(nèi)的場合，實現(xiàn)隨時隨地通過網(wǎng)絡(luò)進行實時控制，將具有更大的應(yīng)用價值。