原標(biāo)題：基于AT89C2051單片機(jī)對系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)大氣溫度采集和記錄系統(tǒng)設(shè)計方案

基于AT89C2051單片機(jī)、DS18B20數(shù)字溫度計、MAX232的大氣溫度采集與記錄系統(tǒng)設(shè)計方案

在本設(shè)計方案中，我們將詳細(xì)探討一個基于AT89C2051單片機(jī)、DS18B20數(shù)字溫度計和MAX232串行通信芯片實現(xiàn)的大氣溫度采集與記錄系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在實現(xiàn)對環(huán)境溫度的精確測量、數(shù)據(jù)存儲以及與上位機(jī)進(jìn)行通信的功能。我們將從系統(tǒng)概述、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、元器件選型及理由、系統(tǒng)調(diào)試與擴(kuò)展等方面進(jìn)行深入闡述。

一、系統(tǒng)概述

大氣溫度采集與記錄系統(tǒng)是一個實時監(jiān)測環(huán)境溫度的嵌入式應(yīng)用。其核心功能包括：

1. 溫度采集： 利用DS18B20數(shù)字溫度傳感器精確獲取當(dāng)前環(huán)境溫度。

2. 數(shù)據(jù)處理： AT89C2051單片機(jī)接收并處理DS18B20傳輸?shù)臏囟葦?shù)據(jù)。

3. 數(shù)據(jù)顯示（可選）： 可以考慮連接LCD顯示屏實時顯示溫度數(shù)據(jù)。

4. 數(shù)據(jù)存儲： 將采集到的溫度數(shù)據(jù)存儲在單片機(jī)內(nèi)部或外部存儲器中，以便后續(xù)查詢或分析。

5. 串行通信： 通過MAX232芯片實現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)或其他外部設(shè)備之間的串行通信，方便數(shù)據(jù)上傳、參數(shù)設(shè)置或系統(tǒng)控制。

該系統(tǒng)具有體積小、功耗低、成本適中、穩(wěn)定性高以及易于擴(kuò)展等優(yōu)點，適用于家庭、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等多種環(huán)境的溫度監(jiān)測與記錄需求。

二、硬件設(shè)計

硬件設(shè)計是系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)，主要包括核心控制器模塊、溫度傳感器模塊、串行通信模塊、電源模塊以及可選的顯示模塊和存儲模塊。

2.1 核心控制器模塊：AT89C2051單片機(jī)

元器件型號：AT89C2051選擇理由及功能：AT89C2051是美國ATMEL公司生產(chǎn)的一種高性能、低功耗的CMOS型8位單片機(jī)，具有2KB的可擦寫只讀存儲器（Flash ROM），兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令集。選擇AT89C2051作為核心控制器有以下幾個主要原因：

• 成本效益高： 相對于功能更強大的單片機(jī)，AT89C2051價格低廉，非常適合成本敏感的項目。

• 體積小巧： 采用20引腳的PDIP或SOP封裝，尺寸小，便于在緊湊型設(shè)計中集成。這對于便攜式或小型化的大氣溫度采集系統(tǒng)至關(guān)重要。

• 低功耗： 對于長期運行的溫度采集系統(tǒng)，低功耗是重要的考量因素，AT89C2051具有多種省電模式，有助于延長電池供電時的續(xù)航時間。

• 內(nèi)置Flash存儲器： 2KB的Flash ROM足以存儲溫度采集、數(shù)據(jù)處理和串行通信等核心程序代碼，無需額外的程序存儲器。

• 集成外設(shè)： 內(nèi)部集成了定時器/計數(shù)器、通用I/O口等常用外設(shè)，方便與DS18B20和MAX232等外部器件連接。盡管I/O口數(shù)量較少（15個），但對于本系統(tǒng)而言已經(jīng)足夠。

• 廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)： MCS-51架構(gòu)擁有龐大的用戶群體和豐富的開發(fā)資料，方便學(xué)習(xí)和調(diào)試。

• 易于編程和調(diào)試： 可以使用匯編語言或C語言進(jìn)行編程，并有多種編程器和仿真器支持。

AT89C2051的功能主要包括：

• 執(zhí)行程序指令，控制整個系統(tǒng)的工作流程。

• 通過I/O口與DS18B20進(jìn)行單總線通信，讀取溫度數(shù)據(jù)。

• 處理溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換或校準(zhǔn)（如果需要）。

• 控制串行通信模塊，通過UART發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。

• （可選）控制LCD顯示模塊顯示溫度。

• （可選）管理數(shù)據(jù)存儲，將數(shù)據(jù)寫入EEPROM或FLASH。

2.2 溫度傳感器模塊：DS18B20數(shù)字溫度計

元器件型號：DS18B20選擇理由及功能：DS18B20是美國Dallas Semiconductor公司生產(chǎn)的“一線總線”數(shù)字溫度傳感器。它具有以下顯著優(yōu)點，使其成為本系統(tǒng)的理想選擇：

