基于单片机的温度采集软件系统设计

第 I 页 共 I 页 目 录 1 1 背景和意义 1 1 2 国内外现状 2 1 3 目的和内容 2 2 主要器件介绍 4 2 1 AT89C51 简介 4 2 1 1 主要特性 4 2 1 2 AT89C51 管脚说明 5 2 2 2 DS18B20 引脚定义 8 3 系统设计 10 3 1 功能要求 10 3 2 总体设计方案 10 3 3 系统软件设计 11 3 3 1 PC 与单片机串口通信 11 3 3 2 上位机软件设计 12 4 程序设计 17 4 1 上位机程序 17 5 结 论 20 附录 上位机程序 21 参考文献 33 致 谢 35 1 引引 言言 1 11 1 背景和意义背景和意义 近年来 随着大规模集成电路的发展 单片机继续炒快速 高性能方向发展 从 4 位 8 位单片机发展到 16 位 32 位单片机 单片机主要用于控制 它的的应用领域 遍及各行各业 大到航天飞机 小至日常生活中的冰箱 彩电 单片机都可以大显其 能 单片机在家用电器业中应用的十分广泛 例如全自动洗衣机 智能玩具 除了上 述传统领域外 汽车 电子工业在国外也是单片机应用十分广泛的一个领域 它成本 低 集成度高 功耗低 控制功能多 能灵活的组装成各种智能控制装置 由它构成 的智能仪表解决了长期以来测量仪器中的误差的修正 线性处理等问题 11 传统靠人工控制和测量的温度 湿度 液位等信号的测压 力控系统 外围电路 比较复杂 测量精度较低 分辨力不高 需进行温度校准 非线性校准 温度补偿 传感器标定等 且它们的体积较大 使用不够方便 更重要的是参数的设定需要有 其它仪表的参与 外界设备多 成本高 因为越来越适应不了社会的要求 在对多类 型 多通道信号同时进行监测和控制中 传统的测控系统能力有限 9 传统的温度测量方法有很多种 酒精温度计 水银温度计 热电偶 热电阻 热 敏电阻 辐射高温计等 1 酒精 煤油温度计常用与室温的测量 也用于实验室中一些液体或实验室温度的 测量 水银常用于体温计 由于熔点比较高 所以不适合低温环境 热电偶测温的原理是 将两条不同的金属线的一端连接在一起并加热 在两线之 间会有一个与温度成正比的热离子电压产生 但在恶劣的环境中 热电偶的质量可能 会受影响 由于水是溶解物质所以也会引起问题 温度过高热电偶金属可能会熔化 从而改变成分 并且影响读数 热电阻是一种电阻与温度成正比的温度传感器 辐射高温计是非接触型温度传感器 它可以探测到来自被测物得红外辐射并将辐射转 换成与温度成正比的电压或电流 所以这种方式比较适合一些非接触的场合 但是如 何将计算机与各种设施 设备结合 简化人工操作并实现自动控制 满足社会的需 求 成为一个很迫切的问题 随着时代的发展 科技的进步 各种复杂的场合对温度的测量也是提出了不同的 要求 在某些场合要求能够实时监控温度值 并且能够将大量的温度数据保存起来 并进行集中处理 计算机的出现是的大量温度数据的保存及处理成为了可能 但是传 统的酒精或煤油温度计等却无法将温度数据传递给计算机 所以便出现了各自各样的 电子温度传感器 而现在大量采用的是温敏电阻加 A D 转换的方法 采集温度虽然方 便 但是精度不够 而且电路复杂 并不适用与多点测温 本课题正是针对这种状况 而设计的 采用了精确的温度传感器 并且能够通过单片机实时采集温度传送给电 脑 用于实现温度的远程控制 而且可以利用电脑的优势存储大量的温度数据和实现 对温度数据的处理 温度检测是现代检测技术的重要组成部分 在保证产品质量 节约能源和安全生产等 方面起着关键的作用 随着科学技术的发展 有单片机集成电路构成的温度传感器的 种类越来越多 测量的精度越来越高 响应时间越来越短 因其使用方便 无需变换 电路等特点已经得到了广发的应用 例如 以前常用的 AD590 和 LM35 等 一级现在得 到广发应用的 DS1820 DS1821 和 DS1620 等 本次毕业设计正式为了完成温度采集而 设计的 而且用了前不久美国 DALLAS 公司生产的可租网数字式温度传感器 DS1820 可 以说与人们的日常生活是息息相关的 具有很大的现实意义 2 3 1 21 2 国内外现状国内外现状 现在比较常用的普通测温方法就是利用一些液体的热胀原理制作的 比如说煤油 温度计 酒精温度计以及水银温度计等 这些原始的测温方法成本比较低 但是测温 精度也很低 不适合用于一些需要高精度测温的情况 而且通过电子装置自动采集温 度不太方便 也有一些电子测温采用的时温敏电阻加 A D 转换的方法 采集温度虽然 方便 但是精度不够 本课题正是针对这种状况而设计的 采用了精确的温度传感器 并且能够通过单片机的优势存储大量的温度数据和实现对温度数据的处理 13 16 1 31 3 目的和内容目的和内容 新型数字化 网络化传感器在工程中的应用具有极其重要的意义 这类传感器是 各种参量送入计算机系统 进行智能监测 控制的最前端 随着科技的发展 数字化 网络化传感器应用日益广泛 以其传统方式不可比拟的优势渐渐成为技术的趋势和主 流 本次设计的目的就是以数字传感器 DS1820作为前端 采集温度经过单片机处理后 在采用串口通信 把温度显示在 VB 编辑的计算机界面上 实现与计算机的通信 本系统的设计主要为软件的设计 