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 系統原理
系統結構如圖1所示。系統主要由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， 溫度數據存儲在DS2433中。AT89C2051單片機負責整個系統的協調控制。
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的隨機存取數據存儲器( 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， 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，系統的喚醒方式有RAM、定時/計數器、串行口和外中斷口， 系統喚醒后即進入繼續工作狀態。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， 直至系統被硬件復位方可繼續運行。
系統結構圖
圖1 系統結構圖。
DS18B20是集成數字溫度計 ， 溫度測量范圍- 55℃ ~ + 125℃ ， 通過編程可實現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據線就可實現與單片機的數字通訊。
測量得到的溫度數據長度為2個字節。DS18B20數字溫度計是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， 具有線路簡單， 在一根通信線上可以掛很多這樣的數字溫度計， 十分方便。
DS18B20的特點:
( 1)只要求一個端口即可實現通信。
( 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測溫。
( 4)測量溫度范圍在- 55 ℃ 到+ 125 ℃ 之間。
( 5)數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個溫度數據。其采用EEPROM 工藝， 即使掉電， 存儲的數據也不會丟失。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。數據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據傳送到存儲器中。這一過程可保證修改存儲器內容時數據的完整性。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形成本地網絡時， 注冊碼可作為器件的節點地址使用。數據按照1-W ire協議串行傳送， 僅需一條數據線和一條地線。因此DS2433可與DS18B20掛接在同一條數據線上， 通過它們內部的識別碼進行區分， 這樣大大節省了數據連接線。
整套系統最大的優點是所使用的器件非常小巧， 這樣有兩點好處:
( 1)系統體積小， 可放置于狹小空間中并對該空間溫度進行測量。
( 2)系統功耗低， 可采用電池供電， 因此可放置于野外環境進行溫度測量。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， 較并行方式節省了大量I/O接口。
溫度傳感器DS18B20輸出為數字量， 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， 與目前多數標準串行數據通訊方式，如SPI/ I2C /M ICROW IRE 不同， 它采用單根信號線，既傳輸時鐘， 又傳輸數據， 而且數據傳輸是雙向的，它具有節省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據。
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據處理情況。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律。
溫度數據處理界面圖
圖2 溫度數據處理界面圖。
6 結束語
從測量范圍、精度和測量實例上看， 該系統可以用于對包括大氣溫度在內的多種環境溫度進行測量和記錄。
未來的工作設想:
( 1)數據存儲方面: 單個DS2433只能存儲256個溫度數據， 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據， 延長測量周期;( 2)數據讀取方面: 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據。如果是對野外環境進行測量， 可以利用移動通訊網絡(如目前新興的3G 技術) 進行數據的傳輸， 這樣就省去了科研人員的勞頓之苦。
