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1 引言 糧食溫度檢測是儲備庫中防止糧食霉爛、保質(zhì)存放的重要環(huán)節。對于一個(gè)農業(yè)大國來(lái)講，糧食生產(chǎn)、需求與儲備量都很大。大量糧食在儲備的過(guò)程中常因糧食濕度過(guò)大而升溫發(fā)熱，導致糧食大量腐爛變質(zhì)，給國家帶來(lái)巨大損失。所以糧倉監控系統中溫度測量是整個(gè)系統的主要功能之一。 本文介紹一種以單線(xiàn)數字溫度傳感器DS18B20為溫度敏感元件的糧倉溫控系統，系統以微型計算機為上位機， 89C51單片機為檢測分機，DS18B20數字溫度傳感器直接與分機連接，分機與測溫主機通過(guò)RS-485總線(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行通信，系統所有操作通過(guò)菜單命令完成。本文主要圍繞下位機數據采集部分進(jìn)行論述，并結合糧倉監控系統，對DSl8B20的這種單總線(xiàn)技術(shù)及其在本系統中的具體應用進(jìn)行討論。 2 系統硬件設計 2.1 系統的總體設計 整個(gè)系統從結構上可分為三層：由微型計算機構成上位機——用戶(hù)監控層，51 單片機系統分別構成測溫主機——控制層和分機——溫度數據采集層。上位機通過(guò)串行口與測溫主機交換數據。測溫主機與多臺分機采用主從分布式結構。系統組成結構如圖1 所示，測溫主機與上位機通過(guò)RS-232 總線(xiàn)連接，測溫分機與主機通過(guò)RS-485 總線(xiàn)連接。一臺主機最多可管理64 臺分機，一臺分機可以測試大約1000 個(gè)溫度點(diǎn)。本設計適用于中小型糧庫。 圖1 系統結構圖 2.2 溫度數據采集模塊的設計 DS18B20是美國DALLAS公司生產(chǎn)的數字溫度傳感器芯片，具有結構簡(jiǎn)單、體積小、功耗小、抗干擾能力強、使用方便等優(yōu)點(diǎn)�？梢栽谌�(xiàn)上同時(shí)并聯(lián)多個(gè)溫度傳感器，每臺分機上可以連接多根電纜，每根電纜上可以并聯(lián)幾十個(gè)點(diǎn)，構成串行總線(xiàn)工作方式。由于18B20芯片送出的溫度信號是數字信號，因此簡(jiǎn)化了A/D轉換的設計，提高了測量效率和精度；并且芯片的ROM中存有其唯一標識碼，即不存在相同標識碼的DS18B20，特別適合與微處理芯片構成多點(diǎn)溫度測控系統。 每臺測溫分機的P0～P3 口分別可接N 個(gè)DS18B20 傳感器(N＜40)。上位機控制每臺分機工作，實(shí)現多點(diǎn)測溫。采集到的溫度數據通過(guò)RS-485 通信總線(xiàn)連成的總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳輸，測溫分機接收到DS18B20 所傳送的溫度數據，并將這些數據進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理發(fā)往上位機。主程序實(shí)現對DS18B20 的實(shí)時(shí)數據采集，將結果存貯于單片機的RAM 區。中斷服務(wù)程序實(shí)現測溫分機與上位機的通信。 測溫分機按照上位機的命令來(lái)完成溫度數據采集和發(fā)送工作。其先將采集的數據存放于外部存儲器SRAM中，當收到上位機的上傳數據命令時(shí)，由發(fā)送子程序將數據進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后通過(guò)串口TXD端送出。在測溫主機的配合下，數據上傳到上位機并在上位機的監控界面顯示給用戶(hù)。 2.3 RS-485總線(xiàn)在溫控系統中的設計 在系統中用51單片機構成主從分布式測控系統, 具有價(jià)格低、控制功能強等許多特點(diǎn)。然而在應用中，測溫主機與各糧倉相距較遠，距離從幾十米到幾千米不等。