摘 要：溫度對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防事業(yè)均有不同程度的影響，為了對(duì)溫度進(jìn)行適時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，設(shè)計(jì)了這套系統(tǒng)。系統(tǒng)采用AT89S51系列單片機(jī)與Dallas單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)，Nios Ⅱ作為上位機(jī)，借助互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。與傳統(tǒng)溫度監(jiān)控系統(tǒng)相比采用了嵌入式的服務(wù)器，減小了硬件體積，提高了實(shí)時(shí)性。同時(shí)給出了該系統(tǒng)的硬件原理圖和程序流程圖。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控；AT89S51；DS18B20； Nios Ⅱ軟核處理器

中圖分類號(hào)：TP20 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004373X(2008)1712703

System of Computer Temperature Remote Supervision Based on AT89S51 and FPGA

SHU Bin1，WU Jian1，2，ZHONG Zhiyan2

(1.Electrical College，Jiangsu University，Zhenjiang，212013，China;2.Zhenjiang College，Zhenjiang，212003，China)

Abstract：The temperature has the varying degree influence to the industry and agriculture production and the national defense enterprise，to carry on to the temperature at the right moment monitors，computer temperature remote supervision is designed.In this system，a AT89C51 single chip is applied as a control unit and a Dallas chip DS18B20 is applied too as a digital temperature sensor.System uses soft IP processor Nios II to configure CPU at Cyclone series chip used for the upper subsystem..With Internet，it achieves the temperature remote monitoring.The hardware volume，improved real-time with embedded Web server are reduced.This article gives this system's hardware schematic diagram and the program flow diagram.

Keywords：long distance temperature monitoring;AT89S51;DS18B20;soft IP processor NiosⅡ

溫度對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防事業(yè)均有不同程度的影響。電力設(shè)備的故障有多種多樣，但大多數(shù)都伴有發(fā)熱的現(xiàn)象，一次事故損失巨大；紡織、食品、煙草等工業(yè)中，溫度過高容易使產(chǎn)品變質(zhì)，電子儀器也容易出故障；溫室栽培和工業(yè)生產(chǎn)中，若不控制溫度，將嚴(yán)重影響產(chǎn)量和質(zhì)量。還有很多領(lǐng)域的溫度可能較高或較低，人無法靠近或現(xiàn)場(chǎng)無需人力來監(jiān)控。傳統(tǒng)的溫度測(cè)量方式周期長(zhǎng)，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且測(cè)量員必須到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量和啟動(dòng)功率設(shè)備來調(diào)整溫度，工作效率非常低，且不便于管理。為此設(shè)計(jì)了這套遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)，坐在辦公室里就可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控，又方便又節(jié)省人力。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)和Nios Ⅱ軟核的溫度監(jiān)控系統(tǒng)， 其系統(tǒng)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)采用Dallas單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集溫度數(shù)據(jù)，打破了傳統(tǒng)的熱電阻、熱電偶再通過A/D轉(zhuǎn)換采集溫度的思路。用Atmel公司的FLASH單片機(jī)AT89S51對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理和控制，通過RS 232串口傳到以Nios Ⅱ構(gòu)成的嵌入式處理機(jī)中對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)視與報(bào)警。Nios II的嵌入式Web服務(wù)器使用戶可以通過IE瀏覽器瀏覽存儲(chǔ)在FLASH芯片中的網(wǎng)頁，由于CPU本身是以軟核的方式實(shí)現(xiàn)，其功能可根據(jù)需要進(jìn)行定制，非常靈活。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 對(duì)DS18B20的簡(jiǎn)單介紹和使用說明

DS18B20是美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易配微處理器等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于構(gòu)成多點(diǎn)溫度測(cè)控系統(tǒng)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理，而且每片DS18B20都有惟一的產(chǎn)品號(hào)并可存入其ROM中，在構(gòu)成大型溫度測(cè)控系統(tǒng)時(shí)單線上可掛多個(gè)DS18B20芯片。從DS18B20讀出或?qū)懭隓S18B20信息僅需要一根口線，共讀寫及溫度變換的功率來源于數(shù)據(jù)總線，該總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源。DS18B20能提供9位溫度讀數(shù)，它無需任何外圍硬件即可方便地構(gòu)成溫度檢測(cè)系統(tǒng)。DS18B20體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)。測(cè)量溫度范圍為-55~+125 ℃，在-10~+85 ℃范圍內(nèi)，精度為±0.5 ℃。單片機(jī)控制DS18B20完成溫度的采集過程必須經(jīng)過初始化、寫操作、讀操作3個(gè)步驟，而且必須有嚴(yán)格的時(shí)間間隙。

2.2 Nios Ⅱ處理器的說明^［4］

Altera公司的Nios Ⅱ處理器是一種用戶可隨時(shí)配置和構(gòu)建的32位指令集和數(shù)據(jù)通道的嵌入式系統(tǒng)微處理器IP核，采用Avalon總線結(jié)構(gòu)通信接口，帶有增強(qiáng)的內(nèi)存調(diào)試和軟件功能。LWIP是一種專門針對(duì)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，支持因特網(wǎng)信息控制協(xié)議(ICMP)，用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)，動(dòng)態(tài)主機(jī)分配協(xié)議(DHCP)，地址解析協(xié)議(ARP)以及對(duì)應(yīng)用程序提供的標(biāo)準(zhǔn)Socket接口，因而可以完成傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議的大部分功能，資源占用卻比TCP/IP協(xié)議小，所以非常適合以Nios Ⅱ處理器為核心的系統(tǒng)?；谝陨峡紤]，嵌入式Web服務(wù)器以Nios Ⅱ處理器為核心，LWIP為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的網(wǎng)頁瀏覽功能。用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽存儲(chǔ)在FLASH中的網(wǎng)頁。

