李智祥　陳　瑞

摘 要：為了實現(xiàn)遠(yuǎn)距離溫度監(jiān)控，介紹一種基于單片機的多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)。上位機通過RS 485總線與下位機通信，下位機將采集的溫度信息傳送給上位機，并執(zhí)行上位機的控制命令。給出系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，闡述了系統(tǒng)硬件電路和和軟件實現(xiàn)方法，設(shè)計了上位機與下位機之間的通信協(xié)議，解決了8位單片機多機通信的問題。該系統(tǒng)可擴展性強，配置簡單，操作方便，具有通用性，有效地節(jié)省了人力物力。

關(guān)鍵詞：RS 485總線；串行通信；單片機；溫度監(jiān)控；DS18B20溫度傳感器

中圖分類號：TP23文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)03-140-03

Design of Multi-point Temperature Monitoring System

LI Zhixiang,CHEN Rui

(School of Mechanical and Electronic Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan,430070,China)

Abstract：In order to achieve long-range temperature monitoring,this paper introduces multi-point temperature monitoring system based on single chip microcomputer.The hypogynous machine comunicates with the epigynous machines through 485 bus and they send temperature to the epigynous machine and perform the control order.The system architecture is gived,the hardware circuit and software implementation method are elaborated and the communication protocol between epigynous machine and hypogynous machine is designed.The problem of multi-computer communication among 8 b single chip microcomputers is worked out.This system can effectivly save human and material resources with strong scalability,simple configuration,operability and universal.

Keywords：RS 485 bus;serial communication;single chip computer;temperature monitoring;DS18B20 temperature sensor

目前許多場合都要對溫度進行控制。如倉庫，不同的儲藏室儲存物品的溫度都不同；再比如醫(yī)院，為了使病人的治療效果最好，需要對每一個病房的溫度進行控制。該文研究的多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)Χ鄠€位置的溫度進行設(shè)置、檢測，根據(jù)溫度設(shè)置值與檢測值來控制調(diào)溫設(shè)備運轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)溫度。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及功能

本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，為了滿足多通道數(shù)據(jù)采集和處理，系統(tǒng)采用了一臺上位機和多個下位機的集總式結(jié)構(gòu)。上位機采用AT89S51單片機，下位機采用AT89C2051單片機。上位機與下位機之間采用RS 485總線通信。其中上位機系統(tǒng)配置液晶顯示屏、按鍵。按鍵用于調(diào)整各個點的預(yù)置溫度和系統(tǒng)時間，查詢各個點的預(yù)置溫度值、實際溫度值以及調(diào)溫設(shè)備運行情況，輸入下位機的控制信息。液晶顯示屏用于顯示系統(tǒng)時間，以及各點的預(yù)置溫度值、實際溫度值和調(diào)溫設(shè)備運行情況，如1 min內(nèi)沒有任何操作，則液晶顯示屏上開始循環(huán)顯示各個點的實際溫度值、預(yù)置溫度值以及調(diào)溫設(shè)備運轉(zhuǎn)情況，每一個點的數(shù)據(jù)在液晶屏上顯示的時間是8 s。下位機負(fù)責(zé)溫度采集和控制調(diào)溫設(shè)備運轉(zhuǎn)，溫度傳感器采用DS18B20。上位機首先將預(yù)置溫度值發(fā)送到下位機，下位機將實際溫度與預(yù)置溫度進行比較后輸出調(diào)溫設(shè)備控制信號，并將實際溫度與調(diào)溫設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)發(fā)送到上位機。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 下位機電路設(shè)計

下位機電路主要由三部分構(gòu)成：溫度采集電路、RS 485總線接口電路、調(diào)溫設(shè)備的控制電路，其電路原理圖如圖2所示。

2.1.1 溫度采集電路

溫度傳感器采用DS18B20，其是一種單總線智能型溫度傳感器，只有三線接口，分別為地線、數(shù)據(jù)線、電源線。DS18B20輸出信號為數(shù)字信號，處理器與DS18B20通過數(shù)據(jù)線來完成雙向通信，因此采用DS18B20使得電路十分簡單。溫度變換功率可以來源于外電源，也可以來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電。DS18B20的電壓范圍為+3.0～+5.5 V，測溫范圍為-55～+125 ℃，固有的測溫分辨率為0.5 ℃，最高精度可達(dá)0.067 5 ℃，最大的轉(zhuǎn)換時間為200 ms。一條總線上面可以掛接多個DS18B20實現(xiàn)多點測溫。本系統(tǒng)中每臺下位機只接一個DS18B20。

