摘要：介紹了可廣泛用于博物館系統的基于串行口的溫度變送器的設計實現。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據時只需給溫度變送器發送請求，它就可以把當前的溫度值發送給PC機，方便了文物保護人員的工作。
關鍵詞：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。因此隨時監控展柜和考古挖掘現場文物所處的溫度，是必要的。基于串口溫度變送器，是用單片機制作的可以實時采集和顯示溫度的系統。本系統不僅可以在現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，采集到的溫度數據可通過相關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的關系有一定的作用，以便對館藏文物和考古現場進行保護。在傳送時，采集的數據可以轉換成串行數據，通過串口傳送到PC機上。它需要完成的功能是：
(1)設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據；
(2)設計單片機串口通信電路，實現PC機與單片機系統的串行通信，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轉換器，1個串口以及幾個七段發光二極管。

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換成電信號，經過A／D轉換后將其變換成數字信號，傳送到單片機，經計算處理后經七段發光二極管輸出顯示。并將溫度信號轉換串行數據，當PC機發出請求后，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生變化，且為線性變換，再接上電阻轉化成電壓信號，經過一些穩壓、放大等處理后，與AD0809連接，轉化成8位16進制數送給單片機，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過1個74LS47芯片，可以直接使輸出碼轉化為可在七段數碼管上顯示的顯示碼。原理圖用Protel軟件進行繪制。

2 溫度變送器系統設計
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
溫度采集模塊主要由單片機最小系統、A／D轉換器、和溫度傳感器組成，溫度傳感器采集溫度信號后，經過A／D轉換器變為數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以及一個調整電壓時用到的LM324。溫度由AD590采集，為電流信號，經過所加的負載后形成電壓信號。由AD590的特性可知，在經過10 kΩ的負載后，在0～100℃之間，電壓在2．732～3．732 V均勻變化，在經過一系列的電壓調整后，溫度變化所產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。
當電壓信號傳送到A／D0809后，它將傳送過來的模擬信號轉換為數字信號，這其中有一個重要部分就是十進制的調整。因為溫度傳感器的測溫范圍為0～100℃，但AD0809的轉換范圍為00H～FFH，即有256個數，是100的2．56倍，在轉換過程中，對每個AD0809轉換過的數據進行乘4操作，這樣AD90809輸出的數據即為溫度的10倍，在顯示時給最末位的前面添加小數點，實現了到十進制的轉換。這樣就實現了溫度采集模塊的功能。
2．2 串口通訊的實現
51單片機有一個全雙工的串行通訊口，它能同時發送和接收數據。發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之前就能開始接收第2 bit。兩個串行口數據緩沖器通過特殊功能寄存器SBUF來訪問。寫入SBUF的數據儲存在發送緩沖器，用于串行發送；從SBUF讀出的數據來自接收緩沖器。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換電路，文中采用專用芯片MAX232進行轉換。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。模塊的實現主要用的器件有MAX232和DB9。
串口調試中要注意的幾點：
(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)串口調試時，準備一個好用的調試工具，如串口調試助手、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
在顯示模塊中，數據經過P1口傳送到74LS47，直接轉換成顯示碼送到七段發光二極管上顯示，在這個模塊主要用到的器件有LED和74LS-47。74LS47可以把單片機轉化好的十進制數據轉化為可直接在LED上顯示的顯示碼。
2．4 程序設計
主程序的設計思想是：先進行初始化，在初始化中設置定時器、波特率、串口等，再啟動A／D轉換，然后判斷A／D轉換是否結束，若轉換沒有結束，則顯示上次轉換好的溫度數據并繼續判斷；若轉換結束，則讀入數據并轉換為溫度進行顯示。當用戶需要溫度數據時只需給溫度變送器發送請求，它就可以把當前的溫度值發送給PC機。

3 調試
為上述3個模塊的功能都實現，就可進行系統調試。系統調試是整個開發過程的重要環節。其中包括硬件調試和軟件調試，硬件調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，看每一部分的連線有無短路、錯連、漏連等，在整體檢測。軟件調試主要是使用仿真軟件設置相應寄存器的值對源程序進行模擬調試，可采用分段調試。
調試階段，利用了專業串口調試工具：串口調試助手，可以直接在當前位置運行此軟件。在整個調試過程中需要注意PC機端與單片機端數據傳輸波特率的匹配。本次實驗采用速率為4 800 b?s-1實現數據傳輸。單片機端的程序用仿真器進行仿真。
當整個系統的調試完成后，就可以使用編程器將源程序寫入單片機AT89C52，用AT89C52替換仿真器，運行無誤，即可完成系統的整個設計。圖2是編程器與PC機的連接圖。

本系統已實現了PC機與單片機數據傳輸時串行通信端口和波特率可選，并可以正確進行數據傳輸。
現以秦俑博物館2號坑為例進行試驗，當PC機給串口發送一個信號時。單片機能夠把當前坑內的溫度值發送到PC機上，通過連續的請求，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機的接收數據和溫度變送器顯示的溫度一致。

4 結束語
本設計實現了預期的功能，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據傳送到PC機上。