【正文】 、 A/D 轉(zhuǎn)換器及單片機等組成的 檢測 系統(tǒng) ， 安裝和拆卸繁雜，成本也高 ； 同時線路上傳送的是模擬信號，易受干擾和損耗，測量誤差也比較大。為了克服這些缺點，本文參考了一種基于單片機并采用數(shù)字化單總線技術(shù)的溫度測控系統(tǒng)應(yīng)用于 糧庫 的的設(shè)計方案 。 數(shù)字化單總線技術(shù)是利用 DALLAS 公司生產(chǎn)的新型器件實現(xiàn)的。它 將系統(tǒng)的地址線、數(shù)據(jù)線、控制線合為一根導(dǎo)線，允許在這根導(dǎo)線上掛接數(shù)百個控制對象，形成多點單總線測控系統(tǒng) [2]。這些測控對象所用的芯片都由該公司提供。采用單總線協(xié)議后，可在檢測點將模擬信號數(shù)字化。這樣，在單總線上傳輸?shù)谋闶菙?shù)字信號。本文介紹的溫度測控系統(tǒng)就是基于單總線技術(shù)及其器件組建的。該系統(tǒng)能夠?qū)?糧庫 內(nèi)的溫度進行采集，利用溫度傳感器將溫度的變化，變換成電流的變化，再轉(zhuǎn)換為電壓變化輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其值由單片機處理，最后由單片機去控制數(shù)字顯示器，顯示實際溫度，同時通過比較，對 糧庫 內(nèi)的溫度是否超過溫度限制進行分析 。如果超過我們預(yù)先設(shè)定的溫度限制，溫度報警系統(tǒng)將進行報警，并同時自動對 倉庫 內(nèi)的溫度進行控制。這種設(shè)計方案實現(xiàn)了溫度實時測量、顯示和控制。該系統(tǒng)抗干擾能力強 ， 具有較高的測量精度，不需要任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持，安裝簡單方便，性價比高，可維護性好。這種溫度測控系統(tǒng)可應(yīng)用于農(nóng)業(yè) 產(chǎn)品 的 存儲 ，實現(xiàn)對溫度的實時 監(jiān)控 ，是一種比較智能、經(jīng)濟的方案，適于大力推廣，以 提高農(nóng)副產(chǎn)品的存儲質(zhì)量，以便 帶來 更 好的經(jīng)濟效益和社會效益。 4 2. 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 硬件電路構(gòu)成及設(shè)計原理 由于系統(tǒng)要對糧庫內(nèi)部的溫度進行測量和控制，因此采 用單片機對單總線系統(tǒng)進行現(xiàn)場長期監(jiān)控是非常經(jīng)濟實惠的方案，其硬件連接非常簡單，可用單片機并口 Pl、 P P3 中的任一位端口與單總線連接來實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，而且還可通過 RS485轉(zhuǎn)換器串行口使單片機與上位計算機 (PC機 )連接，以便在 WINDOWS平臺上進行高級的軟件管理。 系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成 本系統(tǒng)以單片機為核心，組成一個集溫度的采集、處理、顯示、自動控制為一身的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其原理框圖如圖所示。系統(tǒng)硬件電路由溫度傳感器、單片機、 RS485 串口通信和計算機組成 [3]。 圖 21 系統(tǒng)原理圖 5 圖 22系統(tǒng)電路原理圖 溫度傳感器的作用是采集糧庫內(nèi)的溫度，并進行判斷和顯示。由于智能溫度傳感器 DS18B20 既能對溫度進行測量，又能設(shè)定所需要控制的溫度，并對溫度值能夠把二進制轉(zhuǎn)換成十進制，所以本設(shè)計系統(tǒng)中選用智能溫度傳感器 DS18B20。