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[導讀]摘要:介紹了可廣泛用于博物館系統(tǒng)的基于串行口的溫度變送器的設(shè)計實現(xiàn)。溫度變送器主要分為溫度采集、顯示和通訊3部分。溫度變送器可以用串口直接和PC機相連。能在文物展柜中直接讀取溫度,當遠距離需要溫度數(shù)據(jù)時只

摘要:介紹了可廣泛用于博物館系統(tǒng)的基于串行口的溫度變送器的設(shè)計實現(xiàn)。溫度變送器主要分為溫度采集、顯示和通訊3部分。溫度變送器可以用串口直接和PC機相連。能在文物展柜中直接讀取溫度,當遠距離需要溫度數(shù)據(jù)時只需給溫度變送器發(fā)送請求,它就可以把當前的溫度值發(fā)送給PC機,方便了文物保護人員的工作。
關(guān)鍵詞:博物館;溫度變送器;MCS-51;串口通信

    溫度對于文物而言,有著重要的作用,文物只有存放在適宜的溫度中,才能使其最大限度得以保存。因此隨時監(jiān)控展柜和考古挖掘現(xiàn)場文物所處的溫度,是必要的?;诖跍囟茸兯推鳎怯脝纹瑱C制作的可以實時采集和顯示溫度的系統(tǒng)。本系統(tǒng)不僅可以在現(xiàn)場和展柜中實時的顯示溫度,還可遠程對溫度進行采集和傳送,采集到的溫度數(shù)據(jù)可通過相關(guān)軟件制作后形成曲線,或以其他方式在電腦上顯示。這對于研究溫度與文物保存狀態(tài)的關(guān)系有一定的作用,以便對館藏文物和考古現(xiàn)場進行保護。在傳送時,采集的數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù),通過串口傳送到PC機上。它需要完成的功能是:
    (1)設(shè)計溫度采集電路及采集程序,能在采集模塊上實時顯示當前溫度數(shù)據(jù);
    (2)設(shè)計單片機串口通信電路,實現(xiàn)PC機與單片機系統(tǒng)的串行通信,將采集的溫度信號傳送到PC機中;
    (3)以兵馬俑博物館2號俑坑為例進行溫度采集和傳送實驗。
    采集溫度需要溫度傳感器,處理時需要的元器件有:1片單片機,1個溫度傳感器,1個A/D轉(zhuǎn)換器,1個串口以及幾個七段發(fā)光二極管。

1 溫度變送器工作原理
    基于串口的溫度變送器,工作原理是用溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后將其變換成數(shù)字信號,傳送到單片機,經(jīng)計算處理后經(jīng)七段發(fā)光二極管輸出顯示。并將溫度信號轉(zhuǎn)換串行數(shù)據(jù),當PC機發(fā)出請求后,能將溫度信號傳送到PC機上。
    溫度傳感器采用AD590,溫度的變化可以使其電流產(chǎn)生變化,且為線性變換,再接上電阻轉(zhuǎn)化成電壓信號,經(jīng)過一些穩(wěn)壓、放大等處理后,與AD0809連接,轉(zhuǎn)化成8位16進制數(shù)送給單片機,由單片機輸出顯示。單片機可以采用89C51,在連接顯示時還需經(jīng)過1個74LS47芯片,可以直接使輸出碼轉(zhuǎn)化為可在七段數(shù)碼管上顯示的顯示碼。原理圖用Protel軟件進行繪制。

