基于AT89S51單片機的實驗室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

北京電子科技職業(yè)學(xué)院 趙文藝

高等職業(yè)院校是培養(yǎng)學(xué)生具有一定專業(yè)技能的職業(yè)教育院校，學(xué)生在校期間不但要學(xué)習(xí)系統(tǒng)的理論知識，更重要的是要具有相應(yīng)的動手實踐能力，為今后從事專業(yè)技術(shù)工作打下良好的實踐基礎(chǔ)。為了培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力，大部分課程應(yīng)該是在實驗室、實習(xí)工廠完成，所以，實驗室建設(shè)和基于工作過程的理實一體的課程開發(fā)是高等職業(yè)教育中兩個非常重要的環(huán)節(jié)。

1.系統(tǒng)組成

本設(shè)計采用單片機、溫度傳感器、氣體傳感器、鍵盤以及顯示、報警模塊組成了一個實驗室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對溫度、煙霧的檢測、顯示、報警限設(shè)置、延時報警等功能。是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、價格低廉、智能化的實驗裝置，具有一定的實用價值。

因為是應(yīng)用于教學(xué)的實驗裝置，面向的學(xué)生是高職生，因此單片機選用具有集成度高，處理功能強，可靠性高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，運用非常廣泛具有代表性的MCS-51型單片機，具體型號是AT89S51。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.溫度測量

2.1 硬件組成

圖2 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

圖3 DS18B20與單片機接口電路

DS18B2O數(shù)字式溫度傳感器是美國DALLAS公司生產(chǎn)的單一總線器件，具有連接線路簡單，體積小的特點。如果希望多點測溫，在一根通信線上，可以掛很多這樣的數(shù)字式溫度傳感器，十分方便。DS18B2O產(chǎn)品的特點是只要求一個端口即可以實現(xiàn)通信。在DS18B2O中的每個器件上都有其獨有的、不重復(fù)的序列號；實際應(yīng)用中不需要任何外部元器件就可以實現(xiàn)測溫；測量溫度范圍在－55℃到＋125℃之間；此數(shù)字式溫度傳感器的分辨率用戶可以從9位到12位根據(jù)需要進行選擇；內(nèi)部還具有溫度的上、下限告警設(shè)置；它還具有負(fù)壓特性，如果學(xué)生不小心把電源極性接反，溫度傳感器不會因發(fā)熱被燒毀，但不能正常工作。基于以上特點，本設(shè)計采用決定DS18B2O數(shù)字溫度傳感器。DS18B2O采用3腳PR-35封裝或8腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。DS18B2O與單片機的接口電路非常簡單，見圖3。

圖4 溫度采集子程序流程圖

圖5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序流程圖

圖6 MQ-2測量電路

2.2 程序流程圖

溫度采集子程序主要負(fù)責(zé)驅(qū)動外部的溫度傳感器DS18B2O進行工作，通過串口通信方式向DS18B2O寫入ROM命令，并讀取當(dāng)前溫度值，將讀取的數(shù)據(jù)存放在26H-2EH存儲單元，其中26H單元存放溫度值的低位，27H單元存放溫度值的高位，程序流程圖如圖4所示。

溫度轉(zhuǎn)換子程序功能是將從溫度采集子程序中采集的十六進制溫度數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成十進制的數(shù)值并存儲在指定的存儲單元內(nèi)。由于本系統(tǒng)設(shè)計的溫度檢測有效為O-99，所以數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換原理為：將獲取到的十六進制溫度值除以十進制數(shù)1O，所得到的商為相應(yīng)十進制數(shù)的十位，并存入31H單元，余數(shù)則為相應(yīng)十進制數(shù)的個位，并存入3OH單元，其程序流程圖如圖5所示。

3.煙霧測量

煙霧傳感器選用MQ-2半導(dǎo)體式煙霧傳感器，它輸出的是模擬信號，選擇ADCO8O9轉(zhuǎn)換芯片把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。MQ-2氣敏元件的結(jié)構(gòu)由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感層、測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個用于電源輸入和信號取出，2個用于提供加熱電流。用于制作MQ-2氣體傳感器的氣敏材料是二氧化錫（SnO2），此材料在清潔空氣中電導(dǎo)率是比較低的。當(dāng)傳感器周圍存在可燃?xì)怏w時，氣敏材料的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大，使用分壓電路和運算放大電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。MQ-2氣敏元件要有預(yù)熱電路，然后接分壓電路，再接LM324集成運放放大，放大后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換再接單片機。MQ-2測量電路如圖6所示。

4.結(jié)論

此實驗項目的開發(fā)綜合了電氣自動化技術(shù)專業(yè)的電工電子技術(shù)及電氣測量技術(shù)、傳感檢測技術(shù)與儀表、微機控制技術(shù)及接口等課程的內(nèi)容，應(yīng)用在教學(xué)過程中可以采用任務(wù)驅(qū)動法，給學(xué)生布置明確的任務(wù)，同時把任務(wù)分成幾個模塊，由全體學(xué)生分工合作，結(jié)合所學(xué)知識，自己動手進行設(shè)計、制作，這樣工學(xué)結(jié)合、學(xué)做融合的教學(xué)方法，完全符合當(dāng)前職業(yè)教育的要求。自主研發(fā)的實驗室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的使用將為檢測技術(shù)、微機技術(shù)實驗室的學(xué)生提供更直觀、更容易理解和接受的實訓(xùn)項目，也可以作為檢測技術(shù)和單片機技術(shù)課程的實訓(xùn)項目，由學(xué)生模擬完成開發(fā)過程，這樣跟市場上成型的產(chǎn)品相比，不僅大大節(jié)約了經(jīng)濟成本，更有助于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和專業(yè)技能。