1、第 1 页 共 35 页 PC 机与单片机串口通信摘要本课题 ATMEL 公司温度的检测芯片 DS18B20 和 STC89C52 单片机设计的温度采集系统为背景，实现了单片机与上位机的串口通信。 DS18B20 是一种可组网的高精度数字式传感器,由于具有单总线的独特优点,可以使用户轻松的组建起传感器网络,并可使多点温度测量电路简单、可靠。本文实现了由单片机读取 DS18B20 数字温度传感器，并通过异步串行通行传输给单上位机 PC，并给出了软硬件实现的方法。关键字：温度测量；单总线；数字温度传感器；单片机,Proteus第 2 页 共 35 页 The Serial Communicatio
2、n Between Pc and SCMAbstractThis task brings about the serial communication between Pc and Scm on the background of temperature-collecting system which is designed using the checking chip DS18B20 and STC89C52.DS18B20 is a netting high-precision digital sensor which has the special advantage of 1-wir
3、e bus。Using it，we can easily build sensor networks and make Several Points Temperature Measuring System easier and more reliable。In this paper reading DS18B20 digital temperature by Scm comes true，and we transmit the acquired data to the upper computer using asynchronous serial communication。 At las
4、t we discuss away to make it using soft wares and hard wares。Key words: temperature measuring, 1-wire bus, digital temperature sensors, SCM, Proteus1 绪论1.1 系统背景温度测量是现代检测技术的重要组成部分,在保证产品质量、节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。因此,能够确保快速、准确地测量温度的技术及其装置普遍受到各国的重视。近年来,利用智能化数字式温度传感器以实现温度信息的在线检测已成为温度检测技术的一种发展趋势。本文介绍的智能温度检测系统
5、,以智能化数字式温度传感器构成一种智能化温度检测系统。该系统具有性能可靠、测温准确、结构简单、造价低廉等特点,并兼具线路简捷、使用灵活、抗干扰性好、可移植性强等优点,可在工程实际中得到广泛应用。随着电子技术的发展，将组成 CPU 的部件集成在一块半导体芯片上，这个具有CPU 功能的大规模集成电路芯片就称之为微处理器（MPU） 。微处理器的出现，推动了微型计算机的发展，同时也引起了电子设计技术领域的探到变革电子技术专业人员，第 3 页 共 35 页 使之可以把微处理器部件像其他集成电路一样嵌入到电子系统中，使电子系统具有可编程序的智能化特点，开辟了计算机技术在电子技术领域应用的广阔大地 【1】
6、。将微处理器、存储器、I/O 电路集成到一块半导体芯片的技术再次推动了这种嵌入式技术的发展，单片微型计算机是这种设计技术中的一个典型代表。单片机适用于测量和控制领域，它以芯片形式嵌人到电子产品或系统中起到“电脑”作用，受到电子专业技术人员的青睐。单片机以其体积小、可靠性高、功能的专门化为特点。沿着与适用微处理器不同的方向发展。它的出现和发展，标志着单片嵌入技术已经成为电子系统设计的一个重要发展方向。1.2 单片机简介1.2.1 单片机的发展单片机是微机发展的一个分支,是为了适应控制系统微型化、集成化的需要而生产和发展起来的。严格的说，对单片机目前还没有严格确切的定义。如果将 8 位单片机的推出
7、作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段（1）第一阶段（1976-1978）：单片机的控索索阶段。以 Intel 公司的 MCS-48 为代表。MCS-48 的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有 Motorola 、Zilog 等，都取得了满意的效果。这就是 SCM 的诞生年代， “单机片”一词即由此而来。（2）第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。Intel 公司在 MCS-48 基础上推出了完善的、典型的单片机系列 MCS-51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。完善的外部总线。MCS-51 设置了经典的 8 位单片机的总线结构，包括8
8、 位数据总线、16 位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。CPU 外围功能单元的集中管理模式。体现工控特性的位地址空间及位操作方式。指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。（3）第三阶段（1982-1990）：8 位单片机的巩固发展及 16 位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel 公司推出的 MCS96 系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。随着 MCS51 系列的广应用，许多电气厂商竞相使用 80C51 为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道