软件部分分为五大部分 读取 DS180的内部数据 部分 单片机对温度的处理部分 PC 显示部分 串口通信部分 VB 界面部分 2 2 主要器件介绍主要器件介绍 2 12 1 AT89C51AT89C51 简介简介 AT89C51是一种带4k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 FPEROM FlashProgrammable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS8位微 处理器 俗称单片机 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦出100次 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造书制造 与工业标准的 MSC 51指令集和输出管脚相兼 容 由于将多功能8位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C51是一种 高效微控制器 AT89C2051是它的一种精简版本 AT89C51单片机为很多嵌入式控制系 统提供了一种灵活性高且价廉的方案 2 1 1 主要特性 与 MCS 51 兼容 4k 字节可编程闪烁存储器 寿命 100 写 擦循环 数据保留时间 10 年 全静态工作 0Hz 24Hz 三级程序存储器锁定 128 8 位内部 RAM 32 可编程 I O 线 两个 12 位定时器 计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功率的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 2 1 2 AT89C51 管脚说明 图2 1 AT89C51 管脚图 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P0 口 的管脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数据存储器 它可以 被定义为数据 地址的第八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为原码输入口 当 FIASH 进 行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须被拉高 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能接收输 出 4TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口被外部下 拉为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程和校验时 P1 口作为第八位地址接收 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作为输入 并 因此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时 P2 口输出地址 的高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉优势 当对外部八位地址数据存储器 进行读写时 P2 口输出其特殊功能寄存器的内容 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高 八位地址信号和控制信号 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电 流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输入 由于 外部下拉为低电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉的缘故 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 如下表所示 口管脚 备选功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时 间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位 字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不变的频率周 期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此它可用作对外部输出的脉冲或用 于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部数据存储器时 将跳过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指令 是 ALE 才起作用 另外 该引脚被略微拉高 