基于單片機的溫度采集系統研究分析

劉星宇

（無錫職業技術學院，江蘇 無錫214121）

1 概述

科學技術的不斷創新與發展，各個行業對溫度精準度和實時性要求也在日益增長，對溫度采集系統的效率提出了更高的要求。但并非全部的測量場所均能夠在一定程度上，確保相關溫度測量人員的人身安全，當采集場所受到外界嚴苛環境影響時，一套能夠自動采集、處理和支持數據遠程傳輸的溫度采集裝置具有一定的價值。因此，設計基于單片機的溫度采集系統，對于需要采集溫度數據的相關應用來說具有重要意義。本文基于單片機的溫度采集系統設計，以數字溫度傳感器DS18B20 為采集系統的前端，經單片機操作處理后，將會在LCD1602 顯示器上充分展示出對應的測量結果，最終通過串行口與系統終端進行數據傳輸。

2 系統總體設計架構

對于溫度采集系統的總體設計架構而言，其內部的主控制裝置將設置為單片機AT89S52，溫度傳感器裝置設置為DS18B20，在此過程中通過LCD1602 顯示模塊進行數據信息的展示，且接入RS232 串口，將實現數據信號與系統終端的實時傳輸。

基于PC傳輸測溫系統，其組成部分包括：單片機AT89S52、溫度傳感器裝置DS18B20、顯示模塊LCD1602、MAX232，硬件中單片機I/O口的資源應用狀況：P1 端口作為LCD1602 的數據輸入關聯裝置，將連接到LCD1602 的DB端。P2.5 端口、P2.6 端口和P2.7 端口，三者將會分別連接到LCD1602 的E 端，RS 端和RW 端，主要用于系統的總體控制模塊。P3.0 端口和P3.1 端口，兩者將分別與MAX232 中的T1INR10UT進行相互的關聯，從而在一定程度上實現不同數據信息的傳輸。P3.3 端口與溫度傳感器DS18B20 的DQ端進行數字連接。溫度采集系統的內部軟件，其主要功能是對DS18B20 進行讀寫控制，使其讀取目前所需的溫度量值信息，實現對DS18B20 的讀寫控制。

3 系統硬件設計

3.1 主控制系統電路設計。AT89S52 是具有4 組I/Q 端口，分別為（P0，P1，P2，P3）的40 引腳雙列芯片。AT89S52 單片機具有4組8 位I/O 端口（P0，P1，P2，P3），每個I/O 端口都能根據自身需求，將其設置為獨立模式的數據信息輸入或輸出端。

在AT89S52 的主控制電路體系架構中，XTAL2 和XTAL1 與外部晶體振蕩器存在一定的連接模式，同時與微調電容直接相連。在溫度采集系統的內部芯片設置中，XTAL2 是振蕩器反相放大器的數據信息輸入端口，此時XTAL2 與與外部晶體振蕩器存在一定的連接模式，同時與微調電容直接相連，其被設置為數據信息輸出端口。

3.2 溫度采集電路設計。在溫度采集功能電路設計中，DS18B20 可以作為系統內部的模擬溫度傳感器、數據信號處理裝置，在進行數據信息傳輸的過程中與AT89S52 通信，從而在設定的區域范圍內實現溫度采集功能。本文設計的溫度采集系統最大的優勢在于，通過單總線進行相應數據信息的傳輸，且僅應用I/O 端口的一端即可。

對于溫度采集電路而言，通過DS18B20 采集溫度測量的實驗對象，并將獲取的溫度數據信息傳遞至AT89S52 的P3.3 端口，然后將該數據信息作為系統的信號輸入端，基本溫度采集電路如圖1所示。為了使DS18B20 能夠執行精確的溫度轉換功能，I/O端口必須確保轉換周期內的電源供應。

圖1 溫度采集電路

DS18B20 與AT89S52 相結合，能夠在一定條件下實現溫度的采集功能。對于本文設計的溫度采集系統裝置而言，系統組成架構相對便捷，適用于惡劣環境下的現場溫度測量，具有廣泛的應用價值。

3.3 溫度顯示電路設計。在溫度顯示電路設計過程中，LCD1602 具有1～11 萬小時的半衰周期。目前最常用的是8 段式數字顯示裝置，包括十個管腳，每個段位對應一個管腳，其余的顯示管可以用來顯示數據信息傳輸的公共終端。因此，8 段式數字顯示裝置在一定應用情況下，能夠直接顯示時間、日期、溫度等相應量值信息，其具有較強的直觀性。通過對溫度顯示電路的基本尺寸類型分析，LCD1602 通常包括0.3、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.3、3.0、4.0、5.0 等基本類型。對于單模管芯而言，其一般情況下不會超過1.0；對于雙模管芯而言，其一般情況下設置的取值區間范圍為1.2～1.5；對于三模以上管芯而言，其一般情況下設置不會低于1.8。