• 高精度： DS18B20在-10°C到+85°C范圍內(nèi)提供±0.5°C的精度，在-55°C到+125°C的寬溫度范圍內(nèi)也能提供較好的精度，足以滿足大氣溫度采集的精度要求。

• 數(shù)字輸出： 直接輸出數(shù)字信號，避免了模擬信號采集過程中可能引入的噪聲和誤差，簡化了硬件設(shè)計。

• 單總線接口： 僅需一根數(shù)據(jù)線（DQ）即可與單片機(jī)進(jìn)行通信，大大簡化了布線，節(jié)省了單片機(jī)的I/O口資源?？梢話燧d多個DS18B20在同一條總線上進(jìn)行多點測溫。

• 寄生電源模式： DS18B20可以在沒有獨立電源的情況下工作，通過數(shù)據(jù)線竊取電源，進(jìn)一步簡化了布線。在電源布線不便或需要節(jié)省電源線的情況下非常有用。

• 唯一64位ID： 每個DS18B20都具有一個唯一的64位序列號，這使得在一個單總線上可以同時連接多個傳感器，方便進(jìn)行多點溫度監(jiān)測。

• 可編程分辨率： 用戶可以設(shè)置9位、10位、11位或12位的溫度分辨率，以在精度和轉(zhuǎn)換時間之間進(jìn)行權(quán)衡。

• 寬工作電壓范圍： 適用于3.0V至5.5V的電源電壓，與AT89C2051的工作電壓兼容。

DS18B20的功能主要包括：

• 感應(yīng)環(huán)境溫度，并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

• 通過單總線協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行通信，響應(yīng)讀寫指令。

• 存儲溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果和用戶自定義的報警溫度閾值。

2.3 串行通信模塊：MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片

元器件型號：MAX232選擇理由及功能：MAX232是Maxim公司生產(chǎn)的RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片。由于AT89C2051單片機(jī)內(nèi)部的UART（通用異步收發(fā)器）是TTL/CMOS電平（0V/5V），而PC機(jī)的串口是RS-232電平（-15V~-3V為邏輯1，+3V~+15V為邏輯0），兩者電平不兼容。MAX232的作用就是實現(xiàn)這兩種電平之間的相互轉(zhuǎn)換。

• 電平轉(zhuǎn)換： 將單片機(jī)TXD/RXD的TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換為RS-232標(biāo)準(zhǔn)電平，以便與PC機(jī)或其他RS-232設(shè)備進(jìn)行通信。

• 收發(fā)器集成： MAX232內(nèi)部集成了兩路驅(qū)動器和兩路接收器，足以滿足一個全雙工串行通信的需求（TX和RX）。

• 單5V供電： 大多數(shù)型號的MAX232芯片只需單+5V電源即可工作，這與AT89C2051的供電兼容，簡化了電源設(shè)計。

• 內(nèi)置電荷泵： MAX232內(nèi)部集成了電荷泵電路，可以使用外部的電容產(chǎn)生RS-232所需的正負(fù)電壓，無需額外的外部電源。

• 應(yīng)用廣泛： 作為標(biāo)準(zhǔn)的RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片，其應(yīng)用非常成熟，資料豐富，易于使用。

MAX232的功能主要包括：

• 將單片機(jī)發(fā)送的TTL電平數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS-232電平，發(fā)送到PC機(jī)。

• 將PC機(jī)發(fā)送的RS-232電平數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為TTL電平，發(fā)送給單片機(jī)。

2.4 電源模塊

元器件型號：78L05/AMS1117-5.0等線性穩(wěn)壓器，或DC-DC降壓模塊選擇理由及功能：電源模塊為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流工作電壓。

• 78L05/AMS1117-5.0（線性穩(wěn)壓器）： 如果輸入電壓為7V~12V左右的直流電壓，且電流需求不大，線性穩(wěn)壓器如78L05（TO-92封裝，輸出電流100mA）或AMS1117-5.0（SOT-223封裝，輸出電流1A）是簡單可靠的選擇。它們能將較高的輸入電壓穩(wěn)定輸出為5V，為單片機(jī)、DS18B20和MAX232供電。選擇它們的原因是電路簡單、成本低、紋波小。