9、A/D 转换部件、可靠性技术等第 4 页 共 35 页 应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。（4）第四阶段（1990）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的 8 位/16 位/32 位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机 【3】 。1.2.3 单片机的分类单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。1.通用型/专用型这是按单片机适用范围来区分的。例如，80C51是通用型单片机，它不是为某种
10、专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。2.总线型/非总线型这是按单片机是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。3.控制型/家电型这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小
11、封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。显然，上述分类并不是惟一的和严格的。例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用 【4】 。1.2.4 单片机的特点：（1）有优异的性能价格比单片机的这种高性能，低价格是它最显著的一个特点。单片机尽可能把应用所需要的存储器，各种功能的 I/O 口都继承在一块芯片内，使之成为名副其实的单片机。有的单片机为了提高速度和执行效率，可是采用了 RISC 流水线和 DSP 的设计技术，第 5 页 共 35 页 使单片机的性能明显优于同类型微处理器，有的单片机片内的 ROM 可达 64KB（式中的B 表示为字节） ，片内 RAM 可达 2KB，单片
12、机的寻址已突破 64KB 的限制，八位和十六位单片机寻址可达 1MB 和 16MB。单片机另一个显著特点是量大面广，因此世界上个大公司提高单片机性能的同时，进一步降低价格，性能/价格之比是各公司竞争的主要策略（2）体积小、有很高的可靠性单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。（3）控制功能强为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。单片机是
13、电子计算机这个庞大家族中的一个特殊品种，体积虽小，但“五脏俱全”,它非常适用于专门的控制用途。（4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品单片机大量应用于携带式产品和家用消费类产品，低电压和低功耗的特性尤为重要。许多单片机已可在 2.2 V 的电压下运行，有的已能在 1.2 V 或 0.9 V 下工作；功耗降至为 A 级，一粒纽扣电池就可以长期使用。(5) 集成度及可靠性高单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措
14、施，适合于在恶劣环境下工作。外部总线增加了 I C（Inter-Integrated Circuit）及 SPI（Serial Peripheral Interface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构 【5】 。1.2.5 单片机的应用单片机的应用范围很广，可以说覆盖了所有领域。其主要在智能仪器和控制中的应用。第 6 页 共 35 页 (1) 单片机在智能仪表中的应用单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。(2)单片机在机电一体化中的应用机电一体化是械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术
15、、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。(3) 单片机在实时控制中的应用单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。(4) 单片机在分布式多机系统中的应用在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串
16、行通信相互联系、协调工作。单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。(5) 单片机在人类生活中的应用自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用
17、单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命第 7 页 共 35 页 【6】 。单片机应用系统的设计（开发）的最终目的是能把它应用到实时控制系统以及仪器仪表、家用电器、汽车制造、医疗器械等各个领域。由于它的应用领域很广，技术要求各不相同，因此应用系统的硬件设计可以是各种各样的，但总体设计方法和研制步骤基本相同。有关单片机应用系统的一般开发、研制方法论述如下：a.组成单片机应用系统的基本方法用单片机组成应用系统时，实际问题的领域很宽，要求各不相同，组成的方案也千差万别，很难有一个固定的模式适应一切问题，但考虑问题的基本方法大体相似。对一般的应用
18、系统，大都要经历如下步骤： 提出问题，了解现场，明确指标。无论是制作智能仪表还是研制工业控制系统都要对应用对象的工作过程进行深入调查和分析，了解课题的目的要求、信号的种类和数量、应用的环境等等，要把课题最终的指标明确下来。 进行可行性论证，提出初步方案。分析所接受任务的技术关键，论证能否用计算机来解决，有没有别的途径，用计算机合算与否，用什么计算机等等。如果可行，应对接受的课题提出初步方案，划分软、硬件各分课题的任务。 提出各分课题的设计方案。软、硬件所承担的任务明确之后，则可以分别设计出软、硬件各自的功能及实现的方案。 完成总体设计，完成各分课题的任务，组成计算机应用系统。 对系统进行调试、
