基于51单片机的大气温度采集和记录系统

1 引 言

大气温度的测量具有重要意义， 一般是采用各种温度计进行人工测量， 并定时记录测量结果， 这种方法费时费工， 十分不便。本文提出了一种非常小巧的大气温度测量和记录装置， 能对范围为- 55 ℃ ~ + 125 ℃ 的温度进行定时自动测量， 同时记录测量结果， 精度最高可达0. 0625℃ 。

2 系统原理

系统结构如图1所示。系统主要由AT89C2051单片机和外围电路构成。其基本思想是由串行时钟芯片DS1306 提供时间基准， 由温度传感器DS18B20进行温度测量， 温度数据存储在DS2433中。AT89C2051单片机负责整个系统的协调控制。

AT89C2051是一款低电压， 高性能的CMOS 8位单片机， 片内含2k bytes的可反复擦写的只读F lash程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器( RAM) ， 器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产， 兼容标准MCS- 51指令系统， 内置通用8位中央处理器和Flash存储单元， 功能强大的AT89C2051单片机可提供高性价比的应用。

AT89C2051是一个功能强大的单片机， 但它只有20个引脚， 15个双向输入/输出( I /O )端口， 其中P1是一个完整的8位双向I/O 口， 两个外中断口， 两个16位可编程定时计数器， 两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。同时AT89C2051 的时钟频率可以为零， 即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口， 系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中， 片内RAM 将被冻结， 时钟停止振荡， 所有功能停止工作， 直至系统被硬件复位方可继续运行。

系统结构图茹图1所示。

图1 系统结构图

DS18B20是集成数字温度计 ， 温度测量范围- 55℃ ~ + 125℃ ， 通过编程可实现0. 5℃ 、0. 25 ℃ 、0. 125 ℃ 、0. 0625℃ 四种不同的分辨率。其最大特点是通过一条数据线就可实现与单片机的数字通讯。

测量得到的温度数据长度为2个字节。DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1 -W ire， 即单总线器件， 具有线路简单， 体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统， 具有线路简单， 在一根通信线上可以挂很多这样的数字温度计， 十分方便。

DS18B20的特点:

( 1)只要求一个端口即可实现通信。

( 2)在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。

( 3)实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。

( 4)测量温度范围在- 55 ℃ 到+ 125 ℃ 之间。

( 5)数字温度计的分辨率可以从9 位到12位选择。

( 6)内部有温度上、下限告警设置。

DS2433是1-W ire存储器， 容量为4k- B it ，可存储256个温度数据。其采用EEPROM 工艺， 即使掉电， 存储的数据也不会丢失。DS2433带有一个由工厂刻度的注册码， 其中包括: 48位唯一序列码、8位CRC 校验码和8位家族码( 23h) ， 还带有4096位用户可编程EEPROM。读写DS2433所需的电源完全取自于1-W ire通讯线。存储器分为16页， 每页256位。暂存器作为一个附加页面， 在写存储器时可用作缓冲器使用。数据先被写入一个暂存器中，在此对其进行校验。随后采用复制暂存器命令将数据传送到存储器中。这一过程可保证修改存储器内容时数据的完整性。PR- 35以及SO IC封装提供了一种紧凑的结构， 允许采用标准安装设备在印刷电路板上安装和连接器件。

由于1-W ire通讯的独特特点， 即它们内部都有一个64位注册码为每个器件提供了一个保证唯一的标识， 确保每个器件的绝对可追溯性， 当有多个1-W ire器件同时挂接在总线上并联形成本地网络时， 注册码可作为器件的节点地址使用。数据按照1-W ire协议串行传送， 仅需一条数据线和一条地线。因此DS2433可与DS18B20挂接在同一条数据线上， 通过它们内部的识别码进行区分， 这样大大节省了数据连接线。

整套系统最大的优点是所使用的器件非常小巧， 这样有两点好处:

( 1)系统体积小， 可放置于狭小空间中并对该空间温度进行测量。

( 2)系统功耗低， 可采用电池供电， 因此可放置于野外环境进行温度测量。测量结束后， 只需将存贮器取回并通过计算机接口读取记录即可。

3 器件选择

3. 1 小型化

同AT89C52单片机相比， AT89C2051因为去掉了P0和P2口， 体积大大缩小。DS1306为串行工作方式的时钟芯片， 较并行方式节省了大量I/O接口。

温度传感器DS18B20输出为数字量， 无需进行A /D转换， 就可由单片机处理。

3. 2 可扩展性

1-W ire单总线是Max im 全资子公司Dallas的一项专有技术， 与目前多数标准串行数据通讯方式，如SPI/ I2C /M ICROW IRE 不同， 它采用单根信号线，既传输时钟， 又传输数据， 而且数据传输是双向的，它具有节省I/O口线资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等特点。

因此， 根据实际需要， 1- W ire总线上可挂接多个温度传感器和存储器， 能对多个目标进行测量并记录更多数据。