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-单片机在温度监测领域的应用方案设计及分析-第 5 页单片机在温度监测领域的应用方案设计及分析作者：张哲 邢宇来源：科技创新与应用2014年第02期        摘 要：现代计算机技术的产业革命，将世界经济从资本经济带入到知识经济时代。在电子领域，从20世纪中的无线电时代也进入到21世纪以计算机技术为中心的智能化现代电子系统时代。随着单片机（Microcontroller）的出现，计算机真正地走入寻常百姓家。目前，单片机凭借着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点，在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信、家用电器等许多领域得到日益广泛的应用。单片机能大大地提高这些产品的智能性，给我们的生活带来舒适和方便的同时，在工农业生产上也极大地提高了生产效率和产品质量。        关键词：温度监测；单片机；应用        现代电子系统的基本核心是嵌入式计算机系统（Embedded Computer System），单片机便是最典型、最广泛、最普及的嵌入式系统。单片机全称为单片微型计算机（Single Chip Microcomputer），又称微控制器（Microcontroller Uint）或嵌入式控制器（Embedded Controller）。它是将计算机的基本部件微型化并集成到一块芯片上的微型计算机，通常片内都含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等。        在温度监测领域，能够独立工作的温度检测和显示系统已经应用于电站、石油化工、冶金、轻工、食品、医药和军工等诸多领域。单片机配合温度传感器元件十分适合开发此类系统。我们选取美国ATMEL公司生产的AT89S52 八位微控制器配合Dallas公司生产的DS18B20数字式温度传感器完成智能数显温度计的开发工作。        本课题的开发过程经历了总体设计、硬件电路的构思设计、软件的编制和仿真调试等几个阶段。        总体设计的主要任务是明确该项目将要实现的具体功能及其特性指标。并依此进行单片机及周边设备的选型，选取软件设计所需的开发平台和开发语言。        硬件电路的构思设计依据总体设计确定的功能特性要求，进一步确定单片机型号，所需周边芯片，并设计出应用系统的电路原理图。        在软件的编制和仿真调试阶段需要依据总体设计要求，在硬件电路的基础上编制应用程序，经过返复测试和调试以完成本项目的开发工作。        对于一个单片机系统的开发，需要综合运用计算机软硬件等多门学科的相关知识。其中包括模拟电子电路、数字电路、电子电路制图、计算机组成原理、接口技术、MCS-51指令系统的汇编语言。        本课题的开发，需要将软件知识与硬件知识有机地加以结合。在软件编制的过程中，灵活运用了微控制器的中断机制。包括：中断处理、中断响应、中断优先级设置。对数字式温度传感器DS18B20的控制，首先要对其进行初始化（复位）操作、然后通过单片机微控制器的相应端口进行数据读取。在显示输出的过程中，需要对并行接口芯片8255A进行方式控制字的设置，并输出转换后的十进制温度数值。        DS18B20采用了单总线（One-Wire Bus）技术，为了保证MCU与DS18B20的通讯时序，需要正确设置中断优先级，将温度采集中断的优先级设置为最高，以防止被其它中断嵌套打断当前的采集工作。        一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：系统扩展与系统的配置。        系统扩展即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。系统的配置即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。        硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间。        单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。        MCS-51的编程语言常用的有二种，一种是汇编语言，一种是C语言。本系统的程序开发选择使用MCS-51汇编语言进行编写。硬件系统将根据汇编程序的指令，控制相关功能器件完成对DS18B20的复位、采集、中断管理、测量温度值的计算及温度值的显示等功能。使用者只需打开电源就可以从观察屏上看到关心的温度变化情况并且可以很方便纪录数据。        单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件。不同的单片机甚至同一公司的单片机它们的开发工具不一定相同或不完全相同，这就要求在选择单片机时，需考虑开发工具的因素，原则上是以最少的开发投资满足某一项目的研制过程，最好是使用现有的开发工具或增加少量的辅助器材就可达到目的的。当然，开发工具是一次性投资，而形成产品却是长远的效益，这就需平衡产品和开发工具的经济性和效益性。        Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（Vision）将这些部份组合在一起。近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil软件。        Keil C51是目前比较高效和灵活的8051开发平台。它可以支持所有8051的衍生产品，也可以支持所有兼容的仿真器，同时支持其它第三方开发工具。因此，本课题的软件开发选用Keil V7.06作为系统程序的开发/编译工具。        从20年来单片机技术的发展历程可以看出，单片机技术的发展以微控制器（MCU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出以下技术特点：        单片机长寿命。单片机产品如 8051、68HC05等年龄已有近二十岁，产量仍是上升的。一些成功上市的相对年轻的CPU核心，也会随着I/O功能模块的不断丰富，有着相当长的生存周期。        8位、32位单片机共同发展。长期以来，单片机技术的发展是以8位机为主的。随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，32位单片机应用得到了长足、迅猛的发展。        单片机速度越来越快。为提高单片机抗干扰能力，降低噪声，降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求。        低电压与低功耗。几乎所有的单片机都有Wait、Stop等省电运行方式。允许使用的电源电压范围也越来越宽。一般单片机都能在3到6V范围内工作，对电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措施。低电压供电的单片机电源下限已由2.7V降至2.2V、1.8V。0.9V供电的单片机已经问世。        低噪声与高可靠性技术。为提高单片机系统的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片机商家在单片机内部电路中采取了一些新的技术措施。        温度传感器部件则不断朝着高精度、低功耗和小型化发展。未来的温度传感器将在更小的封装中集成更多的功能。        随着单片机技术和各种外部设备元件的技术不断发展，本系统也将可以向更高的集成度发展，甚至可以将微控制器和相关的功能模块使用单一元件取代。在不影响系统功能的前题下，通过精简元件的使用可以进一步降低系统的耗电量，同时，更少的元件也意味着将使系统具备更高的稳定性。        本系统的另一个发展方向将是进一步扩展功能，如本文开始所述，温度检测和显示系统在军工以及民用等领域都得到了十分广泛的应用。每一种应用主要区别在接驳不同的外部设备，并在相应的软件模块上存在差异。因此，接驳不同的外部设备，同时开发相对应的外部设备接口程序可以进一步扩展本系统的应用领域，使其应用范围从实验室走入更具体的实际生产当中。