基于DS18B20的遠(yuǎn)程糧倉(cāng)溫控系統(tǒng)

1 引言

糧食溫度檢測(cè)是儲(chǔ)備庫(kù)中防止糧食霉?fàn)€、保質(zhì)存放的重要環(huán)節(jié)。對(duì)于一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)來(lái)講，糧食生產(chǎn)、需求與儲(chǔ)備量都很大。大量糧食在儲(chǔ)備的過(guò)程中常因糧食濕度過(guò)大而升溫發(fā)熱，導(dǎo)致糧食大量腐爛變質(zhì)，給國(guó)家?guī)?lái)巨大損失。所以糧倉(cāng)監(jiān)控系統(tǒng)中溫度測(cè)量是整個(gè)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(cāng)溫控系統(tǒng)，系統(tǒng)以微型計(jì)算機(jī)為上位機(jī)， 89C51單片機(jī)為檢測(cè)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(cè)溫主機(jī)通過(guò)RS-485總線網(wǎng)進(jìn)行通信，系統(tǒng)所有操作通過(guò)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(cāng)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)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(jì)

2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可分為三層：由微型計(jì)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(cè)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(guò)串行口與測(cè)溫主機(jī)交換數(shù)據(jù)。測(cè)溫主機(jī)與多臺(tái)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(cè)溫主機(jī)與上位機(jī)通過(guò)RS-232 總線連接，測(cè)溫分機(jī)與主機(jī)通過(guò)RS-485 總線連接。一臺(tái)主機(jī)最多可管理64 臺(tái)分機(jī)，一臺(tái)分機(jī)可以測(cè)試大約1000 個(gè)溫度點(diǎn)。本設(shè)計(jì)適用于中小型糧庫(kù)。

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(jì)

DS18B20是美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器芯片，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗小、抗干擾能力強(qiáng)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)?？梢栽谌€上同時(shí)并聯(lián)多個(gè)溫度傳感器，每臺(tái)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(gè)點(diǎn)，構(gòu)成串行總線工作方式。由于18B20芯片送出的溫度信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，因此簡(jiǎn)化了A/D轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)，提高了測(cè)量效率和精度；并且芯片的ROM中存有其唯一標(biāo)識(shí)碼，即不存在相同標(biāo)識(shí)碼的DS18B20，特別適合與微處理芯片構(gòu)成多點(diǎn)溫度測(cè)控系統(tǒng)。

每臺(tái)測(cè)溫分機(jī)的P0～P3 口分別可接N 個(gè)DS18B20 傳感器(N<40)。上位機(jī)控制每臺(tái)分機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。采集到的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)RS-485 通信總線連成的總線型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，測(cè)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(jiǎn)單的處理發(fā)往上位機(jī)。主程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)DS18B20 的實(shí)時(shí)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(cè)溫分機(jī)與上位機(jī)的通信。

測(cè)溫分機(jī)按照上位機(jī)的命令來(lái)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(chǔ)器SRAM中，當(dāng)收到上位機(jī)的上傳數(shù)據(jù)命令時(shí)，由發(fā)送子程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后通過(guò)串口TXD端送出。在測(cè)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(jì)

在系統(tǒng)中用51單片機(jī)構(gòu)成主從分布式測(cè)控系統(tǒng), 具有價(jià)格低、控制功能強(qiáng)等許多特點(diǎn)。然而在應(yīng)用中，測(cè)溫主機(jī)與各糧倉(cāng)相距較遠(yuǎn)，距離從幾十米到幾千米不等。對(duì)此遠(yuǎn)程糧倉(cāng)，系統(tǒng)采用RS-485總線實(shí)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(jì)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(duì)于特定的傳輸線徑，從發(fā)生器到負(fù)載，其數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸所允許的最大電纜長(zhǎng)度是數(shù)據(jù)信號(hào)速率的函數(shù)，這個(gè)長(zhǎng)度主要是受信號(hào)失真及噪聲等影響所限制。當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)速率降低到90Kbit/S以下時(shí)，假定最大允許的信號(hào)損失為6dBV時(shí)，則電纜長(zhǎng)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(zhǎng)度。當(dāng)使用不同線徑的電纜時(shí)，取得的最大電纜長(zhǎng)度是不相同的。例如：當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)速率為600Kbit/S時(shí)，采用24AWG電纜，計(jì)算可知最大電纜長(zhǎng)度是200m，若采用19AWG，電纜則電纜長(zhǎng)度將大于200m；若采用28AWG電纜，則電纜長(zhǎng)度只能小于200m。

RS-485總線是半雙工方式，即總線上某一時(shí)刻不能同時(shí)出現(xiàn)發(fā)送和接收的情況。此方式用于多站互連時(shí)，可節(jié)省信號(hào)線，方便地實(shí)現(xiàn)RS-485的多點(diǎn)通信功能?？紤]到中小型倉(cāng)庫(kù)地理位置特點(diǎn)，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(jì)完全可以滿足系統(tǒng)需求?/p>