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每个机器周 期两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不管是否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端 保持高电平时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此引脚也用于施加 12V 编 程电源 VPP XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 2 22 2 DS1820DS1820 简介简介 DALLAS 最新单线数字温度传感器 DS18B20 简介新的 一线器件 体积更小 适 用电压更宽 更经济 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器 DS1820 是世界上第一片 支持 一线总线 接口的温度传感器 一线总线独特而且经济的特点 使用户可轻松 地组建传感器网络 为测量系统的构建引入全新概念 DS18B20 DS1822 一线总线 数字化温度传感器 同 DS1820 一样 DS18B20 也 支持 一线总线 接口 测量温度范 围为 55 C 125 C 在 10 85 C 范围内 精度为 0 5 C DS1822 的精度较差为 2 C 现场温度直接以 一线总线 的数字方式传输 大大提高了系统的抗干扰 性 适合于恶劣环境的现场温度测量 如 环境控制 设备或过程控制 测温类消费 电子产品等 与前一代产品不同 新的产品支持 3V 5 5V 的电压范围 使系统设计更 灵活 方便 而且新一代产品更便宜 体积更小 DS18B20 DS1822 的特性 DS18B20 可以程序设定 9 12 位的分辨率 精度为 0 5 C 可选更小的封装方式 更 宽的电压适用范围 分辨率设定 及用户设定的报警温度存储在 EEPROM 中 掉电后依 然保存 DS18B20 的性能是新一代产品中最好的 性能价格比也非常出色 DS1822 与 DS18B20 软件兼容 是 DS18B20 的简化版本 省略了存储用户定义报警温度 分辨率 参数的 EEPROM 精度降低为 2 C 适用于对性能要求不高 成本控制严格的应用 是经济型产品 继 一线总线 的早期产品后 DS1820 开辟了温度传感器技术的新概 念 DS18B20 和 DS1822 使电压 特性及封装有更多的选择 让我们可以构建适合自己 的经济的测温系统 2 2 1 DS18B20 的内部结构 内部 电源 探测 位 和 单线端口 位 产生器 暂存器 下限触发 上限触发 温度传感器 存储器和控制逻辑 图 2 2 DS1820 内部结构图 DS18B20 内部结构主要由四部分组成 64 位光刻 ROM 温度传感器 非挥发的温度 报警触发器 TH 和 TL 配置寄存器 DS18B20 的管脚排列如下 DQ 为数字信号输入 输出端 GND 为电源地 VDD 为外接供电电源输入端 在寄生 电源接线方式时接地 光刻 ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的 它可以看作是该 DS18B20 的地址 序列码 64 位光刻 ROM 的排列是 开始 8 位 28H 是产品类型标号 接着的 48 位是 该 DS18B20 自身的序列号 最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码 CRC X8 X5 X4 1 光刻 ROM 的作用是使每一个 DS18B20 都各不相同 这样就可以 实现一根总线上挂接多个 DS18B20 的目的 DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量 以 12 位转化为例 用 16 位符号扩 展的二进制补码读数形式提供 以 0 0625 LSB 形式表达 其中 S 为符号位 2 2 2 DS18B20 引脚定义 1 DQ 为数字信号输入 输出端 2 GND 为电源地 3 VDD 为外接供电电源输入端 在寄生电源接线方式时接地 图 2 3 DS1820 引脚图 2 2 3 DS18B20 的主要特性 1 适应电压范围更宽 电压范围 3 0 5 5V 在寄生电源方式下可由数 据线供 电 2 独特的单线接口方式 DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现 微处理器与 DS18B20 的双向通讯 3 DS18B20 支持多点组网功能 多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上 实现组 网多点测温 4 DS18B20 在使用中不需要任何外围元件 全部 传感元件及转换电路集成在形如 一只三极管的集成电路内 5 温范围 55 125 在 10 85 时精度为 0 5 6 可编程的分辨率为 9 12 位 对应的可分辨温度分别为 0 5 0 25 0 125 和 0 0625 可实现高精度测温 7 在 9 位分辨率时最多在 93 75ms 内把温度转换为数字 