温度采集系统设计

陈进京，姜志轩，王泓平

（中国矿业大学，北京，100083）

0 引言

随着科学技术的发展和现代工业技术的需要，测温技术也在不断地改进和提高。虽然温度测量方法多种多样，但在很多情况下，对于实际工程现场例如大棚温度测量来讲，要想得到准确可靠的结果并非易事，需要非常熟悉各种测量方法的原理及特点，结合被测对象要求选择合适的测量方法才能完成。为了得到更加准确的数据，本文主要研究通过单片机STC89C52和PC串口通信来实现温度采集。

本系统以单片机为核心，以DS18B20为温度传感器，主要由数据采集、数据报警、数据处理和数据存储四大部分构成。本文的温度检测结构有由LabVIEW构成的PC上位机系统、串口通信接口和单片机下位机系统。其中上位机负责人机交互，串口通信实现PC机与单片机之间的转换，下位机进行数据的交互与处理。

1 硬件电路设计

1.1 系统总框架

本次设计的硬件部分由51单片机（STC89C52）和8路温度传感器DS18B20构成。上位机采用LabVIEW编程实现，通过串口通信进行传输，简单可靠。

1.2 主控芯片介绍

51单片机是对兼容Intel8051指令系统的单片机的统称。由于其较为完善的结构和丰富的指令系统，加之操作简单易学，在高校相关课程中得到广泛使用。本次设计使用的型号为STC89C52，由宏晶科技开发推出，指令代码与其他8051单片机完全兼容。

图1 系统总框架图

1.3 电路设计

单片机最小系统包括时钟电路、电源和复位电路，是单片机工作的最低基本要求。

1.3.1 时钟电路

STC89C52单片机内含增益反相放大器，可以通过石英晶振调节振荡频率。由于本次设计主要采用串口通信的方式，故采用11.0592M的晶振。为了稳定和调节晶振频率，晶振上会并联一个30pF左右的小电容。

图2 主控芯片

1.3.2 复位电路

STC89C52单片机内含增益反相放大器，可以通过石英晶振调节振荡频率。由于本次设计主要采用串口通信的方式，故采用11.0592M的晶振。为了稳定和调节晶振频率，晶振上会并联一个30pF左右的小电容。

1.4 温度传感器DS18B20电路设计

DS18B20是常用的数字温度传感器，输出信号为数字信号，具有体积小，价格开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。

DS18B20还具有以下优点：（1）DS18B20与微处理器连接时通过单线连接即可实现与微处理器的双向通讯；（2）供电方式灵活，工作电压为3.0～5.5V，可通过数据线供电；（3）测温范围大，在-55℃～+125℃之间。分辨率高，可实现高精度测温[1]。

图3 温度传感器电路设计

1.5 电源指示电路设计

电路板使用自锁按键作为开关，并通过LED灯的亮灭指示电路的通断，简单有效。

1.6 串口防倒灌电路

电流倒灌是指电流流进相关引脚，为防止电路板烧毁，需要对这种异常情况进行考虑。为解决倒灌问题，本次设计加入了防倒灌电路，主要通过一个上拉电阻和二极管实现。利用二极管的特性控制高低电平，有效地解决了电流倒灌问题。

图4 电源指示电路设计

图5 串口防倒灌电路设计

2 系统上位机设计

在完成温度采集系统硬件电路的设计后，必须再设计一个合适的软件来实现温度的采集与显示，测量结果的记录和处理等，构成一个完整的多点温度采集系统。而传统的上位机软件通常采用VB编程语言，较为复杂，本系统采用由NI公司研发的国际上唯一一个图形化编辑语言Labview编程语言来实现。它将复杂的代码编程转化成菜单的选择功能或图标，从而使得编程者采用连线的方式就能将所有功能和图形连接起来[2]，更容易实现程序的开发，大大提高编程效率。

本系统主要由数据采集、数据报警、数据处理和数据存储四大部分构成。

数据采集环节，本系统采用DS18B20完成温度采集，所以显示范围从-55℃到125℃，温度分辨率设置为0.1℃。连上板子后并打开软件后，测量者首先完成对串口选择、采样时间间隔和采样数量的设定，选择启动后，单片机驱使DS18B20温度传感器采集到的温度通过串口通信进入到VISA中，并通过VISA的读取函数将信息传递到缓冲区中。

图6 软件界面图

数据处理环节，Labview读取数据缓冲区中的离散的温度数据，并通过其图形显示控件逐点连线，实现不同通道的不同颜色温度波形显示，同时实时记录各个通道温度的最大值、最小值和平均值[3]，以便更于直观的观察和分析数据。

数据报警环节，利用VISA写入模块将我们所设定的温度报警上下限传给单片机，当采集到的温度大于门限时，系统会通过指示灯变红和警报声来实现超温警告，并中断控温从而保证安全。

数据存储环节，采用了NI公司特有的数据保存格式TDMS文件，实现初始数据存储功能，以便后续随时提取数据进行统计处理。

3 总结

本设计主要分为硬件设计和软件设计两个部分：在硬件设计部分，通过多方面比对选择合适的器件完成硬件的配置；在软件设计部分，利用LabVIEW设计完成数据的采集、显示等功能，使得温度观测更为直接。

在这个过程中我们了解了STC89C52单片机，了解了单片机的外围电路设计，使我们加深了对LabVIEW虚拟仪器的各种控件的了解，使我们能更加熟练LabVIEW虚拟仪器，在系统软件部分的设计过程中，我们提高了我们的编程能力。本次的系统设计提高了我们的独立思考能力与实际动手能力，同时也提高了我们将理论知识与实践结合起来的能力，为我们以后的发展奠定一个良好的基础。