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        單總線數(shù)字溫度傳感器在糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

        2011-09-29 11:07:02張校銘殷珍珍
        關(guān)鍵詞:序列號(hào)溫度傳感器總線

        張 芳,王 鋒,張校銘,殷珍珍,王 婧

        (河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,河南鄭州 450001)

        單總線數(shù)字溫度傳感器在糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

        張 芳,王 鋒,張校銘,殷珍珍,王 婧

        (河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,河南鄭州 450001)

        基于單總線數(shù)字溫度傳感器的多點(diǎn)分布工作模式,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)糧堆溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng).該系統(tǒng)可為每個(gè)傳感器設(shè)置獨(dú)立編號(hào),并支持液晶顯示,方便用戶實(shí)時(shí)查詢測(cè)點(diǎn)溫度.系統(tǒng)通過(guò)串行總線與 PC機(jī)通信,為糧情測(cè)控軟件系統(tǒng)提供數(shù)據(jù),最終完成相關(guān)分析與處理.試驗(yàn)證明,該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠.

        糧情;監(jiān)測(cè)系統(tǒng);單總線;溫度檢測(cè)

        0 引言

        隨著電子技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了很多功能完備、低功耗、數(shù)字化的大規(guī)模集成電路,為設(shè)計(jì)高精度測(cè)控系統(tǒng)提供了硬件基礎(chǔ)[1].DS18B20是美國(guó)MAXI M公司的單線制 (1-W ire)數(shù)字溫度傳感器,它具有的多點(diǎn)能力 (Multidrop)和全數(shù)字輸出結(jié)構(gòu)使其非常適合于分布式溫度檢測(cè)場(chǎng)合,比如HVAC環(huán)境控制、建筑物和機(jī)械設(shè)備內(nèi)的溫度檢測(cè)、過(guò)程與控制系統(tǒng)中的溫度檢測(cè)等等.

        儲(chǔ)糧溫度是影響糧食品質(zhì)的重要物理參數(shù).傳統(tǒng)的儲(chǔ)糧溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般采用由模擬溫度傳感器、多路模擬開(kāi)關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器及單片機(jī)等組成的電路結(jié)構(gòu),通常需要大量的測(cè)溫電纜才能把現(xiàn)場(chǎng)傳感器的信號(hào)送到采集卡上,電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,安裝和維護(hù)不便,成本較高.同時(shí),由于線路上傳送的模擬信號(hào)易受干擾和產(chǎn)生損耗,測(cè)量誤差通常比較大.

        基于單總線數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20和AT89S52單片機(jī),筆者設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式糧堆溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng),其能夠快速識(shí)別各個(gè)傳感器的地址序列號(hào),準(zhǔn)確、方便地完成糧堆各點(diǎn)溫度的測(cè)量、傳輸和顯示.研究數(shù)字式溫度傳感器在糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)和方法,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

        1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        1.1 糧堆測(cè)溫點(diǎn)的分布

        根據(jù)糧倉(cāng)的實(shí)際大小,將測(cè)溫電纜分行和列間隔設(shè)置.每根電纜都有各自的編號(hào),一般來(lái)說(shuō),電纜編號(hào)是連續(xù)無(wú)間隔的,起始電纜的編號(hào)不一定從 1開(kāi)始.每根電纜內(nèi)傳感器的數(shù)量由倉(cāng)房的高度決定.以平房倉(cāng)為例,每根電纜一般有 4個(gè)傳感器,從上到下分為 4層,分布如圖 1所示.

        圖1 糧倉(cāng)測(cè)溫點(diǎn)分布圖

        1.2 單總線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20

        DS18B20數(shù)字溫度計(jì)的檢測(cè)范圍為 -55℃~125℃,檢測(cè)精度為 ±0.5℃,以 9位數(shù)字的形式反映器件的溫度值[2].該器件可完成溫度值的模擬 -數(shù)字轉(zhuǎn)換,并保證良好的精度和一致性.

        1.3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

        基于單總線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20的糧倉(cāng)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括 4個(gè)模塊:單片機(jī)處理模塊、溫度采集模塊、液晶顯示模塊和串口通信模塊.系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖 2所示.

        單片機(jī)處理模塊分別與溫度采集模塊、液晶顯示模塊和串口通信模塊互相通信、交互信息.該系統(tǒng)具有精度高、處理速度快、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),特別適用于對(duì)測(cè)溫要求比較高的場(chǎng)所.

        圖2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型

        溫度采集模塊包括多個(gè)串接的 DS18B20,每個(gè)DS18B20可根據(jù)負(fù)荷大小選擇使用寄生電源或外加電源,最終數(shù)據(jù)線接口只與單片機(jī)的一個(gè)I/O口相連,大大節(jié)約了單片機(jī) I/O口資源.這是單總線數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20單總線結(jié)構(gòu)和多點(diǎn)分布測(cè)溫模式的優(yōu)點(diǎn)所在.