• DC-DC降壓模塊： 如果輸入電壓波動較大或系統(tǒng)對效率有較高要求，或者需要從較高電壓（如12V、24V）降壓到5V，DC-DC降壓模塊（如基于LM2596等芯片的模塊）是更優(yōu)的選擇。它們效率高，發(fā)熱量小，能夠支持更大的電流輸出。

電源模塊的功能是提供整個系統(tǒng)所需的5V穩(wěn)定工作電壓，確保各芯片正常工作。通常還需要在穩(wěn)壓器輸入和輸出端添加電容進(jìn)行濾波，以提高電源穩(wěn)定性。

2.5 存儲模塊（可選，用于數(shù)據(jù)記錄）

元器件型號：24C02/24C16/24C32等I2C接口EEPROM選擇理由及功能：如果需要長期記錄溫度數(shù)據(jù)，單片機(jī)內(nèi)部的Flash ROM容量有限，通常會選擇外部EEPROM。

• 24CXXX系列EEPROM： 這是一系列通過I2C（Two-Wire Interface，雙線接口）協(xié)議與單片機(jī)通信的串行EEPROM。常見的型號有24C02（2K位，256字節(jié)）、24C16（16K位，2KB）、24C32（32K位，4KB）等。

• 選擇理由：

• 非易失性存儲： 斷電后數(shù)據(jù)不會丟失，非常適合長期數(shù)據(jù)記錄。

• I2C接口： 只需要兩根線（SDA和SCL）即可與單片機(jī)通信，節(jié)省I/O口資源，且協(xié)議簡單易于實現(xiàn)。

• 容量選擇靈活： 根據(jù)需要記錄的數(shù)據(jù)量和記錄頻率選擇合適的容量。

• 成本低廉： 串行EEPROM價格普遍較低。

• 功能： 存儲DS18B20采集到的溫度數(shù)據(jù)以及時間戳（如果系統(tǒng)有RTC模塊），形成溫度記錄日志。單片機(jī)可以按需讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)。

2.6 顯示模塊（可選）

元器件型號：1602 LCD液晶顯示屏選擇理由及功能：如果需要實時顯示當(dāng)前溫度，可以考慮使用LCD顯示屏。

• 1602 LCD顯示屏： 常見的字符型液晶顯示屏，可以顯示2行16個字符。

• 選擇理由：

• 成本低廉： 1602 LCD是最 便宜、最常用的液晶顯示屏之一。

• 易于驅(qū)動： 采用HD44780兼容控制器，有完善的驅(qū)動庫和例程。

• 直觀顯示： 能夠直觀地顯示當(dāng)前溫度、單位等信息。

• 功能： 實時顯示DS18B20采集到的當(dāng)前溫度值，以及其他狀態(tài)信息（如通信狀態(tài)、存儲狀態(tài)等）。

三、軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，主要包括單片機(jī)端程序和上位機(jī)通信程序。

3.1 單片機(jī)端程序

單片機(jī)程序是整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)溫度采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和串行通信。程序設(shè)計流程如下：

1. 系統(tǒng)初始化：

• 配置I/O口：將與DS18B20相連的I/O口配置為輸入/輸出模式。

• 配置定時器/計數(shù)器：用于延時或生成DS18B20所需的時序。

• 配置UART：設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗位等，以便與MAX232通信。

• （可選）初始化I2C總線：如果使用了EEPROM。

• （可選）初始化LCD：如果使用了LCD顯示屏。

2. DS18B20溫度采集：

• 總線復(fù)位： 單片機(jī)發(fā)送復(fù)位脈沖，DS18B20響應(yīng)。

• 發(fā)送跳過ROM命令（0xCC）： 如果只有一個DS18B20，可以跳過ROM匹配步驟。如果有多個DS18B20，需要發(fā)送匹配ROM命令（0x55）并提供對應(yīng)的64位ID。

• 發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令（0x44）： 啟動DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換。

• 等待轉(zhuǎn)換完成： DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換需要一定時間（最高分辨率12位需要750ms）。單片機(jī)可以等待相應(yīng)時間或通過讀取DS18B20的狀態(tài)寄存器來判斷轉(zhuǎn)換是否完成。

• 發(fā)送跳過ROM命令（0xCC）： （如果只有一個DS18B20）

• 發(fā)送讀取暫存器命令（0xBE）： 讀取DS18B20的9字節(jié)暫存器，其中包含溫度數(shù)據(jù)。

• CRC校驗： 對讀取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

• 解析溫度數(shù)據(jù)： 從暫存器中提取16位溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)DS18B20的數(shù)據(jù)格式（補碼形式）進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到實際溫度值（帶符號，可以保留小數(shù)點后幾位）。

