基于單片機(jī)和DS18B20的溫度采集和分析系統(tǒng)

傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)大多以熱敏電阻為溫度傳感器，但熱敏電阻的可靠性較差、測(cè)量溫度準(zhǔn)確率低，且還必須經(jīng)專門(mén)的接口電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后才能由單片機(jī)進(jìn)行處理。不僅如此，大部分溫度系統(tǒng)都缺少對(duì)溫度的采樣存儲(chǔ)，無(wú)法對(duì)溫度進(jìn)一步分析。本文介紹了一套以個(gè)人電腦及80C51單片機(jī)為核心，使用DS18B20溫度傳感器進(jìn)行溫度采樣，數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行溫度存儲(chǔ)，Matlab進(jìn)行溫度分析的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)其所處環(huán)境的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)進(jìn)行溫度的采樣、存儲(chǔ)和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定環(huán)境下溫度的了解。

1 系統(tǒng)總體組成

系統(tǒng)硬件部分主要用于溫度的測(cè)量和存儲(chǔ)。PC端則用于測(cè)溫事件的建立與存儲(chǔ)、測(cè)量參數(shù)的設(shè)置、溫度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及溫度數(shù)據(jù)的分析。整體而言，系統(tǒng)核心部分分為溫度監(jiān)測(cè)模塊、溫度存儲(chǔ)模塊和溫度分析模塊3部分。

溫度監(jiān)測(cè)模塊用于溫度的監(jiān)測(cè)及采樣，首先利用PC端程序進(jìn)行測(cè)溫事件的建立及采樣開(kāi)始時(shí)間(時(shí)分秒)、采樣結(jié)束時(shí)間(時(shí)分秒)、采樣間隔(秒)和傳輸方式8個(gè)采樣相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，傳輸方式包括直接傳輸和間接傳輸，對(duì)應(yīng)溫度的永久存儲(chǔ)和臨時(shí)存儲(chǔ)，相關(guān)參數(shù)通過(guò)串口傳給單片機(jī)。然后利用80C51單片機(jī)和DS18B20溫度傳感器來(lái)獲取當(dāng)前溫度，并按要求對(duì)溫度進(jìn)行采樣，同時(shí)利用其他器件將溫度及當(dāng)前時(shí)間顯示到LED屏上。

溫度存儲(chǔ)模塊分為臨時(shí)存儲(chǔ)模塊和永久存儲(chǔ)模塊，臨時(shí)存儲(chǔ)模塊用于將所測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)I2C總線臨時(shí)存儲(chǔ)于AT24C02芯片中，永久存儲(chǔ)模塊則將AT24C02芯片中的數(shù)據(jù)或當(dāng)前測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)串行口傳給PC端，然后PC端程序?qū)⑵浯鎯?chǔ)于SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中。

溫度分析模塊利用Matlab對(duì)所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過(guò)將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表，然后調(diào)用Matlab的m文件讀取Excel表中的數(shù)據(jù)，并對(duì)其分析，完成數(shù)據(jù)處理。

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件原理如圖2所示，硬件電路圖如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)STC89C52RC單片機(jī)進(jìn)行控制，8051系列單片機(jī)為1980年Intel公司推出的MCS-51系列8為高檔單片機(jī)微機(jī)，而該型號(hào)單片機(jī)為8051內(nèi)核芯片，內(nèi)含F(xiàn)lash E2PROM存儲(chǔ)器，內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間的大小為4 kB，內(nèi)部RAM為512 Byte，價(jià)格較低，能較好地滿足系統(tǒng)要求。DS18B20溫度傳感器通過(guò)單總線與單片機(jī)P1.7連接，單總線數(shù)字溫度傳感器將地址線、數(shù)據(jù)線、控制線合為1根信號(hào)線，硬件開(kāi)銷(xiāo)小，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，將DS18B20的VCC端與外部電源相連。1602液晶為5 V電壓驅(qū)動(dòng)，可顯示兩行，每行16個(gè)字符，內(nèi)置含128個(gè)字符的ASCII字符集字庫(kù)，可滿足系統(tǒng)信息輸出的要求，1602占用單片機(jī)的P0及P2.3、P2.4、P2.5。AT24C02為E2PROM存儲(chǔ)器，使用了快速、高效、精準(zhǔn)的I2C接口設(shè)計(jì)技術(shù)與單片機(jī)進(jìn)行通信，時(shí)鐘線與單片機(jī)P2.0相連，信號(hào)線與P2.1相連。DS1302為時(shí)間芯片，能自動(dòng)產(chǎn)生年、月、日、時(shí)、分、秒等時(shí)間信息，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫度與測(cè)量時(shí)間的對(duì)應(yīng)傳輸，并方便系統(tǒng)控制。MAX232為RS232/TTL電平轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與PC端上位機(jī)的串口通信，其與單片機(jī)的RXD(P3.0)和TxD(P3.1)相連。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

圖3為程序的程序總體設(shè)計(jì)圖，application為整個(gè)單片機(jī)程序的全局變量，用以區(qū)分系統(tǒng)核心部分和應(yīng)用部分，當(dāng)按下與P3.2相連的按鍵時(shí)，觸發(fā)外部中斷0，application自加1。

系統(tǒng)核心部分又分為空閑模式和工作模式。系統(tǒng)處于空閑模式時(shí)，讀取DS1302的時(shí)間信息和DS18B20的溫度信息，在液晶顯示屏上顯示當(dāng)前的日期、時(shí)間和溫度，同時(shí)利用按鍵可校準(zhǔn)日期和時(shí)間;處于工作模式時(shí)，硬件電路與PC端配合工作，完成溫度的采樣、存儲(chǔ)和傳輸。

應(yīng)用部分，單片機(jī)通過(guò)串口獲得溫度閾值和函數(shù)式，利用下文將敘述的公式完成相應(yīng)功能。另外，單片機(jī)進(jìn)行溫度采樣的時(shí)間由定時(shí)器0進(jìn)行精確控制。定時(shí)器1用于波特率的產(chǎn)生。當(dāng)PC端傳遞數(shù)據(jù)給單片機(jī)時(shí)，將導(dǎo)致串口中斷，參數(shù)數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)的SBUF寄存器，然后再將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于char型二維數(shù)組Parameter中，因?yàn)樗鑲鬏數(shù)膮?shù)數(shù)據(jù)共有8個(gè)，且每個(gè)參數(shù)的位數(shù)均為2位，故包括‘