2.3 硬件電路設(shè)計(jì)說明

本系統(tǒng)硬件電路包括單片機(jī)溫度采集電路、電平轉(zhuǎn)換電路及基于Nios Ⅱ嵌入式上位機(jī)系統(tǒng)。

2.3.1 溫度采集電路

溫度采集電路主要由DS18B20和單片機(jī)構(gòu)成，如圖2所示。系統(tǒng)以8051單片機(jī)(U1)作為核心;C₁，C₂和Y₁組成時(shí)鐘電路，晶振為12 MHz;S1，C₁2和R3組成復(fù)位電路;U1的P1.0接一個(gè)發(fā)光二極管，用于程序執(zhí)行指示燈;R₅為限流電阻;DQ接到8051的P2.1端;R₁為信號(hào)和5 V電源之間的上拉電阻。

2.3.2 電平轉(zhuǎn)換電路

單片機(jī)與上位機(jī)的通信電路如圖3 所示。8051單片機(jī)本身提供了一組全雙工串行傳輸接口，由TXD引腳來傳送串行數(shù)據(jù)而由RXD引腳來接收數(shù)據(jù)，可是其工作邏輯電平皆為TTL電平(0 V，5 V)。所以單片機(jī)與PC之間的數(shù)據(jù)通信必須經(jīng)過RS 232信號(hào)(+12 V，-12 V)電平的轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)使用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，只要加4只電容就能完成接口電平的轉(zhuǎn)換。單片機(jī)的11腳(TXD)接232的10腳，單片機(jī)的10腳(RXD)接232的9腳。與上位機(jī)連接的RS 232-C接口采用DB-9的9芯插頭座，傳輸線采用屏蔽雙絞線。電源部分采用市售的9 V直流穩(wěn)壓電源，經(jīng)7805后濾波穩(wěn)壓得到穩(wěn)定的5 V電源。

2.3.3 基于Nios Ⅱ嵌入式上位機(jī)

系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：包括Nios Ⅱ軟核CPU、操作系統(tǒng)使用的定時(shí)器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧使用的定時(shí)器、CPU同外圍設(shè)備的接口(Avlaon總線)；EPCS4用來在上電時(shí)對(duì)FPGA進(jìn)行配置；FLASH主要用來存放軟件代碼以及一些需要保存的參數(shù)；SRAM用來在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；網(wǎng)絡(luò)接口芯片采用Smsc公司的LAN91C111芯片作為網(wǎng)絡(luò)接口。該器件是一個(gè)以太網(wǎng)控制器，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)7層協(xié)議棧中的傳輸層和MAC層的功能。另外，它具有10/100 Mb/s自適應(yīng)、雙工/半工自適應(yīng)等功能，有很好的網(wǎng)絡(luò)兼容性。采用串口UART和單片機(jī)通信。利用Quartus Ⅱ中的SOPC Builde構(gòu)建的CPU如圖4所示。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)框圖如圖5和圖6所示。

串口中斷程序功能為接收由上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)采集周期以及開始、停止指令。溫度信號(hào)濾波通過軟件實(shí)現(xiàn)。濾波算法采用加權(quán)平均值法，即對(duì)最新檢測(cè)到的N個(gè)溫度信號(hào)序列去除最大值和最小值，并取加權(quán)平均運(yùn)算。

4 基于Nios Ⅱ的Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)^［4］

把構(gòu)建好的CPU及相應(yīng)的模塊進(jìn)行分析引腳分配、綜合后再進(jìn)行編譯，用Nios Ⅱ IDE(集成開發(fā)環(huán)境)通過移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μCLinux來實(shí)現(xiàn)嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)控制系統(tǒng)，開發(fā)相應(yīng)的網(wǎng)頁并進(jìn)行服務(wù)器移植和配置。本系統(tǒng)采用μCLinux下的Boa。Boa是一個(gè)單線程的HTTP服務(wù)器，它不同于其它傳統(tǒng)的Web服務(wù)器，不為每個(gè)連接創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，只有當(dāng)CGI程序運(yùn)行時(shí)才創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程。通過移植Boa來實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控系統(tǒng)的Web服務(wù)器功能，最后通過編寫CGI程序并結(jié)合Flash動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)Web交互功能。

5 結(jié) 語

采用AT89S51系列單片機(jī)、傳感器DS18B20和Nios Ⅱ設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程溫度控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)新穎、電路簡(jiǎn)單、體積小和控制方便等優(yōu)點(diǎn)?？梢詮V泛用于電站、學(xué)校、醫(yī)院等相關(guān)重點(diǎn)設(shè)備的溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控。也適用于人體無法接近的高溫或危險(xiǎn)場(chǎng)所的溫度監(jiān)控。如果變換傳感器稍加改變也可以成為其他參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，如壓力、濕度或瓦斯等。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 舒 斌 女，1966年出生，江西人，江蘇大學(xué)碩士研究生，鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校電子信息系講師。主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制和EDA。

吳 建 女，1977年出生，江蘇鎮(zhèn)江人，江蘇大學(xué)碩士研究生，鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校電子信息系講師。主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制。

仲志燕 女，1976年出生，江蘇鎮(zhèn)江人，江蘇大學(xué)碩士研究生，鎮(zhèn)江高等專科學(xué)校電子信息系講師。主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制。