3. 數(shù)據(jù)處理：

• 將讀取到的原始溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實際的攝氏度或華氏度。

• 可以進(jìn)行軟件濾波，如平均值濾波或中值濾波，以減少瞬時誤差。

• （可選）實現(xiàn)溫度報警功能：如果溫度超過設(shè)定的閾值，可以通過蜂鳴器或LED指示。

4. 數(shù)據(jù)存儲（如果使用EEPROM）：

• 設(shè)計數(shù)據(jù)存儲格式，例如：每個溫度數(shù)據(jù)占用2個字節(jié)，然后是時間戳（如果存在）。

• 當(dāng)采集到新的溫度數(shù)據(jù)時，將其寫入EEPROM的下一個可用地址。

• 管理EEPROM的讀寫指針或地址，防止數(shù)據(jù)覆蓋。

• 實現(xiàn)讀取EEPROM數(shù)據(jù)的功能，以便通過串口發(fā)送給上位機(jī)。

5. 串行通信：

• 將處理后的溫度數(shù)據(jù)格式化為字符串，例如“TEMP: +25.3C”。

• 通過AT89C2051的UART發(fā)送數(shù)據(jù)。這涉及到將字符串中的每個字符通過UART的發(fā)送寄存器（SBUF）發(fā)送出去。

• 實現(xiàn)接收上位機(jī)命令的功能，例如上位機(jī)發(fā)送“READ”命令，單片機(jī)就發(fā)送存儲的溫度數(shù)據(jù)；發(fā)送“SET_INTERVAL”命令，單片機(jī)就改變采集間隔。

6. 主循環(huán)：

• 在一個無限循環(huán)中重復(fù)執(zhí)行溫度采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和串行通信等任務(wù)。

• 設(shè)置合適的采集間隔，例如每隔5秒或1分鐘采集一次溫度。可以使用定時器中斷實現(xiàn)精確延時。

3.2 上位機(jī)通信程序（簡要說明）

上位機(jī)程序通常運行在PC機(jī)上，負(fù)責(zé)接收單片機(jī)發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行顯示、存儲、分析等。

• 串口助手： 最簡單的上位機(jī)程序可以使用現(xiàn)成的串口調(diào)試助手，直接顯示單片機(jī)發(fā)送的原始數(shù)據(jù)。

• 自定義軟件： 可以使用LabVIEW、Python（PySerial庫）、C#（SerialPort類）或VB等語言開發(fā)自定義上位機(jī)軟件。

• 選擇串口號和波特率，打開/關(guān)閉串口。

• 實時顯示接收到的溫度數(shù)據(jù)。

• 將數(shù)據(jù)保存到文件（CSV、TXT等）。

• 繪制溫度曲線圖。

• 發(fā)送命令給單片機(jī)，如查詢歷史數(shù)據(jù)、設(shè)置采集間隔等。

• 功能包括：

四、系統(tǒng)調(diào)試與擴(kuò)展

4.1 系統(tǒng)調(diào)試

• 分模塊調(diào)試： 建議先單獨調(diào)試各個模塊，確保其功能正常。

• 先調(diào)試DS18B20，確認(rèn)單片機(jī)能夠正確讀取溫度數(shù)據(jù)。

• 再調(diào)試MAX232，確保單片機(jī)能夠通過串口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

• 最后將各模塊集成，進(jìn)行聯(lián)調(diào)。

• LED指示： 在關(guān)鍵程序段添加LED指示，方便判斷程序運行狀態(tài)。

• 串口輸出調(diào)試信息： 在程序中打印調(diào)試信息到串口，通過串口助手查看，有助于定位問題。

• 示波器： 對于時序敏感的DS18B20通信和串口通信，使用示波器觀察信號波形是定位問題的有效手段。

4.2 系統(tǒng)擴(kuò)展

• 實時時鐘（RTC）模塊： 添加DS1302或DS3231等RTC芯片，為采集到的溫度數(shù)據(jù)添加精確的時間戳，方便數(shù)據(jù)分析。

• 存儲容量擴(kuò)展： 如果需要記錄更長時間的數(shù)據(jù)，可以考慮使用更大容量的EEPROM，或者使用SD卡模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。

• 無線通信： 集成藍(lán)牙模塊（如HC-05/HC-06）、ESP8266 Wi-Fi模塊或LoRa模塊，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，擺脫線纜束縛。

