单总线多路温度采集系统的设计

严洪立，屈 ，梅容芳

(宜宾职业技术学院，四川 宜宾 644003)

0 引言

作为一种物理量，温度给人最直观的感受就是冷、热，反映了分子热运动的剧烈程度。任何农作物都生活在具有一定温度的外界环境之中，其生理活动、生化反应等都受温度的影响。通常，其生理生化反应随温度的升高而加快、降低而变慢，体现为温度升高，生长发育加速；温度降低，生长发育迟缓。当温度高于或低于农作物所能忍受的温度范围时，将物极必反，造成其生长缓慢、停止，发育受阻，甚至死亡。因此，农作物种植应根据作物特点，调节好作物生长环境温度，为其提供最适宜的种植温度。

温度的变化具有季节性和昼夜性，夏季温度高，农作物产量品类多；冬季温度低，农作物产量少品类少，而温室大棚的出现降低了温度季节性对农作物的影响。温室大棚起源于罗马的云母覆盖，最早运用于促进黄瓜的早熟[1]。作为世界第二大农产品出口国的荷兰，土地资源稀缺，但广泛运用温室大棚种植技术，其玻璃温室面积高达16.5万亩，约占全世界温室总面积的1/4，提高了农业产值，做到了花卉、蔬果出口量居世界第一，其中，温室蔬菜占蔬菜生产总值的3/4。

我国温室大棚种植历史悠久，最早可追溯至秦朝时期，但没有得到大规模的升级与推广。自20世纪70年代开始，我国大力引进推广新型温室大棚，温室农业得到了快速发展，温室总种植面积已跃居世界第一，但受限于规模、成本等制约，现代农业技术应用不足。单作业温室大棚农户无法承担并使用大棚综合因子测控系统，大棚种植主要靠人工维护，如温度数据的采集依赖人体感受、温度计测量，干预多且费时、费力，效率低，不利于充分发挥温室大棚的优点、为农作物提供适宜的生长环境从而提高农作物产量。因此，需要一种低成本、高效率的大棚温度采集系统，帮助农户收集大棚各区域的温度数据，辅助分析作物生产环境数据，改善农作物种植方式，提高产量。

1 系统结构设计

系统的结构主要包含显示模块、控制模块和多个温度传感器。其中，控制模块采用单片机AT89C52作为中央处置器，负责处理与温度传感器的通信及温度数据处理；显示模块为LCD1602，作为人机交互界面呈现，显示温度传感器设备号及温度数据；温度传感器采用DS18B20，在空间内布局多个传感器，以总线方式向控制模块传递温度数据。系统框架如图1所示。

图1 系统框架

2 主要硬件及系统电路

2.1 控制模块

控制模块的核心为AT89C52单片机，主要为51单片机最小系统，包含时钟电路和复位电路。AT89C52为Atmel公司推出的8位低电压、高性能微处理器，自带8 k bytes的可擦写Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器[2]。该单片机还兼容MCS-51指令系统，具有中断、定时器/计数器、UART等常用功能，价格低廉，满足大部分简单的系统设计需求。

2.2 温度传感器

温度传感器是应用最多的传感器之一，主要功能是感知温度的变化，并将其装换为稳定的信号输出，品类繁多，可按测量方式和传感器材料进行划分。考虑到大棚布线及电路设计简洁的实际，本系统采用美国DALLAS公司生产的单总线数字式温度传感器DS18B20[3]，结构简单，一体化设计，仅有3个引脚，电路简洁，只需一个I/O数据线相连传输即可，且价格便宜，测量精度高，使用寿命长，既经济又实用。

2.3 显示模块

由于大棚的空间范围比较大，为了保证测量温度的准确性和有效性，需要对大棚内多个区域的温度进行测量，在显示模块需要显示多个数据，而传统数码管能够显示的内容有限，且不够灵活，需要耗费多个IO口，因此，本设计在显示模块采用LCD1602液晶显示。LCD1602的芯片工作电压在4.5～5.5 V，能够显示两排，共32个字符，每个字符为5×8点阵，且能够滚动显示，满足系统对多个温度数据灵活显示功能。

2.4 系统电路

系统电路中，控制模块的XTAL1和XTAL2引脚接时钟电路，为控制模块提供稳定的时钟，RST引脚与复位电路相连，实现点击轻触开关复位；显示模块的VSS电源地引脚接地，VDD电源引脚接5 V电源，VEE液晶显示偏压引脚与滑动变阻器相连，实现液晶偏压调节，其核心是3根控制线和数据线的连接，连接方式有直接控制方式和间接控制方式，这两种连接方式区别在于间接方式比直接方式可节省4个I/O口和数据刷新耗时不同。考虑到温度数据的刷新情况，本系统采用直接控制方式，将RS数据/命令选择引脚与P2^0相连，RW读/写选择引脚与P2^1相连，E使能信号引脚与P2^2相连，D0到D7数据引脚与P0接个上拉电阻后相连接；温度传感器A，B，C，D的VCC电源引脚接5 V电源，GND引脚接地，DQ数据引脚接上拉电阻后与P2^3相连。系统电路如图2所示。

图2 系统电路

3 软件设计

3.1 显示程序设计

经查阅LCD1602的驱动芯片数据手册可知，在对LCD1602进行编程时，应当遵守读写时的序图规则，并满足基本的时序时间参数要求，RS，RW，E这3根控制线在不同的指令时，应遵守基本操作[4]，具体如表1所示。在读状态时，RS清0，RW置1，同时，E应保持高脉冲，即可从D0—D7引脚读出状态字；在读数据时，RS和RW都应置1，E保持高脉冲，即可从D0—D7引脚读出数据；在写命令时，RS和RW都应清0，E保持高脉冲，才能向D0—D7写入命令；在写数据时，RS置1，RW

表1 LCD1602的4种基本操作

清0，E保持高脉冲，才能向D0—D7写入数据。

3.2 温度传感器程序设计

由于DS18B20为单总线数据协议，因此，在每次操作时，数据/命令的读写只能一位一位地传输，从DS18B20的数据手册时序图可知，在编程时，需要先对DS18B20进行初始化；在读操作时，先读取一位数据，再把数据左移操作，将数据拼接为一个字节；在写操作时，先把数据最低位取出，发送后，再把数据右移，取最低位发送，直至8位数据发送完毕。每个DS18B20都有64位光刻ROM，类似人的身份证号，具有唯一性。在单总线多路温度传感器采集时，需要先读出ROM序列号，再将ROM序列号进行匹配，匹配成功后，方可将对应的传感器温度数据读取出来。

3.3 系统程序设计

系统的程序中，先初始化LCD1602，待液晶显示初始化完成后，再初始化DS18B20，将DS18B20的ROM序列号与单总线上对应的温度传感器匹配后，再读取该温度传感器的温度数据，将其显示在LCD1602液晶屏幕上，如此循环，采集刷新，实现对大棚内各区域温度的实时采集显示。系统程序的流程如图3所示。

4 结语

本系统在Proteus仿真软件上进行仿真验证，结果表明，系统设计方案可行，能够实现基于单总线对多路温度传感器数据处理显示，实现对多点温度测量，采集显示的温度精度为0.1 ℃，实时数据刷新，满足温室大棚对数据采集的需求；本系统利用51单片机最小系统，LCD1602液晶显示和DS18B20温度传感器实现，设计电路简单，安装调试简单，操作方便，界面简洁直观，成本低廉，充分考虑了单作业温室大棚种植农户的经济条件，符合农户的实际需求，具有一定的应用价值。

图3 系统程序的流程