19、修改、完善 【7】 。b. 应用系统研制进程所谓应用系统，就是利用单片机为某应用目的而设计的单片机专用系统（在调试过程中通常称为目标系统） 。单片机的应用系统和一般的计算机应用系统一样，也是由硬件和软件所组成。硬件指单片机、扩展的存储器、输入输出设备、控制设备、执行部件等组成的系统，软件是各种控制程序的总称。硬件和软件只有紧密相结合，协调一致，才能组成高性能的单片机应用系统。在系统的研制过程中，软硬件的功能总是在不断地调整，以便相互适应，相互配合，以达到最佳性能价格比 【8】 。单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计、在线仿真调试、程序固化等几个阶段。各个阶段所完成的主要工作
20、概述如下：总体设计主要包括确定技术指标，机型及器件选择，软、硬功能划分等。硬件设计主要包括程序存储器和数据存储器芯片的选择和设计；I/O 电路、A/D、D/A 及有关第 8 页 共 35 页 外围电路的设计；系统地址译码电路、总线驱动器等的设计等。软件的主要任务是定义系统功能，软件的结构设计，画出程序结构框图及各功能的程序框图，逐个编写程序。一般采用汇编语言编程较为适合。也可采用高级语言编程 【9】 。软件设计完成后，进行在线仿真调试，也即查找程序中的错误。软件调试完成后再进行软、硬联机调试直至最后生成可用的软、硬件系统。软件和硬件联调完成以后，反复运行正常则可将用户系统程序固化到 EPROM
21、 中，插入用户样机，用户系统即可脱离开发系统独立工作。详细的开发过程可以参阅有关的资料 【10】 。1.3 串口通信简介随着多微机系统的广泛应用和计算机网络技术的普及，计算机的通信功能愈来愈显得重要。计算机通信是指计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换。通信有并行通信和串行通信两种方式。在多微机系统以及现代测控系统中信息的交换多采用串行通信方式。串行通信又同步通信方式和异步通信方式。异步通信是指通信的发送与接收设备使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程。为使双方的收发协调，要求发送和接收设备的时钟尽可能一致。协议格式如图 1.1图 1.1 协议格式停止位数据位校验位起始位L S B M
22、 S B空闲下一字符起 始位空闲一个字符帧第 9 页 共 35 页 同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制，使双方达到完全同步。此时，传输数据的位之间的距离均为“位间隔”的整数倍，同时传送的字符间不留间隙，即保持位同步关系，也保持字符同步关系。发送方对接收方的同步可以通过两种方法实现，如图 2：图 1.2 两种同步通过方法实现本系统实现了下位机（单片机）与上位机（PC）的异步全双工的通信方式。串口通信方式简单、可靠、稳定，具有很好的可移植性、实时性，可供其它串口通信系统参考。该程序在实际应用中具有良好效果。2 系统方案论证2.1 传感器部分方案一：采用热敏电阻，可满足 40 摄氏度至
23、 90 摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性 、可靠性较差，对于检测 1 摄氏度的信号是不适用的。而且在温度测量系统中，采用单片温度传感器，比如 AD590，LM35 等，但这些芯片输出都是模拟信号，必须经过A/D 转换后才能送给计算机，这样就使得测温装置的结构复杂。另外，这种测温装置计算机乙计算机甲0 1 1 0 1数据时钟计算机乙计算机甲0 1 1 0 1数据时钟数据 + 时 钟第 10 页 共 35 页 的一根线上只能挂一个传感器，不能进行多点测量，即使实现，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件的实现难度 【11】 。方案二：在多点测温系统中，传统的测温方法是将模拟信号远距离采集
24、进行 A/D 转换，而为了获得较高的测温精度，就必须采用措施解决由长线传输，多点测量切换及放大电路零点漂移等造成的误差补偿问题。采用数字温度芯片 DS18B20 测量温度，输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线性较好。在 0100 摄氏度时，最大线性偏差小于 1 摄氏度。DS18B20 的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计 DS18B20 和微控制器 AT89C52 构成的温度测量装置，它直接输出温度的数字信号，可直接与计算机连接。这样，测温系统的结构就比较简单，体积也不大，且由于 AT
25、89C52 可以带多个 DS18B20，因此可以非常容易的实现多点测量，轻松组建传感器网络。采用温度芯片 DS18B20 测量温度，就可以体现信通信片化这个趋势。部分功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。而且，集成块的使用，有效地避免外界干扰，提高测量电路的精度。所以集成芯片的使用将会成为电路发展的一种趋势。本方案选择应用这一温度芯片，也是顺应这一趋势 【12】 。2.2 主控制部分方案一：此方案采用 PC 机实现。它可在线编程，可在线仿真，这让调试变得方便。且人机交互友好。但是 PC 机输出信号不能直接与 DS18B20 通信。需要通过 RS232 电平转换兼容，硬件的合成在线调试，较为繁琐，很不简便。而且在一些环境较为恶劣的场合，PC 机的体积大，携带安装不方便，性能不稳定，给工程带来很多麻烦！方案二：此方案采用 AT89C52 八位单片机实现。单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。而且体积小，硬件实现简单，安装方便。既可以单独对多个传感器实现控制，还可以与 PC 机通信。另外， AT89C52 在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。
