林 寧

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院泉州分院，福建泉州 362200）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國內(nèi)外貿(mào)易量劇增，物流行業(yè)往集中化、高速化方向進(jìn)步，直接導(dǎo)致起重機(jī)械尤其是港口大型起重機(jī)械使用需求量猛增[1]。一方面，起重機(jī)械的數(shù)量迅猛增長(zhǎng)，另一方面單臺(tái)起重機(jī)械的使用頻率大幅度提升。而作為起重機(jī)械的大腦——控制柜，成為起重機(jī)械能否提供安全高效服務(wù)的關(guān)鍵所在?？刂乒裨谑褂弥?，如果出現(xiàn)持續(xù)高溫狀態(tài)，容易出現(xiàn)半導(dǎo)體器件性能惡化、電容等元器件等漏電流增大等問題[2]。同時(shí)，一方面高溫容易導(dǎo)致電路電平的漂移較大、控制準(zhǔn)確性變差，結(jié)果造成PLC故障率增大，壽命降低；另一方面，溫度過低同樣會(huì)降低模擬回路的精度，使得回路的安全系數(shù)變小，嚴(yán)重的甚至?xí)鹂刂葡到y(tǒng)的動(dòng)作不正常。長(zhǎng)期實(shí)踐證明，當(dāng)控制柜環(huán)境溫度急劇變化時(shí)，影響更大[3]。因此，設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、成本低廉的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)控制柜運(yùn)行溫度進(jìn)行監(jiān)控，意義重大。

本文針對(duì)控制柜的溫度監(jiān)控等方面的問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的溫度檢測(cè)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了采用“單片機(jī)—測(cè)溫傳感器”進(jìn)行在線溫度測(cè)量的功能，跟蹤控制柜使用過程中環(huán)境及主板的溫度變化曲線，以確保控制柜可以準(zhǔn)確發(fā)出指令，提升起重機(jī)作業(yè)的安全性和可靠性。該系統(tǒng)包括軟件和硬件，同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)在溫度超過設(shè)置閾值時(shí)及時(shí)報(bào)警。該系統(tǒng)在實(shí)際中有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

1 傳感器選型和設(shè)計(jì)

1.1 DS18B20原理

DS1820數(shù)字式溫度傳感器是新一代半導(dǎo)體集成傳感器，其充分利用了大規(guī)模集成電路技術(shù)，把多項(xiàng)功能集中于一體，克服了傳統(tǒng)式溫度傳感器所存在的問題[4]。DS1820的主要功能部件包括：溫度探測(cè)頭和模擬回路，A/D信號(hào)變換存儲(chǔ)回路，只讀數(shù)字電路用存儲(chǔ)器（ORM、RAM和EZPORM），以及單總線通信接口等。DS1820的主要功能：通過溫度探測(cè)頭感知所處位置的實(shí)時(shí)溫度，轉(zhuǎn)化為電平輸入到檢測(cè)回路中，并轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)信息，按需存入相關(guān)的存儲(chǔ)器。檢測(cè)電路將被測(cè)點(diǎn)的溫度值檢測(cè)并輸入進(jìn)來，由于DS1820用的是經(jīng)典的差分對(duì)管線性化方法，解決信號(hào)在非線性工作區(qū)內(nèi)伴隨產(chǎn)生的非線性失真的問題，大大提高了測(cè)量范圍和精度。DS1820的測(cè)量范圍為-55～＋125℃，測(cè)量精度為±0.5℃。

探測(cè)頭感知的溫度的數(shù)值信號(hào)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換回路，最終傳感器輸出的測(cè)量結(jié)果是2個(gè)字節(jié)8位的數(shù)字信號(hào)，首個(gè)字節(jié)采用補(bǔ)碼的編碼方式存儲(chǔ)溫度8位二進(jìn)制碼的絕對(duì)值，次字節(jié)用來標(biāo)記首字節(jié)存儲(chǔ)的正值和負(fù)值的屬性（0x00H為正，0xFFH為負(fù)）。