        液晶顯示模塊采用 2×16字符的 LCD液晶顯示器,對(duì)多個(gè)溫度傳感器的測(cè)量值進(jìn)行輪詢顯示.其數(shù)據(jù)口連單片機(jī)的 P0口,選擇控制端接單片機(jī)的 P2口.

        串口通信模塊由MAX232和串行通信接口組成,采用 RS—232技術(shù)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 PC機(jī)的串口實(shí)時(shí)通信.

        系統(tǒng)采用 51系列的單片機(jī),整體監(jiān)控程序完成溫度采集、液晶顯示和數(shù)據(jù)傳送等所有功能,具體包括單總線溫度傳感器 ROM序列號(hào)的自動(dòng)搜索、溫度采集、溫度數(shù)據(jù)顯示和通信等.

        2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

        2.1 DS18B20的工作機(jī)制

        DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3所示.其包括 3個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件:64位激光 ROM,溫度傳感器和非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH和 TL[3].每個(gè)DS18B20在出廠時(shí)被激光刻入了 64位地址序列號(hào),任何器件的地址都是唯一的.因此,多個(gè)DS18B20可以存在于同一條單線總線上,通過(guò)ROM操作協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行一線制通信.

        圖3 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

        存儲(chǔ)器由一個(gè)暫存 RAM和一個(gè)存儲(chǔ)高低溫報(bào)警觸發(fā)值 TH和 TL的非易失性電可擦除 (E2)RAM組成.當(dāng)在單總線上通訊時(shí),傳感器轉(zhuǎn)換的溫度值存放在暫存器的前 2個(gè)字節(jié)內(nèi),這里的數(shù)據(jù)可被讀回.對(duì)非易失性高低溫報(bào)警存儲(chǔ)器的 2個(gè)字節(jié),可以根據(jù)用戶自己的選擇自定義寫(xiě)入位置編號(hào)等等,數(shù)據(jù)先被寫(xiě)入暫存器,經(jīng)過(guò)校驗(yàn)后,用一個(gè)拷貝暫存器命令把數(shù)據(jù)傳到 (E2)RAM中.這一過(guò)程確保更改存儲(chǔ)器時(shí)數(shù)據(jù)的完整性.

        DS18B20工作協(xié)議流程為:(1)初始化→(2)ROM操作命令→(3)存儲(chǔ)器操作命令→(4)數(shù)據(jù)處理[4].

        (1)初始化:初始化序列包括總線主機(jī)發(fā)出一個(gè)復(fù)位脈沖,接著由從屬器件送出存在脈沖,其嚴(yán)格按照時(shí)序進(jìn)行.

        (2)ROM操作命令:一旦總線主機(jī)檢測(cè)到從屬器件的存在,它便可以發(fā)出器件 ROM操作命令之一.所有 ROM操作命令均為 8位長(zhǎng).主機(jī)對(duì)DS18B20提供 5種 ROM操作命令:即 Read ROM、Match ROM、Search ROM、Skip ROM、Alarm Search.這些命令對(duì)每個(gè)器件的 64位激光 ROM部分進(jìn)行操作.

        (3)在主機(jī)建立 ROM操作命令之后,可以進(jìn)行存儲(chǔ)器操作命令,包括轉(zhuǎn)換命令、寫(xiě)暫存器命令、讀暫存器命令、拷貝暫存器命令、調(diào)用 E2命令.

        (4)讀出數(shù)據(jù)之后,主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、處理等.

        2.2 單總線溫度傳感器的 ROM搜索

        每個(gè) DS18B20包括一個(gè)唯一的 64位 ROM編碼.起始的 8位是單線產(chǎn)品系列編碼,接著的48位是唯一的系列號(hào),最后的 8位是前面 56位的 CRC校驗(yàn)值 (見(jiàn)圖 4).64位 ROM和 ROM操作控制部分允許 DS18B20作為一個(gè)單線器件工作并遵循規(guī)定的單線協(xié)議.

