构建一个独立运行的基础温度监测系统

使用 Microchip AT89S8253-24AU 微控制器、DS18B20 温度传感器、16x2 LCD 显示屏、蜂鸣器和 UART 接口，构建一个独立运行的 8051 基础温度监测系统。

8051 架构对于学习微控制器在寄存器和外设层面的实际工作原理仍然非常有用。本项目并未将硬件隐藏在高级框架之中，而是利用 Microchip AT89S8253-24AU 构建一个小型但实用的温度监控系统。

AT89S8253 是一款 8 位 MCS-51 兼容型微控制器，具备 12 KB 内置可编程闪存、2 KB EEPROM 数据存储器、256 字节内部 RAM、32 个可编程 I/O 端口、三个 16 位定时器/计数器、UART、SPI、看门狗以及低功耗运行模式。它可在 2.7 V 至 5.5 V 电压范围内工作，并支持最高 24 MHz 的时钟频率。

目标是利用这些基本资源，开发出一个真正可用于工作台上的设备：一种能够本地显示当前温度，并通过串行端口将读数发送至计算机的温度监测器。

为何选择 AT89S8253?

许多现代开发板使得外设初始化变得极为简便。这有助于快速原型开发，但可能会掩盖微控制器内部的实际运行情况。

AT89S8253 为学习基础内容提供了良好的平台：

- 8051 指令架构

- GPIO 配置

- 定时器配置

- UART 通信

- 中断驱动的固件

- 一维总线传感器通信

- LCD 控制

- 看门狗操作

- 非易失性数据存储

该设备还内置了 EEPROM，因此无需额外添加内存芯片即可在后续扩展项目中存储报警阈值、校准常数或累积温度统计数据。

温度传感器

选择 DS18B20+ 是因为其提供数字温度接口，仅需电源和地线外，还需一个数据信号。

传感器连接到 AT89S8253 的一个 GPIO 引脚。当没有设备主动驱动时，上拉电阻会保持一维总线数据线处于高电平状态。

固件执行以下步骤：

- 重置一维总线

- 发送跳过 ROM 命令

- 启动温度转换

- 等待转换完成

- 读取传感器的 Scratchpad 数据

- 将返回值转换为摄氏度

- 在 LCD 上显示结果

- 通过UART发送读数。

- 当超过设定阈值时，触发报警。

本地显示

16×2 LCD 提供了一个简单的本地界面，无需连接计算机。

典型的显示屏可能如下所示：

当温度超过设定阈值时：

蜂鸣器和LED灯可提供本地警告。

串行监控

UART 提供了另一个实用接口。使用USB转UART适配器，可将AT89S8253连接到计算机。

例如，终端可以接收：

这使得该项目成为基于PC进行日志记录或实验室监控的理想起点。

固件架构

固件有意保持与硬件紧密耦合，而非采用Arduino兼容的抽象层。

主程序执行初始化后进入一个简单的监控循环。

定时器用于生成UART通信及系统延迟的精确时间。

GPIO引脚负责控制LCD、DS18B20+、报警LED和蜂鸣器。

软件被划分为多个小模块：

•lcd_init() – 初始化LCD

•lcd_cmd() – 发送LCD命令

•lcd_data() – 发送LCD字符

•lcd_print() – 显示字符串

•onewire_reset() – 重置DS18B20总线

•onewire_write_bit() – 写入一个1-Wire位

•onewire_read_bit() – 读取一个1-Wire位

•onewire_write_byte() – 发送命令

•onewire_read_byte() – 接收传感器数据

•ds18b20_read_temperature() – 获取温度值

•uart_init() – 配置串行接口

•uart_putc() – 发送一个字符

•uart_print() – 发送字符串

这种结构还使得该项目更容易修改为其他兼容8051的应用程序。

实际应用

完成的电路可作为以下领域的学习平台：

- 实验台温度监测

- 电子实验室项目

- 小型机箱温度监测

- 8051固件开发(传统系统)

- UART数据记录实验

- 8051外设编程练习

- 传感器接口实验

- 原生嵌入式编程入门

该电路不适用于替代经过认证的工业级温度监测系统。在生产应用中，传感器精度、电源行为、电磁兼容性(EMC)性能、PCB布局、环境适用范围以及固件故障处理能力，均需根据实际需求进行验证。

可能的扩展功能

AT89S8253具备足够的外设资源，可大幅扩展项目功能。

未来PCB版本可增加以下功能：

- 基于EEPROM的报警阈值存储

- SPI连接的外部存储器

- 实时钟(RTC)用于带时间戳的测量

- 多个DS18B20传感器

- 继电器输出

- 风扇控制

- SD卡数据记录

- PC端日志记录软件

- 基于看门狗的故障恢复机制

- EEPROM中存储的校准常数

内置的SPI接口在扩展方面尤为有趣，因为Microchip的AT89S8253应用文档展示了使用外部串行EEPROM进行SPI主控操作。

本文编译自hackster.io