采用單片機的P3.7口與DS18B20進行通信，采集溫度信號，由于其是雙向通信，內(nèi)部結(jié)構(gòu)是開漏，所以在總線上要加一個10 kΩ上拉電阻。

2.1.2 RS 485總線接口電路

本系統(tǒng)上位機與下位機之間采用RS 485總線通信，其通信距離可達(dá)1 200 m。總線驅(qū)動芯片采用MAX485， RO接單片機的RXD，DI接TXD，MAX485芯片的發(fā)送和接收功能轉(zhuǎn)換由芯片的RE，DE端控制。DE＝1時，MAX485處于發(fā)送狀態(tài)；RE=0,DE＝0時，芯片處于接收狀態(tài)。將RE，DE接在單片機的一根口線P3.4上。

在上電復(fù)位時，為了避免分機咬總線的情況，總線上的各分機應(yīng)處于接收狀態(tài)。而在上電復(fù)位時，單片機各端口處于高電平狀態(tài)，硬件電路穩(wěn)定也需要一定的時間，則可能向總線發(fā)送信息，為了避免這種情況，將P3.4口接一個74HC14反相器，使MAX485上電時處于接收狀態(tài)。另外在數(shù)據(jù)傳輸之前，先要通過一個低電平起始位實現(xiàn)握手，給RO外接10 kΩ上拉電阻，防止干擾信號誤觸發(fā)產(chǎn)生負(fù)跳變，使單片機進入接收狀態(tài)。

總線上面掛接多個分機，其中任何一只芯片故障就可能將總線“拉死”，因此在MAX485的A，B口線與總線之間各串接一只20 Ω的電阻實現(xiàn)總線隔離。如果是最后一臺分機，則在差分端口A，B之間接120 Ω的平衡匹配電阻，減少由于不匹配而引起的反射，并且能夠吸收噪聲，抑止干擾，保證通信質(zhì)量。注意不能在中間分機節(jié)點上并接平衡匹配電阻。

2.1.3 輸出控制電路

上位機向下位機發(fā)送命令和預(yù)置溫度，下位機接收到之后，解析命令，并將預(yù)置溫度與實際溫度比較，根據(jù)命令和比較結(jié)果，利用P3.5口控制調(diào)溫設(shè)備。當(dāng)P3.5輸出低電平時，U1導(dǎo)通發(fā)光，使晶體管導(dǎo)通，從而T1導(dǎo)通，驅(qū)動繼電器K工作，使調(diào)溫設(shè)備導(dǎo)通工作。當(dāng)P3.5為高電平時，U1不導(dǎo)通，晶體管不導(dǎo)通，T1也截止，繼電器不通電，調(diào)溫設(shè)備不工作。

2.2 上位機電路

上位機電路包括RS 485總線接口電路、鍵盤電路和液晶顯示電路。其中總線接口電路與下位機總線接口電路基本一致。其電路原理圖如圖3所示。下面介紹鍵盤電路和顯示電路。

2.2.1 鍵盤電路

上位機電路中提供6個按鍵用于溫度設(shè)置、溫度查詢、系統(tǒng)時間設(shè)置、工作/待機設(shè)置。它們是“ON/OFF”鍵、“＋”鍵、“－”鍵、“SET”鍵、“ENQ”鍵、“TIME”鍵，分別與AT89S51的P2.0，P2.1，P2.2，P2.3，P2.4，P2.5相連?！癝ET”鍵用于選擇下位機，之后可按“ON/OFF”鍵使對應(yīng)的下位機工作/待機，也可按“＋”，“－”鍵給該分機設(shè)置預(yù)置溫度?！癊NQ”鍵用于查詢下位機的預(yù)置溫度、實際溫度值和調(diào)溫設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)。設(shè)置系統(tǒng)時間需先按“TIME”鍵選擇時或分，然后利用“＋”，“－”鍵設(shè)置系統(tǒng)時間。

