基于單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20的遠程糧倉溫控系統(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)以微型計算機為上位機， 89C51單片機為檢測分機，DS18B20數(shù)字溫度傳感器直接與分機連接，分機與測溫主機通過RS-485總線網(wǎng)進行通信，系統(tǒng)所有操作通過菜單命令完成。本文主要圍繞下位機數(shù)據(jù)采集部分進行論述，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：由微型計算機構(gòu)成上位機——用戶監(jiān)控層，51 單片機系統(tǒng)分別構(gòu)成測溫主機——控制層和分機——溫度數(shù)據(jù)采集層。上位機通過串行口與測溫主機交換數(shù)據(jù)。測溫主機與多臺分機采用主從分布式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示，測溫主機與上位機通過RS-232 總線連接，測溫分機與主機通過RS-485 總線連接。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、使用方便等優(yōu)點。可以在三根線上同時并聯(lián)多個溫度傳感器，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)。

每臺測溫分機的P0～P3 口分別可接N 個DS18B20 傳感器(N<40)。上位機控制每臺分機工作，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)進行傳輸，測溫分機接收到DS18B20 所傳送的溫度數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)進行簡單的處理發(fā)往上位機。主程序?qū)崿F(xiàn)對DS18B20 的實時數(shù)據(jù)采集，將結(jié)果存貯于單片機的RAM 區(qū)。中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)測溫分機與上位機的通信。

測溫分機按照上位機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)收到上位機的上傳數(shù)據(jù)命令時，由發(fā)送子程序?qū)?shù)據(jù)進行簡單處理后通過串口TXD端送出。在測溫主機的配合下，數(shù)據(jù)上傳到上位機并在上位機的監(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單片機構(gòu)成主從分布式測控系統(tǒng), 具有價格低、控制功能強等許多特點。然而在應(yīng)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(tǒng)采用RS-485總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。進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芯片為核心器件進行半雙工通信，具有通信功能強、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?？紤]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)讀寫由測溫分機來完成，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，主從式結(jié)構(gòu)通信方式。規(guī)定總線上有一個測溫主機和64臺分機，分機地址唯一。初始化完成后各分機均處于監(jiān)聽狀態(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，進入等待狀態(tài)，每一幀數(shù)據(jù)位都對應(yīng)著不同意義，若地址匹配成功則進行響應(yīng)分機，否則繼續(xù)等待，直到等待超時而重發(fā)命令。溫度采集模塊負責(zé)數(shù)據(jù)的采集工作。

當(dāng)緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時產(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的時延及讀寫時序問題

為保證DS18B20的嚴(yán)格I/O時序，需要作較精確的延時。在DS18B20的操作中，短時間延時是指10us以下的延時，在匯編語言下采用若干個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)果就是在對應(yīng)位置嵌入一個nop匯編指令，所以短時間延時可利用_nop_()函數(shù)實現(xiàn)。較長時間延時指10us以上的延時。在DS18B20操作中，用到的較長時間延時有15us、90us、270us、540us等。因這些延時均為15us的整數(shù)倍，可編寫一個Delayl5(n)函數(shù)，該函數(shù)可實現(xiàn)約15us×n的延時。

DS18B20的初始化包括測溫分機發(fā)送的復(fù)位脈沖和其向測溫分機返回的存在脈沖?？偩€在開始時刻發(fā)出一個最短為480us的低電平復(fù)位脈沖，接著在該時刻釋放總線并進入接收狀態(tài)，DS18B20在接收到總線的電平上升沿，等待15—60us后在下一時刻發(fā)出60—240us時延的低電平存在脈沖信號，表明器件已接在總線上。時序如圖4所示。

圖4 初始化圖

當(dāng)總線于該時刻從高電平拉至低電平時，就產(chǎn)生“寫”的時間間隙。從該時刻開始15us之內(nèi)，應(yīng)將所需寫的位送到總線上，DS18B20在該時刻后的15—45us期間內(nèi)對總線采樣，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。寫時序如圖5所示。

圖5 讀寫時序圖

起始時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)生讀時間間隙。測溫分機必須在該時刻之后的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 單片機為控制核心組成的遠程糧倉溫控系統(tǒng)。由于DS18B20 采用數(shù)字單總線技術(shù)，使得系統(tǒng)電路簡單，易于擴展，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比。此外，系統(tǒng)的應(yīng)用范圍不僅僅局限于糧倉領(lǐng)域，稍作改動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：采用新型數(shù)字溫度傳感器DS18B20，并將其與51 單片機、RS-485總線技術(shù)有機的結(jié)合在一起，組成抗干擾性能較強的溫控系統(tǒng)。系統(tǒng)具有較高的性價比，已成功應(yīng)用于許昌、尉氏等中型糧庫中。該系統(tǒng)避免了因溫度過高而導(dǎo)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)濟效益百萬元以上，在糧食儲藏技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有廣闊的市場前景。