12 位分辨率时最多在 750ms 内把温度值转换为数字 速度更快 8 测量结果直接输出数字温度信号 以 一 线总线 串行传送给 CPU 同时可传送 CRC 校验码 具有极强的抗干扰纠错能力 9 负压特性 电源极性接反时 芯片不会因发热而烧毁 但不能正常工作 3 3 系统设计系统设计 3 13 1 功能要求功能要求 设计一个基于 VB6 0的数据采集系统 用单片机系统接收温度传感器的温度数据 并在 PC 上显示当前温度值 可测温范围 55 125摄氏度 精度0 1摄氏度 使用 VB6 0编写上位机程序 接收温度数据并储存在数据库中 接收数据时 要求 能同步画出温度变化曲线 要求系统可查询历史温度信息 基于 VB6 0的数据采集系统在设计时主要应该满足如下功能指标 1 测量温度 并在 PC 机上显示当前温度 2 可测温范围 55 125摄氏度 精度0 1摄氏度 3 每秒给上位机接受温度数据 4 上位机接收温度数据 并将数据 接收数据时间以及测温批次等信息存储到数 据库中 5 测温批次可以自动生成也可手动输入 6 接收温度数据时 同步画出温度变化的曲线 7 可按批次以及测温时间查询温度数据 8 将上位机软件打包 生成安装文件 3 23 2 总体设计方案总体设计方案 温度计电路设计总体设计方框图如图3 1 控制器采用单片机89C51 温度传感器 采用 DS1820 以串口传送数据实现温度显示通过串口与上位机 PC 通讯 把数据传送给 上位机 并用 VB 编写的图形界面把温度的变化曲线显示出来 并通过数据库存储 可 查询历史温度记录 位电路 实时时钟 蜂鸣器单片机 PC显示 温度传 感器 图3 1 温度计电路总体设计方案 主控制器 单片机 AT89C51具有低电压供电和体积小等特点 四个端口只需要两个口就能满足 电路系统的设计需要 很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池 温度传感器 采用 DS1820温度传感器 它能直接读出被测温度 并且可根据实际要求通过简单 的编程实现9 12位的数字值读数方式 PC 实时显示界面 显示实时温度数据变化曲线的界面 采用 VB6 0编辑 在程序使用 VB6 0的通用串 口控件 MSCOMM 来对发送到串口的数据进行采集处理 上位机定义好通信协议和波特率 3 3 3 3 系统软件设计系统软件设计 3 3 1 PC 与单片机串口通信 目前 在许多单片机应用系统中 上 下位机分工明确 作为下位机核心器件的 单片机往往只负责数据的采集和通信 而上位机通常以基于图形界面的 Windows 系统 为操作平台 为便于查询和保存数据 还需要数据库的支持 这种应用的核心是数据 通信 它包括单片机和上位机之间 客户端和服务器之间以及客户端和客户端之间的 通信 而单片机和上位机之间数据通信则是整个系统的基础 单片机和 PC 的通信是通 过单片机的串口和 PC 串口之间的硬件连接实现的 线路说明 如图 3 2 所示 数据通信的硬件上采用三线制 将单片机和 PC 串口的 3 个引脚 RXD TXD GND 分别连在一起 即将 PC 和单片机的发送数据线 TXD 与接收 数据 RXD 交叉连接 两者的地线 GND 直接相连 而其他信号线如握手信号线均不用 采用软件握手的方式 这样既可以实现预定的任务又可以简化电路设计 但由于单片机的 TTL 逻辑电平和 RS 232C 的电气特性完全不同 RS 232C 的逻辑 0 电平规定为 3 15V 之间 逻辑 1 电平为 3 15V 之间 因此 在将 PC 和单片机的 RXD 和 TXD 交叉连接时必须进行电平转换 这里使用的是 MAX232 电平转换芯片 PC 与单片机串口通信线路图如下图 3 2 所示 COM1 PC机 GND TXD RXD AT89C51 GND RXD TXD TOUT RIN TIN ROUT MAX232 图 3 2 PC 与单片机串口通信线路 3 3 2 上位机软件设计 上位机是应用 VB 进行编写的 它把下位机传送上来是两字节的十六进制数据进行 解码显示出来 当点击采集温度时 上位机向下位机发送采集温度命令字符 1 当下位机接受 到命令时 向上位机发送数据 使用 VB6 0编写上位机程序 接收温度数据并储存在数据库中 接收数据时 能同 步画出温度变化的曲线 系统可查询历史温度信息 具体在上位机程序里面体现出来 下图为上位机工作流程图 发送到串口来 的数据 选择接受数 据的方式 采集数据 曲线 显示 保存 温度 值 查看以前数据 打开数据文 件 列方 程以 显示 图3 3 上位机工作流程图 数据采集实时程序设计思路 本程序设计使用 VB6 0的通用串口控件 MSComm 来对发送到串口的数据进行采集处 理 VB6 0的 MSComm 通信控件提供了一系列标准通信命令接口 它允许简历串口连接 可以连接到其他通信设备 还可以发送命令 进行数据交换以及监视和响应在通信过 程中可能发生的各种错误和事件 从而可以用它创建全双工 事件驱动的 高效实用 的通信程序 一般说来 计算机都有一个或多个串行端口 它们依次为 Com1 Com2 这些串口还提供了外部设备与 PC 进行数据传输和通信通道 这些串口在 CPU 和外设之间充当解释器的角色 