可用于博物館的溫度變送器

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(jì)實(shí)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(jī)相連。能在文物展柜中直接讀取溫度，當(dāng)遠(yuǎn)距離需要溫度數(shù)據(jù)時(shí)只需給溫度變送器發(fā)送請(qǐng)求，它就可以把當(dāng)前的溫度值發(fā)送給PC機(jī)，方便了文物保護(hù)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(duì)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(shí)監(jiān)控展柜和考古挖掘現(xiàn)場(chǎng)文物所處的溫度，是必要的。基于串口溫度變送器，是用單片機(jī)制作的可以實(shí)時(shí)采集和顯示溫度的系統(tǒng)。本系統(tǒng)不僅可以在現(xiàn)場(chǎng)和展柜中實(shí)時(shí)的顯示溫度，還可遠(yuǎn)程對(duì)溫度進(jìn)行采集和傳送，采集到的溫度數(shù)據(jù)可通過(guò)相關(guān)軟件制作后形成曲線(xiàn)，或以其他方式在電腦上顯示。這對(duì)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(duì)館藏文物和考古現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行保護(hù)。在傳送時(shí)，采集的數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，通過(guò)串口傳送到PC機(jī)上。它需要完成的功能是：
(1)設(shè)計(jì)溫度采集電路及采集程序，能在采集模塊上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)；
(2)設(shè)計(jì)單片機(jī)串口通信電路，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)系統(tǒng)的串行通信，將采集的溫度信號(hào)傳送到PC機(jī)中；
(3)以兵馬俑博物館2號(hào)俑坑為例進(jìn)行溫度采集和傳送實(shí)驗(yàn)。
采集溫度需要溫度傳感器，處理時(shí)需要的元器件有：1片單片機(jī)，1個(gè)溫度傳感器，1個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器，1個(gè)串口以及幾個(gè)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換后將其變換成數(shù)字信號(hào)，傳送到單片機(jī)，經(jīng)計(jì)算處理后經(jīng)七段發(fā)光二極管輸出顯示。并將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換串行數(shù)據(jù)，當(dāng)PC機(jī)發(fā)出請(qǐng)求后，能將溫度信號(hào)傳送到PC機(jī)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(xiàn)性變換，再接上電阻轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)一些穩(wěn)壓、放大等處理后，與AD0809連接，轉(zhuǎn)化成8位16進(jìn)制數(shù)送給單片機(jī)，由單片機(jī)輸出顯示。單片機(jī)可以采用89C51，在連接顯示時(shí)還需經(jīng)過(guò)1個(gè)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(jìn)行繪制。