4 系統軟件設計

4.1 主機控制中心設計。主機控制DS18B20 完成溫度轉換對應的數據協議是：初始化；ROM操作命令；內存控制。在溫度采集系統的控住電路中，在對系統進行任何操作之前，必須對主機進行初始化處理，然后通過主機發送復位數據信息，最終等待相應的信號回復。控制系統接收到數據信息的指令后，啟動溫度轉換模式；當溫度轉換正在進行時，主機需要讀取該時刻的總線狀態信息，轉換結束后將其設置為1。如果DS18B20 由信號線進行系統電源供電操作，則主機必須提供一個用于時間轉換的上拉電平。

4.2 溫度采集控制設計。為了有效的處理DS18B20 定時問題，可以對整個溫度采集系統進行新的數據編程設計，其主要采用AT89S52 芯片為重要組成部分，有效控制DS18B20 的復位和讀寫能力，能夠在一定程度上按時間順序有效的讀取溫度值，將獲取的數據信息存儲于系統內部的存儲裝置中。DS18B20 溫度采集優勢在于系統精度高，分辨率強，抗干擾性能好。由于系統讀取的數據格式一般均為二進制數的補碼，因此需要求得溫度量值數據信息的原始代碼。當顯示屏展示對應的數據信息量值時，需要對其進行十進制轉換，這樣才能獲取直觀數據。

4.3 溫度顯示控制設計。在溫度顯示電路的程序設計過程中，將LCD1602 作為溫度采集系統的顯示模塊，在其顯示屏上讀取相應狀態。當其處于空閑狀態時，才能夠根據實際情況傳輸實時量值信息，否則將導致失敗。在溫度采集系統顯示模塊中，需要清除LCD1602 顯示屏上的數據內容，當數據讀寫操作時屏幕不會發生任何移動，此時AC自動“+1”。在數據顯示過程中，首先展示TEMP樣式的固定字符，然后顯示測量的溫度量值數據信息。

當在進行數據信息實時傳輸的過程中，高8 位中前5 位是固定形式，正數為0，負數為1。最低的四位數表示小數，因此程序將使用TEMP＞＞4，選取最佳測量數據。在顯示電路數據讀取過程中，考慮到顯可讀性和直觀性等操作，LCD1602 溫度顯示流程，如圖2 所示。

圖2 LCD1602 溫度顯示流程圖

5 系統調試與測試

在對基于單片機的溫度采集系統進行調試與測試的過程中，為了保證所設計的系統具有較高的精度，硬件鏈路設計完成后，需要進行硬件調試。檢查系統內部的硬件組成部分是否存在虛焊、錯焊等問題，一旦發現系統存在問題，需要在第一時間內采取有效應對措施，該系統共完成3 次修改。

單片機程序代碼完成后，需要對內部的溫度采集代碼、發送端的NRF24L01、接收端NRF24L01 相應的問題檢測，以便根據實際情況有效的完成單片機程序部分的設計。通過有效的系統內容調試，單片機程序能夠正常工作。在試驗溫度時，需要將溫度穩定在26.5℃左右，通過萬用表測得的溫度為26℃，當用手緊緊握住溫度傳感器時，顯示管的溫度會慢慢升高，最終將會與人體溫度相類似。當溫度傳感器接近冰水混合物時，溫度將會逐漸呈遞減形式，溫度可精確達到0.1℃。在系統測試中，可知接收端和發射端均保持在低功耗狀態，基本達到了設計初始目的，收發距離和溫度測試精度也達到了設計要求，如表1 所示。

表1 實驗測試數據

6 結論

隨著社會經濟的不斷進步，溫度采集系統已經被廣大的人民群眾所應用。特別是對溫度要求較高的領域，如農作物種植、食品儲藏、食品運輸、各類企業倉庫等場所。傳統模式下的溫度測量形式，其主要以熱阻和熱電偶為核心，但由上述傳感器構成的溫度測量系統，在信號電路裝換過程中需要引入A/D裝置，這樣才能與系統端口相連接，從而在一定程度上增加生產成本。本文通過溫度傳感器等硬件和無線傳輸技術等軟件，完成了溫度采集系統的開發。在溫度測量方面，檢測到無線傳輸信號的穩定性，檢測效果良好，其還充分展示了無線傳感器的優良性能，能夠通過測量、采集和監測等方法進行溫度信息的獲取。