2.2.2 顯示電路

上位機系統(tǒng)采用16×2字符型液晶模組(LCM)，其為按鍵操作提供可視化依據(jù)，內(nèi)部集成了LCD控制器、LCD驅(qū)動器、LCD顯示裝置。LCM與單片機的接口電路比較簡單，單片機的P1口接LCM的數(shù)據(jù)總線，P3.5，P3.6，P3.7用于控制LCM。LCM的第一行顯示系統(tǒng)時間，第二行顯示分機的設(shè)置溫度、實際溫度和工作狀態(tài)。如果在1 m內(nèi)沒有任何操作，則液晶顯示屏上開始循環(huán)顯示各個點的實際溫度值、預(yù)置溫度值以及工作狀態(tài)，每一個點的數(shù)據(jù)在液晶屏上顯示的時間是8 s。

3 RS 485通信協(xié)議

為實現(xiàn)上位機與多臺下位機通信可靠穩(wěn)定，上位機與下位機通信波特率都為9 600 b/s，通信方式均為串行工作方式3，每幀通信數(shù)據(jù)包括1個起始位，1個停止位，8個數(shù)據(jù)位，1個奇校驗位。通信模式采用主/從方式，上位機為主機，下位機為從機，主機地址為1,從機地址是2，3，4，…；主機與從機之間采用一問一答方式，從機之間不能相互通信。每個上行/下行的數(shù)據(jù)包的字節(jié)個數(shù)都是一樣的，從機收到數(shù)據(jù)包后向主機回復(fù)一個數(shù)據(jù)包。每個數(shù)據(jù)包長度為4 B，下行數(shù)據(jù)包格式：地址信息(1 B)、命令信息(1 B)、溫度設(shè)置值(1 B)、檢驗碼(1 B)；上行數(shù)據(jù)包格式：主機地址信息(1 B)、命令應(yīng)答信息(1 B)、實測溫度值(1 B)、檢驗碼(1 B)。命令信息和命令應(yīng)答信息就是指從機的工作狀態(tài)。

主機采用輪詢方式訪問各從機，在發(fā)出指令后，主機進入查詢狀態(tài)，等待從機應(yīng)答。從機不斷查詢總線，如主機訪問地址與從機地址相符，并且校驗通過，則執(zhí)行指令，并保存設(shè)置溫度值，然后將相關(guān)信息以上行數(shù)據(jù)包格式發(fā)回主機。如不是本機地址或校驗碼錯誤，則丟棄指令及數(shù)據(jù)。傳輸過程中的誤碼校驗采用校驗和的方式，即先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)包的所有字節(jié)相加，然后截短到一個字節(jié)長度。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 下位機程序設(shè)計

下位機程序主要包括DS18B20傳感器溫度采集子程序、串行通信子程序、輸出控制子程序。主程序循環(huán)調(diào)用溫度采集子程序和輸出控制子程序，利用串行中斷來接收上位機發(fā)送的信息并回復(fù)主機(上位機)，接收數(shù)據(jù)包的長度是4 B，發(fā)送數(shù)據(jù)包的長度也是4 B。其串行中斷接收發(fā)送程序流程圖如圖4所示。

4.2 上位機程序設(shè)計

上位機程序主要包括鍵盤掃描子程序、串行通信子程序、液晶顯示子程序。

利用T0產(chǎn)生50 ms定時中斷來進行時間換算、實時更新液晶顯示屏上的信息；在主程序中利用循環(huán)來查詢按鍵、向下位機發(fā)送數(shù)據(jù)；利用串行中斷來接收下位機的回復(fù)數(shù)據(jù)。上位機接收數(shù)據(jù)過程與下位機接收數(shù)據(jù)過程一樣，其主程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)采用一問一答的通信方式，上位機是主機，在向從機(下位機)發(fā)送完數(shù)據(jù)之后要調(diào)用延時程序等待從機的回復(fù)。

5 結(jié) 語

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多點溫度檢測控制，操作方便，配置簡單，有效地節(jié)省了人力物力，實現(xiàn)自動化，具有通用性，可用于多種場合，具有很好的實用價值。

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作者簡介

李智祥 碩士研究生導(dǎo)師。主要研究方向為回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)檢測。

陳 瑞 在讀碩士研究生。主要研究方向為裝備設(shè)計與計算機應(yīng)用。