對此遠程糧倉，系統采用RS-485總線(xiàn)實(shí)現數據的遠程傳輸。進(jìn)行串行通信的主機與分機的RS-485接口電路如圖2.3所示。該電路以MAX485芯片為核心器件進(jìn)行半雙工通信，具有通信功能強、可靠性高、程序設計簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。 圖2 典型RS-485(半雙工)通信網(wǎng) 在使用RS-485接口時(shí)，對于特定的傳輸線(xiàn)徑，從發(fā)生器到負載，其數據信號傳輸所允許的最大電纜長(cháng)度是數據信號速率的函數，這個(gè)長(cháng)度主要是受信號失真及噪聲等影響所限制。當數據信號速率降低到90Kbit/S以下時(shí)，假定最大允許的信號損失為6dBV時(shí)，則電纜長(cháng)度被限制在1200M。實(shí)際上，在實(shí)用時(shí)是完全可以取得比它大的電纜長(cháng)度。當使用不同線(xiàn)徑的電纜時(shí)，取得的最大電纜長(cháng)度是不相同的。例如：當數據信號速率為600Kbit/S時(shí)，采用24AWG電纜，計算可知最大電纜長(cháng)度是200m，若采用19AWG，電纜則電纜長(cháng)度將大于200m；若采用28AWG電纜，則電纜長(cháng)度只能小于200m。 RS-485總線(xiàn)是半雙工方式，即總線(xiàn)上某一時(shí)刻不能同時(shí)出現發(fā)送和接收的情況。此方式用于多站互連時(shí)，可節省信號線(xiàn)，方便地實(shí)現RS-485的多點(diǎn)通信功能�？紤]到中小型倉庫地理位置特點(diǎn)，系統采用較低的接收、發(fā)送波特率，以換取更遠距離的傳送，此設計完全可以滿(mǎn)足系統需求? 3 軟件設計 3.1 系統軟件的工作流程 DS18B20 以單總線(xiàn)協(xié)議工作，測溫分機首先發(fā)送復位脈沖命令，使信號線(xiàn)上所有的DS18B20 芯片都被復位，接著(zhù)發(fā)送ROM 操作命令，使序列號編碼匹配的DS18B20 被激活進(jìn)入接收內存訪(fǎng)問(wèn)命令狀態(tài)；內存訪(fǎng)問(wèn)命令完成溫度轉換、溫度讀取等工作(單總線(xiàn)在ROM 命令發(fā)送之前存儲命令和控制命令不起作用)。DS18B20 工作流程見(jiàn)圖3 所示。 圖3 DS18B20 工作流程圖 系統以ROM 命令和存儲器命令的形式對DS18B20 操作。ROM 操作命令均為8 位，命令代碼分別為：讀ROM(0x33H)、匹配ROM(0x55H)、跳過(guò)ROM(0xCCH) 、搜索ROM(0xF0H) 和告警搜索(0xECH) 命令；存儲器操作命令為：寫(xiě)暫存存儲器(0x4EH) 、讀暫存存儲器(0xBEH)、復制暫存存儲器(0x48H)、溫度變換(0x44H)、重新調出EERAM(0xB8H)以及讀電源供電方式(0xB4H)命令。其對時(shí)序及電特性參數要求較高，必須嚴格按照它的時(shí)序要求去操作。DS18B20 的數據讀寫(xiě)由測溫分機來(lái)完成，包括初始化、讀數據和寫(xiě)數據。 系統軟件采用模塊化程序設計，主從式結構通信方式。規定總線(xiàn)上有一個(gè)測溫主機和64臺分機，分機地址唯一。初始化完成后各分機均處于監聽(tīng)狀態(tài)，采用中斷方式工作，測溫分機接受上位機命令，向DS18B20發(fā)出地址匹配命令幀，進(jìn)入等待狀態(tài)，每一幀數據位都對應著(zhù)不同意義，若地址匹配成功則進(jìn)行響應分機，否則繼續等待，直到等待超時(shí)而重發(fā)命令。溫度采集模塊負責數據的采集工作。 