1 引 言
大氣溫度的測量具有重要意義， 一般是采用各種溫度計進行人工測量， 并定時記錄測量結果， 這種方法費時費工， 十分不便。本文提出了一種非常小巧的大氣溫度測量和記錄裝置， 能對范圍為- 55 ℃ ~ + 125 ℃ 的溫度進行定時自動測量， 同時記錄測量結果， 精度最高可達0. 0625℃ 。
2 系統(tǒng)原理
系統(tǒng)結構如圖1所示。系統(tǒng)主要由AT89C2051單片機和外圍電路構成。其基本思想是由串行時鐘芯片DS1306 提供時間基準， 由溫度傳感器DS18B20進行溫度測量， 溫度數(shù)據(jù)存儲在DS2433中。AT89C2051單片機負責整個系統(tǒng)的協(xié)調控制。
AT89C2051是一款低電壓， 高性能的CMOS 8位單片機， 片內含2k bytes的可反復擦寫的只讀F lash程序存儲器和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器( RAM) ， 器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產， 兼容標準MCS- 51指令系統(tǒng)， 內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元， 功能強大的AT89C2051單片機可提供高性價比的應用。
AT89C2051是一個功能強大的單片機， 但它只有20個引腳， 15個雙向輸入/輸出( I /O )端口， 其中P1是一個完整的8位雙向I/O 口， 兩個外中斷口， 兩個16位可編程定時計數(shù)器， 兩個全雙向串行通信口，一個模擬比較放大器。同時AT89C2051 的時鐘頻率可以為零， 即具備可用軟件設置的睡眠省電功能，系統(tǒng)的喚醒方式有RAM、定時/計數(shù)器、串行口和外中斷口， 系統(tǒng)喚醒后即進入繼續(xù)工作狀態(tài)。省電模式中， 片內RAM 將被凍結， 時鐘停止振蕩， 所有功能停止工作， 直至系統(tǒng)被硬件復位方可繼續(xù)運行。
系統(tǒng)結構圖
圖1 系統(tǒng)結構圖。
DS18B20是集成數(shù)字溫度計 ， 溫度測量范圍- 55℃ ~ + 125℃ ， 通過編程可實現(xiàn)0. 5℃ 、0. 25 ℃ 、0. 125 ℃ 、0. 0625℃ 四種不同的分辨率。其最大特點是通過一條數(shù)據(jù)線就可實現(xiàn)與單片機的數(shù)字通訊。
測量得到的溫度數(shù)據(jù)長度為2個字節(jié)。DS18B20數(shù)字溫度計是DALLAS公司生產的1 -W ire， 即單總線器件， 具有線路簡單， 體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)， 具有線路簡單， 在一根通信線上可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計， 十分方便。
DS18B20的特點:
( 1)只要求一個端口即可實現(xiàn)通信。
( 2)在DS18B20中的每個器件上都有獨一無二的序列號。
( 3)實際應用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫。
( 4)測量溫度范圍在- 55 ℃ 到+ 125 ℃ 之間。
( 5)數(shù)字溫度計的分辨率可以從9 位到12位選擇。
( 6)內部有溫度上、下限告警設置。
DS2433是1-W ire存儲器， 容量為4k- B it ，可存儲256個溫度數(shù)據(jù)。其采用EEPROM 工藝， 即使掉電， 存儲的數(shù)據(jù)也不會丟失。DS2433帶有一個由工廠刻度的注冊碼， 其中包括: 48位唯一序列碼、8位CRC 校驗碼和8位家族碼( 23h) ， 還帶有4096位用戶可編程EEPROM。讀寫DS2433所需的電源完全取自于1-W ire通訊線。存儲器分為16頁， 每頁256位。暫存器作為一個附加頁面， 在寫存儲器時可用作緩沖器使用。數(shù)據(jù)先被寫入一個暫存器中，在此對其進行校驗。隨后采用復制暫存器命令將數(shù)據(jù)傳送到存儲器中。這一過程可保證修改存儲器內容時數(shù)據(jù)的完整性。PR- 35以及SO IC封裝提供了一種緊湊的結構， 允許采用標準安裝設備在印刷電路板上安裝和連接器件。
