張 芳,王 鋒,張校銘,殷珍珍,王 婧

(河南工業(yè)大學信息科學與工程學院,河南鄭州 450001)

單總線數(shù)字溫度傳感器在糧情監(jiān)測系統(tǒng)中的應用

張 芳,王 鋒,張校銘,殷珍珍,王 婧

(河南工業(yè)大學信息科學與工程學院,河南鄭州 450001)

基于單總線數(shù)字溫度傳感器的多點分布工作模式,設計并實現(xiàn)了一個糧堆溫度監(jiān)測系統(tǒng).該系統(tǒng)可為每個傳感器設置獨立編號,并支持液晶顯示,方便用戶實時查詢測點溫度.系統(tǒng)通過串行總線與 PC機通信,為糧情測控軟件系統(tǒng)提供數(shù)據(jù),最終完成相關分析與處理.試驗證明,該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠.

糧情;監(jiān)測系統(tǒng);單總線;溫度檢測

0 引言

隨著電子技術的發(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,為設計高精度測控系統(tǒng)提供了硬件基礎[1].DS18B20是美國MAXI M公司的單線制 (1-W ire)數(shù)字溫度傳感器,它具有的多點能力 (Multidrop)和全數(shù)字輸出結構使其非常適合于分布式溫度檢測場合,比如HVAC環(huán)境控制、建筑物和機械設備內(nèi)的溫度檢測、過程與控制系統(tǒng)中的溫度檢測等等.

儲糧溫度是影響糧食品質(zhì)的重要物理參數(shù).傳統(tǒng)的儲糧溫度監(jiān)測系統(tǒng)一般采用由模擬溫度傳感器、多路模擬開關、A/D轉換器及單片機等組成的電路結構,通常需要大量的測溫電纜才能把現(xiàn)場傳感器的信號送到采集卡上,電路結構復雜,安裝和維護不便,成本較高.同時,由于線路上傳送的模擬信號易受干擾和產(chǎn)生損耗,測量誤差通常比較大.

基于單總線數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20和AT89S52單片機,筆者設計并實現(xiàn)了數(shù)字式糧堆溫度監(jiān)測系統(tǒng),其能夠快速識別各個傳感器的地址序列號,準確、方便地完成糧堆各點溫度的測量、傳輸和顯示.研究數(shù)字式溫度傳感器在糧情監(jiān)測系統(tǒng)中的應用技術和方法,具有重要的現(xiàn)實意義.

1 系統(tǒng)設計

1.1 糧堆測溫點的分布

根據(jù)糧倉的實際大小,將測溫電纜分行和列間隔設置.每根電纜都有各自的編號,一般來說,電纜編號是連續(xù)無間隔的,起始電纜的編號不一定從 1開始.每根電纜內(nèi)傳感器的數(shù)量由倉房的高度決定.以平房倉為例,每根電纜一般有 4個傳感器,從上到下分為 4層,分布如圖 1所示.

圖1 糧倉測溫點分布圖

1.2 單總線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20

DS18B20數(shù)字溫度計的檢測范圍為 -55℃～125℃,檢測精度為 ±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)字轉換,并保證良好的精度和一致性.

1.3 系統(tǒng)體系結構

基于單總線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20的糧倉溫度監(jiān)測系統(tǒng)包括 4個模塊:單片機處理模塊、溫度采集模塊、液晶顯示模塊和串口通信模塊.系統(tǒng)體系結構如圖 2所示.

單片機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,特別適用于對測溫要求比較高的場所.

圖2 系統(tǒng)體系結構模型

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

液晶顯示模塊采用 2×16字符的 LCD液晶顯示器,對多個溫度傳感器的測量值進行輪詢顯示.其數(shù)據(jù)口連單片機的 P0口,選擇控制端接單片機的 P2口.

串口通信模塊由MAX232和串行通信接口組成,采用 RS—232技術實現(xiàn)單片機與 PC機的串口實時通信.

系統(tǒng)采用 51系列的單片機,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序列號的自動搜索、溫度采集、溫度數(shù)據(jù)顯示和通信等.