2 溫度變送器系統(tǒng)設(shè)計
    溫度變送器主要由溫度采集、顯示和通訊3部分組成,原理圖如圖1所示。


2.1 溫度采集模塊的實現(xiàn)
    溫度采集模塊主要由單片機最小系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換器、和溫度傳感器組成,溫度傳感器采集溫度信號后,經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號傳送給單片機。
    溫度采集模塊的主要元器件有:MCS-8951,A/D0809,AD590以及一個調(diào)整電壓時用到的LM324。溫度由AD590采集,為電流信號,經(jīng)過所加的負載后形成電壓信號。由AD590的特性可知,在經(jīng)過10 kΩ的負載后,在0~100℃之間,電壓在2.732~3.732 V均勻變化,在經(jīng)過一系列的電壓調(diào)整后,溫度變化所產(chǎn)生的電壓變化范圍為0~5 v,3個運算放大器用一片LM324實現(xiàn)。
    當電壓信號傳送到A/D0809后,它將傳送過來的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,這其中有一個重要部分就是十進制的調(diào)整。因為溫度傳感器的測溫范圍為0~100℃,但AD0809的轉(zhuǎn)換范圍為00H~FFH,即有256個數(shù),是100的2.56倍,在轉(zhuǎn)換過程中,對每個AD0809轉(zhuǎn)換過的數(shù)據(jù)進行乘4操作,這樣AD90809輸出的數(shù)據(jù)即為溫度的10倍,在顯示時給最末位的前面添加小數(shù)點,實現(xiàn)了到十進制的轉(zhuǎn)換。這樣就實現(xiàn)了溫度采集模塊的功能。
2.2 串口通訊的實現(xiàn)
    51單片機有一個全雙工的串行通訊口,它能同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。發(fā)送緩沖器只能寫入不能讀出;接收緩沖器只能讀出不能寫入。串口通訊還有接收緩沖作用,即從接收寄存器中讀出前一個已收到的字節(jié)之前就能開始接收第2 bit。兩個串行口數(shù)據(jù)緩沖器通過特殊功能寄存器SBUF來訪問。寫入SBUF的數(shù)據(jù)儲存在發(fā)送緩沖器,用于串行發(fā)送;從SBUF讀出的數(shù)據(jù)來自接收緩沖器。兩個緩沖器共用一個地址99H(特殊功能寄存器SBUF的地址),所以單片機和電腦之間可以方便地進行串口通訊。進行串行通訊時要滿足一定的條件,比如電腦的串口是RS232電平,而單片機的串口是TTL電平,兩者之間必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路,文中采用專用芯片MAX232進行轉(zhuǎn)換。采用三線制連接串口,即和電腦的9針串口只連接其中的3根線:第5腳的GND、第2腳的RXD和第3腳的TXD。模塊的實現(xiàn)主要用的器件有MAX232和DB9。
    串口調(diào)試中要注意的幾點:
    (1)不同編碼機制不能混接,如RS232C不能直接與RS422接口相連;
    (2)線路焊接要牢固;
    (3)串口調(diào)試時,準備一個好用的調(diào)試工具,如串口調(diào)試助手、串口精靈等;
    (4)建議不要帶電插撥串口,插撥時至少有一端是斷電的,否則串口易損壞。
2.3 顯示部分的實現(xiàn)
    在顯示模塊中,數(shù)據(jù)經(jīng)過P1口傳送到74LS47,直接轉(zhuǎn)換成顯示碼送到七段發(fā)光二極管上顯示,在這個模塊主要用到的器件有LED和74LS-47。74LS47可以把單片機轉(zhuǎn)化好的十進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可直接在LED上顯示的顯示碼。
2.4 程序設(shè)計
    主程序的設(shè)計思想是:先進行初始化,在初始化中設(shè)置定時器、波特率、串口等,再啟動A/D轉(zhuǎn)換,然后判斷A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束,若轉(zhuǎn)換沒有結(jié)束,則顯示上次轉(zhuǎn)換好的溫度數(shù)據(jù)并繼續(xù)判斷;若轉(zhuǎn)換結(jié)束,則讀入數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為溫度進行顯示。當用戶需要溫度數(shù)據(jù)時只需給溫度變送器發(fā)送請求,它就可以把當前的溫度值發(fā)送給PC機。

3 調(diào)試
    為上述3個模塊的功能都實現(xiàn),就可進行系統(tǒng)調(diào)試。系統(tǒng)調(diào)試是整個開發(fā)過程的重要環(huán)節(jié)。其中包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試,硬件調(diào)試主要涉及電路的電器特性檢測,可以利用實驗版檢查每一部分電路的功能是否能實現(xiàn),看每一部分的連線有無短路、錯連、漏連等,在整體檢測。軟件調(diào)試主要是使用仿真軟件設(shè)置相應(yīng)寄存器的值對源程序進行模擬調(diào)試,可采用分段調(diào)試。
    調(diào)試階段,利用了專業(yè)串口調(diào)試工具:串口調(diào)試助手,可以直接在當前位置運行此軟件。在整個調(diào)試過程中需要注意PC機端與單片機端數(shù)據(jù)傳輸波特率的匹配。本次實驗采用速率為4 800 b·s-1實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。單片機端的程序用仿真器進行仿真。
    當整個系統(tǒng)的調(diào)試完成后,就可以使用編程器將源程序?qū)懭雴纹瑱CAT89C52,用AT89C52替換仿真器,運行無誤,即可完成系統(tǒng)的整個設(shè)計。圖2是編程器與PC機的連接圖。


    本系統(tǒng)已實現(xiàn)了PC機與單片機數(shù)據(jù)傳輸時串行通信端口和波特率可選,并可以正確進行數(shù)據(jù)傳輸。
    現(xiàn)以秦俑博物館2號坑為例進行試驗,當PC機給串口發(fā)送一個信號時。單片機能夠把當前坑內(nèi)的溫度值發(fā)送到PC機上,通過連續(xù)的請求,可得到一組當前的文物溫度,編輯后能以曲線的形式反映坑底溫度的變化,PC機的接收數(shù)據(jù)和溫度變送器顯示的溫度一致。

4 結(jié)束語
    本設(shè)計實現(xiàn)了預期的功能,溫度采集模塊可以把當前溫度采集到單片機中,然后再送到顯示模塊進行顯示,可隨時近距離地觀查實時溫度,且顯示的范圍較大、精確度較高,當收到遠程PC機的請求時。就可以把溫度信號變成串行數(shù)據(jù)傳送到PC機上。

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