傳感器和數(shù)字轉(zhuǎn)換電基于單片機的溫度測控系統(tǒng)在糧庫中的設(shè)計與實現(xiàn)路都被集成在一起，每個 DS18B20 都具有唯一的 64位序列號。并且 DSl8B20 只有一個數(shù)據(jù)輸入 /輸出 口，因此，多個 DSl8B20 可以并聯(lián)到 3 或 2 根線上， CPU 只需一根端口線就能與諸多 DS18B20 進行通信，而它們只需簡單的通信協(xié)議就能加以識別，這樣就節(jié)省了大量的引線和邏輯電路。用戶還可自設(shè)定非易失性溫度報警上下限值，并可用報警搜索命令識別溫度超限的 DS18B20。由于該溫度計采用數(shù)字輸出形式，故不需要 A/D 轉(zhuǎn)換器。 單片機主要是對溫度傳感器 DS18B20 進行編程，讀取溫度傳感器的溫度值，并把溫度值通過串口通信送入計算機 [4]。本系統(tǒng)中的單片機選用 AT89S51。串口通信的作用是把單片機送來的數(shù)據(jù)送到計算機 里，起到傳輸數(shù)據(jù)的作用。雖然RS232 是串行通訊中目前最常用的接口，且在 PC機系列中，每臺微機均配有標準的 RS232，但是這種共地傳輸，由于受距離與環(huán)境的影響，極易受到干擾。因此， RS232 方式的通訊，一般應(yīng)用于速度低于 2Okb/s，距離 20m 以內(nèi)的條件下，不適合于高速、遠距離通訊。而 RS485 串行通訊是一種多發(fā)送器的電路新標準，它采用了差分平衡的電氣接口，利用平衡驅(qū)動、差分接收的方法，從根本 6 上消除了地線信號。因此， RS485 可用于距離 1200m，速度為 1O0kb/s 的高速通訊。由于從糧庫到計算 機的距離較長，因此，在本課題設(shè)計中，需要在 PC 機側(cè)配置 RS485 轉(zhuǎn)換器 [5]，以達到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹? 計算機主要是進行編程，對溫度進行顯示、報警和控制等。 系統(tǒng)工作原理 采用單總線技術(shù)設(shè)計的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，如圖 22所示。整個系統(tǒng)以 AT89S51單片機為主機，其他設(shè)備為從設(shè)備。單片機通過 RS485 總線與 PC 機通訊。 PC機作上位機進行實時監(jiān)控管理，控制器選用 Max705 組成上電復(fù)位和看門狗電路。該系統(tǒng)只要一條雙絞線 (一根為信號線，一根為地線 )從單片機拉向監(jiān)控現(xiàn)場，然后將各種監(jiān)控對象 (傳感器 )掛接 在一根總線上就可以了。本系統(tǒng)通過單總線可以掛接很多個智能溫度傳感器 DS18B20，用于糧庫內(nèi)不同地方的溫度測量和控制。圖中只畫出了一個監(jiān)控現(xiàn)場的配置，其布線接頭與通常電話線路使用的一樣，插入和拔出都很方便。 圖 23 單總線器件組建溫度測控系統(tǒng)示意圖 該溫度測控系統(tǒng)的工作原理就是進行計算機編程和單片機編程，使智能溫度傳感器 DS18B20 正常工作，去檢測糧庫內(nèi)實際的溫度，并由數(shù)字顯示電路顯示出當時的溫度值 [6]。如果采集的溫度值高于上限報警溫度，系統(tǒng)將發(fā)出報警 ,并同時起 動制冷設(shè)備，把溫度降下來，當溫度降到一定的程度，即低于上限復(fù)位值時，立即關(guān)閉制冷設(shè)備，使制冷設(shè)備停止工作。當采集的溫度值低于下限報警溫度值時，系統(tǒng)又發(fā)出報警，并同時起動制熱設(shè)備，使糧庫內(nèi)的溫度上升，當溫度上升到一定的程度，即高于下限復(fù)位值時，立即關(guān)閉制熱設(shè)備，使制熱設(shè)備停止工作，從而溫度值維持在一定的范圍內(nèi)。 