由于1-W ire通訊的獨特特點， 即它們內部都有一個64位注冊碼為每個器件提供了一個保證唯一的標識， 確保每個器件的絕對可追溯性， 當有多個1-W ire器件同時掛接在總線上并聯(lián)形成本地網(wǎng)絡時， 注冊碼可作為器件的節(jié)點地址使用。數(shù)據(jù)按照1-W ire協(xié)議串行傳送， 僅需一條數(shù)據(jù)線和一條地線。因此DS2433可與DS18B20掛接在同一條數(shù)據(jù)線上， 通過它們內部的識別碼進行區(qū)分， 這樣大大節(jié)省了數(shù)據(jù)連接線。
整套系統(tǒng)最大的優(yōu)點是所使用的器件非常小巧， 這樣有兩點好處:
( 1)系統(tǒng)體積小， 可放置于狹小空間中并對該空間溫度進行測量。
( 2)系統(tǒng)功耗低， 可采用電池供電， 因此可放置于野外環(huán)境進行溫度測量。測量結束后， 只需將存貯器取回并通過計算機接口讀取記錄即可。
3 器件選擇
3. 1 小型化
同AT89C52單片機相比， AT89C2051因為去掉了P0和P2口， 體積大大縮小。DS1306為串行工作方式的時鐘芯片， 較并行方式節(jié)省了大量I/O接口。
溫度傳感器DS18B20輸出為數(shù)字量， 無需進行A /D轉換， 就可由單片機處理。
3. 2 可擴展性
1-W ire單總線是Max im 全資子公司Dallas的一項專有技術， 與目前多數(shù)標準串行數(shù)據(jù)通訊方式，如SPI/ I2C /M ICROW IRE 不同， 它采用單根信號線，既傳輸時鐘， 又傳輸數(shù)據(jù)， 而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，它具有節(jié)省I/O口線資源、結構簡單、成本低廉、便于總線擴展和維護等特點。
因此， 根據(jù)實際需要， 1- W ire總線上可掛接多個溫度傳感器和存儲器， 能對多個目標進行測量并記錄更多數(shù)據(jù)。
4 通訊功能
MAX232是由德州儀器公司( TI)推出的一款兼容RS232標準的芯片。由于電腦串口RS232 電平是- 10V ~ 10V， 而一般的單片機應用系統(tǒng)的信號電壓是TTL電平0V ~ 5V， MAX232 就是用來進行電平轉換的， 該器件包含2個驅動器、2個接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供TIA /E IA - 232- F 電平。
該器件符合T IA /E IA - 232- F標準， 每一個接收器將T IA /E IA - 232- F電平轉換成5- V TTL /CMOS電平。每一個發(fā)送器將TTL /CMOS 電平轉換成T IA /E IA - 232- F電平。
MAX232提供了單片機與PC 機的RS232通訊接口。上位機軟件可用V isua l B asic 6. 0 高級語言編寫。VB6. 0提供了串口通訊控件， 應用這個控件，PC 機可以很方便地與單片機通過串口進行通訊。
5 應用實例
圖2給出了軟件操作界面和數(shù)據(jù)處理情況。某天的溫度變化情況通過列表和曲線圖兩種方法給出。由此可以掌握這一天的溫度變化規(guī)律。
溫度數(shù)據(jù)處理界面圖
圖2 溫度數(shù)據(jù)處理界面圖。
6 結束語
從測量范圍、精度和測量實例上看， 該系統(tǒng)可以用于對包括大氣溫度在內的多種環(huán)境溫度進行測量和記錄。
未來的工作設想:
( 1)數(shù)據(jù)存儲方面: 單個DS2433只能存儲256個溫度數(shù)據(jù)， 可以換為存儲容量更大的存儲器或并行掛接多個DS2433， 以一次性記錄更多的數(shù)據(jù)， 延長測量周期;( 2)數(shù)據(jù)讀取方面: 目前采用的將存儲器取下讀取的方式還是顯得有些繁瑣， 可以設計手持式無線(如RF、紅外、藍牙等)接收裝置來獲取存儲器的數(shù)據(jù)。如果是對野外環(huán)境進行測量， 可以利用移動通訊網(wǎng)絡(如目前新興的3G 技術) 進行數(shù)據(jù)的傳輸， 這樣就省去了科研人員的勞頓之苦。