• 人機(jī)交互界面： 添加按鍵，實現(xiàn)模式切換、參數(shù)設(shè)置等功能。

• LCD顯示： 集成1602或12864液晶顯示屏，實時顯示溫度、時間、存儲狀態(tài)等信息。

• 多點測溫： 利用DS18B20的單總線特性，可以連接多個DS18B20傳感器，實現(xiàn)多點溫度監(jiān)測。

• 報警功能： 當(dāng)溫度超出預(yù)設(shè)范圍時，通過蜂鳴器、LED或短信模塊進(jìn)行報警。

• 網(wǎng)絡(luò)化： 通過以太網(wǎng)模塊或ESP8266等實現(xiàn)系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)平臺連接，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理。

五、電路圖設(shè)計（概念性描述）

由于無法直接繪制電路圖，以下是各模塊之間的連接示意和關(guān)鍵細(xì)節(jié)描述：

• AT89C2051最小系統(tǒng)：

• 晶振： 連接12MHz（或更高）晶振和兩個30pF左右的瓷片電容到XTAL1和XTAL2引腳，提供系統(tǒng)時鐘。

• 復(fù)位電路： 外部接一個10uF電解電容和10KΩ電阻到RST引腳，實現(xiàn)上電復(fù)位功能。

• 電源： VCC接+5V，GND接地。

• DS18B20連接：

• DS18B20的DQ引腳（數(shù)據(jù)線）通過一個4.7KΩ上拉電阻連接到+5V，然后連接到AT89C2051的一個通用I/O口，例如P1.0。

• VCC接+5V，GND接地（如果使用獨立供電模式）。如果使用寄生電源模式，VCC引腳接地，DQ引腳通過上拉電阻連接到單片機(jī)I/O口。

• MAX232連接：

• MAX232的VCC接+5V，GND接地。

• MAX232需要四個外部1uF或0.1uF的電解電容或瓷片電容（C1+, C1-, C2+, C2-, VCC, V+）。

• MAX232的T1IN連接到AT89C2051的TXD引腳（通常是P1.0，但AT89C2051沒有專用的TXD/RXD引腳，需要軟件模擬或者使用P1.0作為數(shù)據(jù)口，利用定時器實現(xiàn)UART功能）。

• MAX232的R1OUT連接到AT89C2051的RXD引腳（同樣是P1.1，軟件模擬）。

• MAX232的T1OUT連接到RS-232串口的RXD（通常是DB9接口的2腳）。

• MAX232的R1IN連接到RS-232串口的TXD（通常是DB9接口的3腳）。

• RS-232串口的GND（通常是DB9接口的5腳）連接到系統(tǒng)GND。

• 24CXXX EEPROM連接（可選）：

• 24CXXX的SDA引腳和SCL引腳各通過一個4.7KΩ上拉電阻連接到+5V。

• SDA連接到AT89C2051的一個I/O口，例如P1.2。

• SCL連接到AT89C2051的另一個I/O口，例如P1.3。

• VCC接+5V，GND接地。

• 1602 LCD連接（可選）：

• LCD的RS、RW、EN、DB0-DB7引腳連接到AT89C2051的I/O口。通常采用4位或8位模式連接。

• VCC接+5V，GND接地。

• VEE引腳接一個電位器來調(diào)節(jié)對比度。

• 背光LED引腳（A/K）通過限流電阻連接到電源。

六、總結(jié)

本設(shè)計方案詳細(xì)闡述了一個基于AT89C2051單片機(jī)、DS18B20數(shù)字溫度計和MAX232串行通信芯片的大氣溫度采集與記錄系統(tǒng)。從系統(tǒng)概述到硬件設(shè)計、元器件選型、軟件編程以及系統(tǒng)調(diào)試與擴(kuò)展，都進(jìn)行了深入的探討。通過合理的元器件選擇和精心的軟硬件設(shè)計，可以構(gòu)建出一個穩(wěn)定、可靠、功能完善的溫度采集與記錄系統(tǒng)。

該方案具有較高的成本效益和較好的可擴(kuò)展性，為開發(fā)者提供了清晰的設(shè)計思路。通過進(jìn)一步的細(xì)化和實際的電路板制作，以及軟件程序的編寫和調(diào)試，即可實現(xiàn)一個滿足實際應(yīng)用需求的溫度監(jiān)測系統(tǒng)。在實際開發(fā)過程中，務(wù)必注意電源穩(wěn)定性、信號完整性、抗干擾性以及軟件的健壯性，以確保系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。