1.2 DS18B20特點(diǎn)

DS18B20接口為單總線形式，所以只需要一條數(shù)據(jù)線就能實(shí)現(xiàn)傳感器與控制器（單片機(jī)等各種微處理器）之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)傳感器發(fā)送指令控制及傳感器向控制器反饋監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的功能。這種數(shù)據(jù)通信模式性價(jià)比高，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性高，適合于各種工況（如港口起重機(jī)的在臺(tái)風(fēng)暴雨下工作等惡劣工況）的現(xiàn)場(chǎng)溫度檢測(cè)。同時(shí)，該傳感器可以在數(shù)據(jù)線上的時(shí)序符合傳感器預(yù)先的設(shè)定的時(shí)候，即可通過數(shù)據(jù)線得電的供電方法獲取電源，這樣一來就不再需要外部電源，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自身即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能，不需要附帶其他的元器件，對(duì)安裝工藝幾乎沒什么要求。該傳感器還可以通過并聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫，可以更進(jìn)一步對(duì)多臺(tái)起重機(jī)械使用，組件監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)使用單位對(duì)本單位起重機(jī)的全面管控。

綜上，DS18B20相比其他傳感器來說有著更加小巧、更大的電壓帶寬、價(jià)格低廉、結(jié)果可靠等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可搭配各種控制器，而且對(duì)環(huán)境要求低，合適組建溫度監(jiān)控系統(tǒng)。因此，本文采用DS18B20作為主傳感器。

1.3 DS18B20存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

DS18B20內(nèi)設(shè)ROM（只讀存儲(chǔ)器）、RAM（數(shù)據(jù)暫存器）和EEPROM（非易失性記憶體）3種存儲(chǔ)器。其中，ROM為64位，作用是保存?zhèn)鞲衅鞯木幋a（包括芯片的編碼、序列號(hào)和CRS），作為每個(gè)DS18B20芯片的身份證，不會(huì)被修改。RAM共9個(gè)字節(jié)，合計(jì)72位，以字節(jié)為單位存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。本文用第1～2個(gè)字節(jié)保存監(jiān)控到的溫度數(shù)據(jù)，第3～4個(gè)字節(jié)用來保存高低溫報(bào)警閾值，第5個(gè)字節(jié)保存EEPROM的備份數(shù)據(jù)防止掉電帶來的數(shù)據(jù)丟失。第6～8個(gè)字節(jié)為計(jì)數(shù)器，用來記錄各種溫度出現(xiàn)的時(shí)序。最后一個(gè)字節(jié)用來做冗余校驗(yàn)。EEPROM共3位，第1～2位保存溫度上下限報(bào)警閾值，最后一位用來做冗余校驗(yàn)。同時(shí)，報(bào)警閾值映射至RAM的第3～5字節(jié)，生成在鏡像，用于快速調(diào)用。

2 單片機(jī)的選型和設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)的選型

一般來說，監(jiān)控系統(tǒng)可以由兩種方式實(shí)現(xiàn)。一種是以PLC為核心構(gòu)成，PLC在開關(guān)量控制方面具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)[5]，連接上位機(jī)又可彌補(bǔ)其數(shù)據(jù)管理和顯示功能方面的不足，但成本高；另一種是由單片機(jī)為核心，在每個(gè)需要監(jiān)控的地方還可以另配單片機(jī)作為分機(jī)，各分機(jī)受主控機(jī)控制，單片機(jī)系統(tǒng)成本低、靈活性強(qiáng)[6]。

當(dāng)前國內(nèi)外適用做監(jiān)控系統(tǒng)的單片機(jī)型號(hào)多樣，其中當(dāng)數(shù)MCS-51、MCS-96的應(yīng)用最為廣泛。而MCS-51的性價(jià)比極佳，用起研制的各種監(jiān)控系統(tǒng)越來越完善，支持的制造廠家以及芯片種類也多，同時(shí)還有可以針對(duì)各種不同需求定制新的集中的新機(jī)種，因此，MCS-51系列單片機(jī)是研發(fā)中小型嵌入式系統(tǒng)的常用選擇[7]。

AT89C51是在我國應(yīng)用較早、技術(shù)較成熟的MCS-51系列單片機(jī)，價(jià)格低廉、功耗低、性能高。其自帶的4 kb快閃（可編程/擦除只讀存儲(chǔ)器）、8位微控制器，與80C51引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。AT89C51支持直接在線編程，同時(shí)可以利用非易失存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，擦除原有程序，重新編程，實(shí)現(xiàn)重復(fù)循環(huán)編程功能，為很多嵌入式控制應(yīng)用提供了非常靈活而又價(jià)格適宜的方案，其性能價(jià)格比極高。因此，本文選用AT89C51作為控制系統(tǒng)的頭腦。