2 系統(tǒng)關鍵技術與實現(xiàn)

2.1 DS18B20的工作機制

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

圖3 DS18B20內(nèi)部結構圖

存儲器由一個暫存 RAM和一個存儲高低溫報警觸發(fā)值 TH和 TL的非易失性電可擦除 (E2)RAM組成.當在單總線上通訊時,傳感器轉換的溫度值存放在暫存器的前 2個字節(jié)內(nèi),這里的數(shù)據(jù)可被讀回.對非易失性高低溫報警存儲器的 2個字節(jié),可以根據(jù)用戶自己的選擇自定義寫入位置編號等等,數(shù)據(jù)先被寫入暫存器,經(jīng)過校驗后,用一個拷貝暫存器命令把數(shù)據(jù)傳到 (E2)RAM中.這一過程確保更改存儲器時數(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發(fā)出一個復位脈沖,接著由從屬器件送出存在脈沖,其嚴格按照時序進行.

(2)ROM操作命令:一旦總線主機檢測到從屬器件的存在,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.主機對DS18B20提供 5種 ROM操作命令:即 Read ROM、Match ROM、Search ROM、Skip ROM、Alarm Search.這些命令對每個器件的 64位激光 ROM部分進行操作.

(3)在主機建立 ROM操作命令之后,可以進行存儲器操作命令,包括轉換命令、寫暫存器命令、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,主機進行數(shù)據(jù)轉換、處理等.

2.2 單總線溫度傳感器的 ROM搜索

每個 DS18B20包括一個唯一的 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,最后的 8位是前面 56位的 CRC校驗值 (見圖 4).64位 ROM和 ROM操作控制部分允許 DS18B20作為一個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

當總線上連接多個 DS18B20時,由于總線主機不知道每個器件的 ROM編碼,所以需要自動搜索多個器件的 ROM序列號.總線主機初始化后,發(fā)送 ROM搜索命令,然后單線總線按如下步驟進行工作:a.讀取 1位;b.讀取該位的補碼;c.寫所判斷的該位的值.總線主機在 ROM的每 1位上完成這簡單的 3步過程,在全部過程完成之后總線主機便知道一個器件的 ROM編碼,然后存儲在指定的空間里,器件中其余的數(shù)以及它們的ROM編碼可以由另外一個過程來識別.從上述 3步過程的 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代表沒有器件與單線總線相連.

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

3 系統(tǒng)軟件的設計與實現(xiàn)

基于DS18B20的糧倉溫度監(jiān)測系統(tǒng)以單片機處理模塊為核心,系統(tǒng)主控程序完成多個DS18B20的 ROM序列號的自動搜索和匹配、數(shù)字溫度轉換、測溫點溫度值輪詢顯示和串口通信等功能.主程序在系統(tǒng)上電后即可自動運行.系統(tǒng)主程序流程如圖 5所示.

主程序流程包括:開始;對液晶顯示器和DS18B20進行初始化;進行 ROM序列號搜索,分配存儲空間;對序列號的每 1位進行上述兩讀一寫操作,確定該位的值,當 8位都確定之后,就可以存入分配好的地址空間,存 8個字節(jié)就完成一個器件的搜索,記錄 DS18B20個數(shù)的存儲器自增1;接下來進行新一輪的搜索過程,直到所有器件搜索完畢,程序返回搜索器件的數(shù)量;然后,對所有器件初始化,發(fā)送跳過 ROM命令,進行溫度轉換;接下來開始匹配工作,從存儲序列號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個字節(jié),就有一個器件響應;每匹配成功一次,就對該器件做一次處理:讀取該器件的溫度值,讀取預先寫入的糧倉內(nèi)的纜號、層號,對這些值進行液晶顯示,通過串行口與 PC機通信;當所有器件響應完畢,程序返回,主程序進入下一輪循環(huán)中,重復此過程.

圖5 系統(tǒng)主程序流程

系統(tǒng)運行時檢測得到的部分測量結果如圖 6所示.

圖6 溫度檢測結果

4 結束語

基于單總線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20的分布式工作模式,設計并實現(xiàn)了一種糧堆溫度監(jiān)測系統(tǒng),成功實現(xiàn)了糧堆環(huán)境溫度的監(jiān)測,并通過RS—232技術實現(xiàn)了該系統(tǒng)與 PC機的實時通信.該溫度監(jiān)測系統(tǒng)結構簡單、體積小、成本低、精確度高、反應速度快,且具有數(shù)字化顯示和性能穩(wěn)定的特點,可以很好地完成糧堆溫度監(jiān)測任務.經(jīng)過適當改造,能勝任其他多點測溫的場合.

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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”國家科技支撐計劃 (2008BADA8B03)

張芳(1987-),女,河南新鄉(xiāng)人,碩士研究生,主要研究方向為電子技術應用.