當緩沖區有數據時(shí)產(chǎn)生中斷，程序轉向中斷服務(wù)子程序入口，中斷子程序如下： C程序 void SerialInterrupt() interrupt 4 //中斷服務(wù)子程序 { loop0:if(RI);SlaveNo=SBUF; RI=0; while (! RI); //等待下一個(gè)命令 loop1:RI=0; SensorNo=SBUF; if(SlaveNo==0x81&SensorNo＜0x80) //判別數據是否合法 { while(1) { Gettemp(SensorNo); if(RI) goto loop1; } } else goto loop0; } //否則繼續等待 3.2 DS18B20的時(shí)延及讀寫(xiě)時(shí)序問(wèn)題 為保證DS18B20的嚴格I/O時(shí)序，需要作較精確的延時(shí)。在DS18B20的操作中，短時(shí)間延時(shí)是指10us以下的延時(shí)，在匯編語(yǔ)言下采用若干個(gè)NOP指令即可。因C51編譯器提供了若干內部函數，（_nop_()函數為其中之一）其編譯結果就是在對應位置嵌入一個(gè)nop匯編指令，所以短時(shí)間延時(shí)可利用_nop_()函數實(shí)現。較長(cháng)時(shí)間延時(shí)指10us以上的延時(shí)。在DS18B20操作中，用到的較長(cháng)時(shí)間延時(shí)有15us、90us、270us、540us等。因這些延時(shí)均為15us的整數倍，可編寫(xiě)一個(gè)Delayl5(n)函數，該函數可實(shí)現約15us×n的延時(shí)。 DS18B20的初始化包括測溫分機發(fā)送的復位脈沖和其向測溫分機返回的存在脈沖�？偩�(xiàn)在開(kāi)始時(shí)刻發(fā)出一個(gè)最短為480us的低電平復位脈沖，接著(zhù)在該時(shí)刻釋放總線(xiàn)并進(jìn)入接收狀態(tài)，DS18B20在接收到總線(xiàn)的電平上升沿，等待15—60us后在下一時(shí)刻發(fā)出60—240us時(shí)延的低電平存在脈沖信號，表明器件已接在總線(xiàn)上。時(shí)序如圖4所示。 圖4 初始化圖 當總線(xiàn)于該時(shí)刻從高電平拉至低電平時(shí)，就產(chǎn)生“寫(xiě)”的時(shí)間間隙。從該時(shí)刻開(kāi)始15us之內，應將所需寫(xiě)的位送到總線(xiàn)上，DS18B20在該時(shí)刻后的15—45us期間內對總線(xiàn)采樣，低電平寫(xiě)入0，高電平寫(xiě)入1。連續寫(xiě)兩位之間的間隙應大于1us。寫(xiě)時(shí)序如圖5所示。 圖5 讀寫(xiě)時(shí)序圖 起始時(shí)刻將總線(xiàn)從高電平拉至低電平，持續15us之后將總線(xiàn)釋放，就產(chǎn)生讀時(shí)間間隙。測溫分機必須在該時(shí)刻之后的15us之內完成讀總線(xiàn)狀態(tài)，并在45us內釋放總線(xiàn)，連續讀兩位之間的間隙應大于1us。讀時(shí)序如圖5所示。 4 總結 本文論述了以DS18B20 為傳感器，AT89C51 單片機為控制核心組成的遠程糧倉溫控系統。由于DS18B20 采用數字單總線(xiàn)技術(shù)，使得系統電路簡(jiǎn)單，易于擴展，加上總線(xiàn)數字化，使得系統的抗干擾性能好，可靠性高，測溫范圍比較寬(-55～125℃)，與傳統的溫控系統相比還具有較高的性?xún)r(jià)比。此外，系統的應用范圍不僅僅局限于糧倉領(lǐng)域，稍作改動(dòng)還可作為其它自控領(lǐng)域的解決方案，如煙葉烘烤箱控制系統等。 本文作者創(chuàng )新觀(guān)點(diǎn)：采用新型數字溫度傳感器DS18B20，并將其與51 單片機、RS-485總線(xiàn)技術(shù)有機的結合在一起，組成抗干擾性能較強的溫控系統。系統具有較高的性?xún)r(jià)比，已成功應用于許昌、尉氏等中型糧庫中。該系統避免了因溫度過(guò)高而導致大量糧食發(fā)霉變質(zhì)所造成的損失，對于中型糧庫可產(chǎn)生經(jīng)濟效益百萬(wàn)元以上，在糧食儲藏技術(shù)領(lǐng)域內具有廣闊的市場(chǎng)前景。 |