2.2 單片機(jī)的主要操作指令

（1）復(fù)位：對(duì)DS18B20傳感器進(jìn)行復(fù)位。

（2）收存脈沖：成功復(fù)位后，單片機(jī)發(fā)出指令，將數(shù)據(jù)單總線設(shè)置為高電平，用來接收存在脈沖。

（3）ROM指令：執(zhí)行數(shù)據(jù)冗余驗(yàn)證，驗(yàn)證傳感器狀態(tài)是否正常。

（4）交互指令：要求RAM和EEPROM進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的指令。

（5）執(zhí)行或數(shù)據(jù)讀寫：指令以隊(duì)列形式進(jìn)行存儲(chǔ)和讀取，按順序執(zhí)行。

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 DS18B20溫度值的讀取

讀取溫度值的流程為：（1）復(fù)位、忽略ROM指令、運(yùn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存器的控制命令；（2）系統(tǒng)等待500μs（溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間）；（3）復(fù)位、跳過ROM指令、運(yùn)行讀RAM的控制命令、讀取溫度。每次讀取封頂9個(gè)字節(jié)，在讀取前根據(jù)需要設(shè)置讀取長(zhǎng)度，如僅需要知道溫度數(shù)值時(shí)，則設(shè)置讀取第1～2個(gè)字節(jié)。

3.2 配置DS18B20讀寫時(shí)間隙

（1）寫時(shí)間隙代碼如圖1所示。

圖1 寫時(shí)間隙代碼

（2）讀時(shí)間隙代碼如圖2所示。

圖2 讀時(shí)間隙代碼

（3）復(fù)位DS18B20代碼如圖3所示。

圖3 復(fù)位DS18B20代碼

4 樣機(jī)實(shí)現(xiàn)

4.1 下位機(jī)實(shí)現(xiàn)

本文采用工業(yè)版，制作簡(jiǎn)單方便，關(guān)鍵是設(shè)置好DS18B20的時(shí)序。要特別注意的是，本次用的單片機(jī)為1T模式，機(jī)器周期不經(jīng)過分頻。所以，在軟件上面對(duì)延時(shí)程序的軟件驗(yàn)證需要考慮到這個(gè)問題。即軟件仿真出來的延時(shí)時(shí)間并不等于時(shí)間單片機(jī)運(yùn)行時(shí)的延時(shí)時(shí)間，而是有一定的倍數(shù)關(guān)系。

4.2 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

LabVIEW[8]軟件是NI設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心，集成了快速構(gòu)建各種應(yīng)用所需的各種工具，是開發(fā)測(cè)量系統(tǒng)的最佳選擇之一。本文采用LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)上位機(jī)界面的開發(fā)。

4.2.1 主要控件設(shè)置

（1）對(duì)TIMER控件設(shè)置TIMER回調(diào)函數(shù)，在該函數(shù)里面可以進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的計(jì)算以及溫度實(shí)時(shí)曲線的繪制。

（2）Begin控件的參數(shù)設(shè)置，設(shè)置Begin回調(diào)函數(shù)，當(dāng)按下此按鈕時(shí)，標(biāo)志位置一，啟動(dòng)溫度顯示曲線。

（3）Stop控件的參數(shù)設(shè)置，設(shè)置Stop回調(diào)函數(shù)，當(dāng)按下此按鈕時(shí)，標(biāo)志位置零，暫停溫度顯示曲線。

（4）CLOSE控件的參數(shù)設(shè)置，設(shè)置CLOSE回調(diào)函數(shù)，當(dāng)按下此按鈕時(shí)，退出上位機(jī)顯示界面。

4.2.2 關(guān)鍵函數(shù)配置

（1）配置端口參數(shù)：Open Com Config(2,"",9 600,0,8,1,512,512)。該函數(shù)可以設(shè)置窗口通信的串口號(hào)、波特率、是否進(jìn)行奇偶校驗(yàn)等與下位機(jī)通信的參數(shù)。由于本文采用的電腦與下位機(jī)的通信串口號(hào)為COM2，所以設(shè)置PortNumber為COM2。為了與下位機(jī)中的串口參數(shù)一致，波特率設(shè)置為9600Baud、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位數(shù)為8、一位停止位。

（2）數(shù)組求和函數(shù)：Sum1D(datetemp,num,&temp)。

（3）求數(shù)組中的最大最小值：Max Min1D(datetemp,num,&max,&maxid,&min,&minid)。

（4）幅值函數(shù)：SetCtrlVal(panel Handle,PANEL_NUMERIC_4,(float)(temp)/num)。

（5）關(guān)閉串口2：CloseCom(2)。

（6）串口接收數(shù)據(jù)時(shí)間回調(diào)函數(shù)：Install Com Callback(2,LWRS_RXCHAR,1,'