        圖4 64位激光 ROM編碼

        當(dāng)總線上連接多個(gè) DS18B20時(shí),由于總線主機(jī)不知道每個(gè)器件的 ROM編碼,所以需要自動(dòng)搜索多個(gè)器件的 ROM序列號(hào).總線主機(jī)初始化后,發(fā)送 ROM搜索命令,然后單線總線按如下步驟進(jìn)行工作:a.讀取 1位;b.讀取該位的補(bǔ)碼;c.寫(xiě)所判斷的該位的值.總線主機(jī)在 ROM的每 1位上完成這簡(jiǎn)單的 3步過(guò)程,在全部過(guò)程完成之后總線主機(jī)便知道一個(gè)器件的 ROM編碼,然后存儲(chǔ)在指定的空間里,器件中其余的數(shù)以及它們的ROM編碼可以由另外一個(gè)過(guò)程來(lái)識(shí)別.從上述 3步過(guò)程的 2次讀取獲得的數(shù)據(jù)具有以下解釋:

        00代表有器件連接,在此數(shù)據(jù)位上它們的值發(fā)生沖突;

        01代表有器件連接,在此數(shù)據(jù)位上它們的值均為0;

        10代表有器件連接,在此數(shù)據(jù)位上它們的值均為1;

        11代表沒(méi)有器件與單線總線相連.

        當(dāng) ROM搜索完畢,總線主機(jī)就可以知道所有器件的地址序列號(hào)以及器件的數(shù)量,從而進(jìn)行溫度檢測(cè)和控制.

        3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        基于DS18B20的糧倉(cāng)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以單片機(jī)處理模塊為核心,系統(tǒng)主控程序完成多個(gè)DS18B20的 ROM序列號(hào)的自動(dòng)搜索和匹配、數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換、測(cè)溫點(diǎn)溫度值輪詢顯示和串口通信等功能.主程序在系統(tǒng)上電后即可自動(dòng)運(yùn)行.系統(tǒng)主程序流程如圖 5所示.

        主程序流程包括:開(kāi)始;對(duì)液晶顯示器和DS18B20進(jìn)行初始化;進(jìn)行 ROM序列號(hào)搜索,分配存儲(chǔ)空間;對(duì)序列號(hào)的每 1位進(jìn)行上述兩讀一寫(xiě)操作,確定該位的值,當(dāng) 8位都確定之后,就可以存入分配好的地址空間,存 8個(gè)字節(jié)就完成一個(gè)器件的搜索,記錄 DS18B20個(gè)數(shù)的存儲(chǔ)器自增1;接下來(lái)進(jìn)行新一輪的搜索過(guò)程,直到所有器件搜索完畢,程序返回搜索器件的數(shù)量;然后,對(duì)所有器件初始化,發(fā)送跳過(guò) ROM命令,進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換;接下來(lái)開(kāi)始匹配工作,從存儲(chǔ)序列號(hào)的地址空間里取出數(shù)據(jù),發(fā)送到單線總線上,發(fā)送 8個(gè)字節(jié),就有一個(gè)器件響應(yīng);每匹配成功一次,就對(duì)該器件做一次處理:讀取該器件的溫度值,讀取預(yù)先寫(xiě)入的糧倉(cāng)內(nèi)的纜號(hào)、層號(hào),對(duì)這些值進(jìn)行液晶顯示,通過(guò)串行口與 PC機(jī)通信;當(dāng)所有器件響應(yīng)完畢,程序返回,主程序進(jìn)入下一輪循環(huán)中,重復(fù)此過(guò)程.

        圖5 系統(tǒng)主程序流程

        系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)檢測(cè)得到的部分測(cè)量結(jié)果如圖 6所示.

        圖6 溫度檢測(cè)結(jié)果

        4 結(jié)束語(yǔ)

        基于單總線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20的分布式工作模式,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種糧堆溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng),成功實(shí)現(xiàn)了糧堆環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè),并通過(guò)RS—232技術(shù)實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)與 PC機(jī)的實(shí)時(shí)通信.該溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、精確度高、反應(yīng)速度快,且具有數(shù)字化顯示和性能穩(wěn)定的特點(diǎn),可以很好地完成糧堆溫度監(jiān)測(cè)任務(wù).經(jīng)過(guò)適當(dāng)改造,能勝任其他多點(diǎn)測(cè)溫的場(chǎng)合.

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        APPL ICATI ON OF 1-W IRE D IGITAL TEMPERATURE SENSOR IN GRA IN SITUATI ON MON ITOR SYSTEM

        ZHANG Fang,WANG Feng,ZHANG Xiao-ming,YIN Zhen-zhen,WANG Jing
        (School of Infor m ation Science and Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou450001,China)

        In thispaper,we designed a grain depot’s temperature monitor system based on the multi-point distribution workingmode of a 1-wire digital temperature sensor.The system could assign an independent code for each sensor,and was compatible to LCD display so as to facilitate the real-time temperature inquiry of the detected spot.The system was communicated with a PC through a serial bus to supply data to a grain situation monitor software system,which completed the related analysis and processing.Tests showed that the system run stably and reliably.

        grain situation;monitor system;1-wire bus;temperature detection

        TS210

        B

        1673-2383(2011)01-0074-04

        2010-09-27

        “十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃 (2008BADA8B03)

        張芳(1987-),女,河南新鄉(xiāng)人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)應(yīng)用.

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