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件的工作流程

DS18B20 以單總線協(xié)議工作，測(cè)溫分機(jī)首先發(fā)送復(fù)位脈沖命令，使信號(hào)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(hào)編碼匹配的DS18B20 被激活進(jìn)入接收內(nèi)存訪問(wèn)命令狀態(tài)；內(nèi)存訪問(wèn)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(chǔ)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(tǒng)以ROM 命令和存儲(chǔ)器命令的形式對(duì)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(chǔ)器操作命令為：寫暫存存儲(chǔ)器(0x4EH) 、讀暫存存儲(chǔ)器(0xBEH)、復(fù)制暫存存儲(chǔ)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(duì)時(shí)序及電特性參數(shù)要求較高，必須嚴(yán)格按照它的時(shí)序要求去操作。DS18B20 的數(shù)據(jù)讀寫由測(cè)溫分機(jī)來(lái)完成，包括初始化、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)軟件采用模塊化程序設(shè)計(jì)，主從式結(jié)構(gòu)通信方式。規(guī)定總線上有一個(gè)測(cè)溫主機(jī)和64臺(tái)分機(jī)，分機(jī)地址唯一。初始化完成后各分機(jī)均處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，采用中斷方式工作，測(cè)溫分機(jī)接受上位機(jī)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(shù)據(jù)位都對(duì)應(yīng)著不同意義，若地址匹配成功則進(jìn)行響應(yīng)分機(jī)，否則繼續(xù)等待，直到等待超時(shí)而重發(fā)命令。溫度采集模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集工作。

當(dāng)緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生中斷，程序轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)子程序入口，中斷子程序如下：

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(shù)據(jù)是否合法
    { 
        while(1) 
        { 
            Gettemp(SensorNo); if(RI) goto loop1; 
        } 
    } 
    else goto loop0; 
} //否則繼續(xù)等待

3.2 DS18B20的時(shí)延及讀寫時(shí)序問(wèn)題

為保證DS18B20的嚴(yán)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(nèi)部函數(shù)，（_nop_()函數(shù)為其中之一）其編譯結(jié)果就是在對(duì)應(yīng)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(shù)實(shí)現(xiàn)。較長(zhǎng)時(shí)間延時(shí)指10us以上的延時(shí)。在DS18B20操作中，用到的較長(zhǎng)時(shí)間延時(shí)有15us、90us、270us、540us等。因這些延時(shí)均為15us的整數(shù)倍，可編寫一個(gè)Delayl5(n)函數(shù)，該函數(shù)可實(shí)現(xiàn)約15us×n的延時(shí)。

DS18B20的初始化包括測(cè)溫分機(jī)發(fā)送的復(fù)位脈沖和其向測(cè)溫分機(jī)返回的存在脈沖。總線在開(kāi)始時(shí)刻發(fā)出一個(gè)最短為480us的低電平復(fù)位脈沖，接著在該時(shí)刻釋放總線并進(jìn)入接收狀態(tài)，DS18B20在接收到總線的電平上升沿，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(hào)，表明器件已接在總線上。時(shí)序如圖4所示。

圖4 初始化圖

當(dāng)總線于該時(shí)刻從高電平拉至低電平時(shí)，就產(chǎn)生“寫”的時(shí)間間隙。從該時(shí)刻開(kāi)始15us之內(nèi)，應(yīng)將所需寫的位送到總線上，DS18B20在該時(shí)刻后的15—45us期間內(nèi)對(duì)總線采樣，低電平寫入0，高電平寫入1。連續(xù)寫兩位之間的間隙應(yīng)大于1us。寫時(shí)序如圖5所示。

圖5 讀寫時(shí)序圖

起始時(shí)刻將總線從高電平拉至低電平，持續(xù)15us之后將總線釋放，就產(chǎn)生讀時(shí)間間隙。測(cè)溫分機(jī)必須在該時(shí)刻之后的15us之內(nèi)完成讀總線狀態(tài)，并在45us內(nèi)釋放總線，連續(xù)讀兩位之間的間隙應(yīng)大于1us。讀時(shí)序如圖5所示。

4 總結(jié)

本文論述了以DS18B20 為傳感器，AT89C51 單片機(jī)為控制核心組成的遠(yuǎn)程糧倉(cāng)溫控系統(tǒng)。由于DS18B20 采用數(shù)字單總線技術(shù)，使得系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，易于擴(kuò)展，加上總線數(shù)字化，使得系統(tǒng)的抗干擾性能好，可靠性高，測(cè)溫范圍比較寬(-55～125℃)，與傳統(tǒng)的溫控系統(tǒng)相比還具有較高的性價(jià)比。此外，系統(tǒng)的應(yīng)用范圍不僅僅局限于糧倉(cāng)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(tǒng)等。

本文作者創(chuàng)新觀點(diǎn)：采用新型數(shù)字溫度傳感器DS18B20，并將其與51 單片機(jī)、RS-485總線技術(shù)有機(jī)的結(jié)合在一起，組成抗干擾性能較強(qiáng)的溫控系統(tǒng)。系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比，已成功應(yīng)用于許昌、尉氏等中型糧庫(kù)中。該系統(tǒng)避免了因溫度過(guò)高而導(dǎo)致大量糧食發(fā)霉變質(zhì)所造成的損失，對(duì)于中型糧庫(kù)可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益百萬(wàn)元以上，在糧食儲(chǔ)藏技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有廣闊的市場(chǎng)前景。