基本属性与描述如下 Commport 设置或返回通信端口 Settings 以字符的形式设置或返回波特频率 奇偶校验 数据位和停止位 PortOpen 设置或返回通信端口的状态 也可以打开和关闭端口 Input 返回和删除接收缓冲区中的字符 Output 将字符穿写入发送缓冲区 CommEevent 属性为通信事件活错误返回下列值之一 在该控件的对象库中也可以 找到这些常量 你只有首先要确定 mscomm 控件在 system 目录下并且该控件已经被 windows 注册 程序才能正常运行 有数据向串口发过来时 程序可以将数据接收到 接收的数据是字符型的 那么 数据转化为数字型的 再将这个数据的大小作为画图的某一个点的纵坐标 横坐标为 数据的序号 将这些用线连起来就是一个曲线图了 这个就是图形显示基本原理 查 看原来的数据的原理也是这样的 不同的地方就是 数据是从文件中来 同样的也是 将多个数据分成一个一个的 然后一个数据的大小就是画图的为一个点的纵坐标 横 坐标同样为数据的序号 再将这些点用线连起来就是曲线图 图形能移动的原理就是 我们首先改变的只是数据 图形并没有变化 但图形的形式是由这些数据来确定的 当数据发生变化后 我们通过刷新显示区来变化的 VB 编写的实时显示界面如图3 4 所示 点击查询可查询历史温度信息 图3 4 实时温度曲线显示及查询图 串口的波特率 串口号都采用下拉选择的方式 在使用中可根据的情况选择读串 口数据的原理是 只要在有数据向串口发数据来时 计算机就会自动将其数据写到一 个特定的缓冲区 我们只要写程序去读那个特定的缓冲区就可以了 此外为了保存和查询历史温度数据还要在 VB 中设计建立连接到 Access 数据库的 控件 Data 控件是 Visual Basic6 0中的一个内置数据控件 可以通过设置 Data 控件 的 connect DatabaseName RecordSource 属性实现对数据库的连接和访问 建立的 数据库文件和 VB 中创建的工程文件必须放在同一目录下 4 4 程序设计程序设计 4 14 1 上位机程序上位机程序 在上位机 VB 程序的编写中 最重要的是串口的初始化程序的接受触发程序的设计 本设计使用 VB6 0的通用串口控件 MSComm 来对发送到串口的数据进行采集处理 主要 方法如下 串口设置 MSComm SetSettings 波特率 校验方式 数据位数 停止为数 串口数据 MSComm InputMode 输入模式设定 具体程序设计如下 Private Sub Form Load On Error GoTo err MSComm1 Commport I MSComm1 InputMode eomInputModeBinary MSComm1 RThreclrold I MSComm1 SThreshold I MSComm1 Settings 9600 n 8 2 Call tabinit Call ScaleSys If MSComml PortOpen False Then MSComml PortOpen True mark True CmdStop Enabled False Exit Sub err Select Case err Number Case comPortAlreadyOpen MsgBox 没有发现此串口或被占用 49 温度采集系统 Case Else MsgBox 没有发现此串口或被占用 49 温度采集系统 End Select err Clear End Sub 在 VB 程序中设置为串口 1 输入模式为二进制 且接收和发送一个字符就会触发 MSComml 的 OnComm 接收触发事件 波特率设置为 9600 可以根据具体设计情况更改波 特率的大小 但要与下位机的一致 程序中还编写了错误处理程序 当串口被占用时 会转去执行 err 程序 出现系统报错 接收触发事件的处理 当每发送一次指令时 就会触发 OnComm 事件 并返回数 据串 通过计算获取温度测量值并显示出来 具体设计程序如下 Private Sub MSComml OnComm Dim Inbyte As Byte Dim buffer As String Dim datatemp2a datatemp2b As String Dim datatemp2 As String Dim countAs Integer 读取仪表返回数据串 Select Case MSComm l CommEvent Case comEvReceive count MSComm1 InBufferCount Inbyte MSComml Input If count 2 Then Exit Sub counter counter 1 For i LBound Inbyte To UBound Inbyte buffer buffer Hex Inbyte i Next i End Select 程序中 接收到的数据暂存在 Inbyte 中 buffer 为温度数据缓存 接收到的数 据按 16 进制的格式放入缓冲中 便于之后的数据处理 此外程序还添加了接收温度数 据的判定 接收到的温度数据应为两字节 且低位在前 当接收到的数据不是两字节 时 表示接