2 溫度變送器系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(shí)現(xiàn)
溫度采集模塊主要由單片機(jī)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(hào)后，經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳送給單片機(jī)。
溫度采集模塊的主要元器件有：MCS-8951，A／D0809，AD590以及一個(gè)調(diào)整電壓時(shí)用到的LM324。溫度由AD590采集，為電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)所加的負(fù)載后形成電壓信號(hào)。由AD590的特性可知，在經(jīng)過(guò)10 kΩ的負(fù)載后，在0～100℃之間，電壓在2．732～3．732 V均勻變化，在經(jīng)過(guò)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(gè)運(yùn)算放大器用一片LM324實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)電壓信號(hào)傳送到A／D0809后，它將傳送過(guò)來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這其中有一個(gè)重要部分就是十進(jìn)制的調(diào)整。因?yàn)闇囟葌鞲衅鞯臏y(cè)溫范圍為0～100℃，但AD0809的轉(zhuǎn)換范圍為00H～FFH，即有256個(gè)數(shù)，是100的2．56倍，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，對(duì)每個(gè)AD0809轉(zhuǎn)換過(guò)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)給最末位的前面添加小數(shù)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換。這樣就實(shí)現(xiàn)了溫度采集模塊的功能。
2．2 串口通訊的實(shí)現(xiàn)
51單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通訊口，它能同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。發(fā)送緩沖器只能寫(xiě)入不能讀出；接收緩沖器只能讀出不能寫(xiě)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(gè)已收到的字節(jié)之前就能開(kāi)始接收第2 bit。兩個(gè)串行口數(shù)據(jù)緩沖器通過(guò)特殊功能寄存器SBUF來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。寫(xiě)入SBUF的數(shù)據(jù)儲(chǔ)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(lái)自接收緩沖器。兩個(gè)緩沖器共用一個(gè)地址99H(特殊功能寄存器SBUF的地址)，所以單片機(jī)和電腦之間可以方便地進(jìn)行串口通訊。進(jìn)行串行通訊時(shí)要滿(mǎn)足一定的條件，比如電腦的串口是RS232電平，而單片機(jī)的串口是TTL電平，兩者之間必須有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，文中采用專(zhuān)用芯片MAX232進(jìn)行轉(zhuǎn)換。采用三線(xiàn)制連接串口，即和電腦的9針串口只連接其中的3根線(xiàn)：第5腳的GND、第2腳的RXD和第3腳的TXD。模塊的實(shí)現(xiàn)主要用的器件有MAX232和DB9。
串口調(diào)試中要注意的幾點(diǎn)：
(1)不同編碼機(jī)制不能混接，如RS232C不能直接與RS422接口相連；
(2)線(xiàn)路焊接要牢固；
(3)串口調(diào)試時(shí)，準(zhǔn)備一個(gè)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(shí)至少有一端是斷電的，否則串口易損壞。
2．3 顯示部分的實(shí)現(xiàn)
在顯示模塊中，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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(gè)模塊主要用到的器件有LED和74LS-47。74LS47可以把單片機(jī)轉(zhuǎn)化好的十進(jìn)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(jì)
主程序的設(shè)計(jì)思想是：先進(jìn)行初始化，在初始化中設(shè)置定時(shí)器、波特率、串口等，再啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，然后判斷A／D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，若轉(zhuǎn)換沒(méi)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(jìn)行顯示。當(dāng)用戶(hù)需要溫度數(shù)據(jù)時(shí)只需給溫度變送器發(fā)送請(qǐng)求，它就可以把當(dāng)前的溫度值發(fā)送給PC機(jī)。

3 調(diào)試
為上述3個(gè)模塊的功能都實(shí)現(xiàn)，就可進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。系統(tǒng)調(diào)試是整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)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(cè)，可以利用實(shí)驗(yàn)版檢查每一部分電路的功能是否能實(shí)現(xiàn)，看每一部分的連線(xiàn)有無(wú)短路、錯(cuò)連、漏連等，在整體檢測(cè)。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(duì)源程序進(jìn)行模擬調(diào)試，可采用分段調(diào)試。
調(diào)試階段，利用了專(zhuān)業(yè)串口調(diào)試工具：串口調(diào)試助手，可以直接在當(dāng)前位置運(yùn)行此軟件。在整個(gè)調(diào)試過(guò)程中需要注意PC機(jī)端與單片機(jī)端數(shù)據(jù)傳輸波特率的匹配。本次實(shí)驗(yàn)采用速率為4 800 b?s-1實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)端的程序用仿真器進(jìn)行仿真。
當(dāng)整個(gè)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C(jī)AT89C52，用AT89C52替換仿真器，運(yùn)行無(wú)誤，即可完成系統(tǒng)的整個(gè)設(shè)計(jì)。圖2是編程器與PC機(jī)的連接圖。

本系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)串行通信端口和波特率可選，并可以正確進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
現(xiàn)以秦俑博物館2號(hào)坑為例進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)PC機(jī)給串口發(fā)送一個(gè)信號(hào)時(shí)。單片機(jī)能夠把當(dāng)前坑內(nèi)的溫度值發(fā)送到PC機(jī)上，通過(guò)連續(xù)的請(qǐng)求，可得到一組當(dāng)前的文物溫度，編輯后能以曲線(xiàn)的形式反映坑底溫度的變化，PC機(jī)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(yǔ)
本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，溫度采集模塊可以把當(dāng)前溫度采集到單片機(jī)中，然后再送到顯示模塊進(jìn)行顯示，可隨時(shí)近距離地觀查實(shí)時(shí)溫度，且顯示的范圍較大、精確度較高，當(dāng)收到遠(yuǎn)程PC機(jī)的請(qǐng)求時(shí)。就可以把溫度信號(hào)變成串行數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)上。