基于單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20的遠(yuǎn)程糧倉溫控系統(tǒng)

1 引言

糧食溫度檢測是儲備庫中防止糧食霉?fàn)€、保質(zhì)存放的重要環(huán)節(jié)。對于一個農(nóng)業(yè)大國來講，糧食生產(chǎn)、需求與儲備量都很大。大量糧食在儲備的過程中常因糧食濕度過大而升溫發(fā)熱，導(dǎo)致糧食大量腐爛變質(zhì)，給國家?guī)砭薮髶p失。所以糧倉監(jiān)控系統(tǒng)中溫度測量是整個系統(tǒng)的主要功能之一。

本文介紹一種以單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20為溫度敏感元件的糧倉溫控系統(tǒng)，系統(tǒng)以微型計算機(jī)為上位機(jī)， 89C51單片機(jī)為檢測分機(jī)，DS18B20數(shù)字溫度傳感器直接與分機(jī)連接，分機(jī)與測溫主機(jī)通過RS-485總線網(wǎng)進(jìn)行通信，系統(tǒng)所有操作通過菜單命令完成。本文主要圍繞下位機(jī)數(shù)據(jù)采集部分進(jìn)行論述，并結(jié)合糧倉監(jiān)控系統(tǒng)，對DSl8B20的這種單總線技術(shù)及其在本系統(tǒng)中的具體應(yīng)用進(jìn)行了討論。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

整個系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可分為三層：由微型計算機(jī)構(gòu)成上位機(jī)——用戶監(jiān)控層，51 單片機(jī)系統(tǒng)分別構(gòu)成測溫主機(jī)——控制層和分機(jī)——溫度數(shù)據(jù)采集層。上位機(jī)通過串行口與測溫主機(jī)交換數(shù)據(jù)。測溫主機(jī)與多臺分機(jī)采用主從分布式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示，測溫主機(jī)與上位機(jī)通過RS-232 總線連接，測溫分機(jī)與主機(jī)通過RS-485 總線連接。一臺主機(jī)最多可管理64 臺分機(jī)，一臺分機(jī)可以測試大約1000 個溫度點。本設(shè)計適用于中小型糧庫。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 溫度數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計

DS18B20是美國DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器芯片，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗小、抗干擾能力強(qiáng)、使用方便等優(yōu)點?？梢栽谌€上同時并聯(lián)多個溫度傳感器，每臺分機(jī)上可以連接多根電纜，每根電纜上可以并聯(lián)幾十個點，構(gòu)成串行總線工作方式。由于18B20芯片送出的溫度信號是數(shù)字信號，因此簡化了A/D轉(zhuǎn)換的設(shè)計，提高了測量效率和精度；并且芯片的ROM中存有其唯一標(biāo)識碼，即不存在相同標(biāo)識碼的DS18B20，特別適合與微處理芯片構(gòu)成多點溫度測控系統(tǒng)。

每臺測溫分機(jī)的P0～P3 口分別可接N 個DS18B20 傳感器(N40)。上位機(jī)控制每臺分機(jī)工作，實現(xiàn)多點測溫。采集到的溫度數(shù)據(jù)通過RS-485 通信總線連成的總線型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，測溫分機(jī)接收到DS18B20 所傳送的溫度數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的處理發(fā)往上位機(jī)。主程序?qū)崿F(xiàn)對DS18B20 的實時數(shù)據(jù)采集，將結(jié)果存貯于單片機(jī)的RAM 區(qū)。中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)測溫分機(jī)與上位機(jī)的通信。

測溫分機(jī)按照上位機(jī)的命令來完成溫度數(shù)據(jù)采集和發(fā)送工作。其先將采集的數(shù)據(jù)存放于外部存儲器SRAM中，當(dāng)收到上位機(jī)的上傳數(shù)據(jù)命令時，由發(fā)送子程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行簡單處理后通過串口TXD端送出。在測溫主機(jī)的配合下，數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)并在上位機(jī)的監(jiān)控界面顯示給用戶。

2.3 RS-485總線在溫控系統(tǒng)中的設(shè)計

在系統(tǒng)中用51單片機(jī)構(gòu)成主從分布式測控系統(tǒng), 具有價格低、控制功能強(qiáng)等許多特點。然而在應(yīng)用中，測溫主機(jī)與各糧倉相距較遠(yuǎn)，距離從幾十米到幾千米不等。對此遠(yuǎn)程糧倉，系統(tǒng)采用RS-485總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。進(jìn)行串行通信的主機(jī)與分機(jī)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(qiáng)、可靠性高、程序設(shè)計簡單等特點。

圖2 典型RS-485(半雙工)通信網(wǎng)

在使用RS-485接口時，對于特定的傳輸線徑，從發(fā)生器到負(fù)載，其數(shù)據(jù)信號傳輸所允許的最大電纜長度是數(shù)據(jù)信號速率的函數(shù)，這個長度主要是受信號失真及噪聲等影響所限制。當(dāng)數(shù)據(jù)信號速率降低到90Kbit/S以下時，假定最大允許的信號損失為6dBV時，則電纜長度被限制在1200M。實際上，在實用時是完全可以取得比它大的電纜長度。當(dāng)使用不同線徑的電纜時，取得的最大電纜長度是不相同的。例如：當(dāng)數(shù)據(jù)信號速率為600Kbit/S時，采用24AWG電纜，計算可知最大電纜長度是200m，若采用19AWG，電纜則電纜長度將大于200m；若采用28AWG電纜，則電纜長度只能小于200m。

RS-485總線是半雙工方式，即總線上某一時刻不能同時出現(xiàn)發(fā)送和接收的情況。此方式用于多站互連時，可節(jié)省信號線，方便地實現(xiàn)RS-485的多點通信功能。考慮到中小型倉庫地理位置特點，系統(tǒng)采用較低的接收、發(fā)送波特率，以換取更遠(yuǎn)距離的傳送，此設(shè)計完全可以滿足系統(tǒng)需求?/p>

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件的工作流程

DS18B20 以單總線協(xié)議工作，測溫分機(jī)首先發(fā)送復(fù)位脈沖命令，使信號線上所有的DS18B20 芯片都被復(fù)位，接著發(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(nèi)存訪問命令狀態(tài)；內(nèi)存訪問命令完成溫度轉(zhuǎn)換、溫度讀取等工作(單總線在ROM 命令發(fā)送之前存儲命令和控制命令不起作用)。DS18B20 工作流程見圖3 所示。

圖3 DS18B20 工作流程圖

系統(tǒng)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ROM(0xCCH) 、搜索ROM(0xF0H) 和告警搜索(0xECH) 命令；存儲器操作命令為：寫暫存存儲器(0x4EH) 、讀暫存存儲器(0xBEH)、復(fù)制暫存存儲器(0x48H)、溫度變換(0x44H)、重新調(diào)出EERAM(0xB8H)以及讀電源供電方式(0xB4H)命令。其對時序及電特性參數(shù)要求較高，必須嚴(yán)格按照它的時序要求去操作。DS18B20 的數(shù)據(jù)讀寫由測溫分機(jī)來完成，包括初始化、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)。