具體的溫度越限自動控制過程如圖 23所示。 7 圖 24 溫度超限自動控制示意圖 溫度控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)采用開關(guān)量控制，本系統(tǒng)選用了可尋址的單總線控制開關(guān) DS2405，由它送出 1 位?；?1 作為控制碼信息，去勝制報警設(shè)備、通風機執(zhí)行機構(gòu) (空調(diào) )等的開啟與關(guān)閉。當單片機發(fā)現(xiàn)溫度傳感器 DS18B20 采集到糧倉內(nèi)的實際溫度超過溫度限制時，便讓控制開關(guān) DS2405 去開啟聲光報警器報警，同時開啟空調(diào)機工作。 DS2405 是 DALLAS 公司提供了一種可尋址的開關(guān)器件，其主要特性為 : 適用于單總線協(xié)議。 由單總線上的數(shù)據(jù)作為開關(guān)信號，控制漏極開路輸出端的通斷狀態(tài)。 不用外接電源。 三種封裝形式 :TO 一 92 三腳塑封 。SOT 一 223 四腳平面封裝和 C 一 Lead 六腳表面安裝封裝。 DS9502 為防靜電保護二極管 [7]。為防止處在開路狀態(tài)易受靜電等干擾侵入，通常在單總線線路的末端都接上 DS9502 之類防靜電保護電路。 在溫度檢測系統(tǒng)的原理圖中，每個與單總線直接相連的測控對象的機構(gòu)芯片內(nèi)均有一個 64 位 (bit)的 ROM，其中存有 48位 (hit)二進制編碼的序列號，稱之為身份證，以確保芯片掛接在總線上可以被識別出來，這是在單總線上實現(xiàn)定位和尋址通信的關(guān)鍵所在。 單總線芯片入口示意圖 24 如下。由圖可見，芯片內(nèi)還含有收、發(fā)控制和電源電路，其耗電量都很小，從總線上獲得一點電量存儲在大電容中就 可以正常工作了，故一般不需要另附電源。 8 圖 25收、發(fā)控制和入口示意圖 系統(tǒng)主要技術(shù)指標 ①測量范圍 :55℃一 +l25℃，②測量精度 :℃，③反應(yīng)時間 5O0ms。 單片機的選擇 單片機概述 單片微型計算機簡稱單片機，又稱微控制器，嵌入式微控制器等 [8]，屬于第四代電子計算機。它把中央處理器、存儲器、輸入 /輸出接口電路以及定時器 /計數(shù)器集成在一塊芯片上，從而具有體積小、功耗低、價格低廉、抗干擾能力強且可靠性高等特點，因此，適合應(yīng)用于工業(yè)過程控制、智能 儀器儀表和測控系統(tǒng)的前端裝置。 單片機的主要特點有 : 1)具有優(yōu)異的性能價格比。 2)集成度高、體積小、可靠性高。 3)控制功能強。 4)低電壓，低功耗。 單片機的主要應(yīng)用領(lǐng)域 : 由于單片機具有上述顯著的特點，因此，其應(yīng)用領(lǐng)域無所不至，在自動化裝置、智能化儀器儀表和家用電器等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。例如：工業(yè)控制、電信技術(shù)、家用電器等。 單片機屬于典型的嵌入式系統(tǒng)，所以它是低端控制系統(tǒng)最佳器件。單片機的開發(fā)環(huán)境要求較低，軟件資源十分豐富，開發(fā)工具和語言也大大簡化。單片機的典型代表是 Intel公司在 20世紀 80年代初研制出來的 MCS51系列單片機。 MCS51單片機很快在我國得到廣泛的推廣應(yīng)用 [9]，成為電子系統(tǒng)中最普遍的應(yīng)用手段， 9 并在工業(yè)控制、交通運輸、家用電器、儀器儀表等領(lǐng)域取得了大量應(yīng)用成果。以MCS51 技術(shù)核心為主導(dǎo)的單片機已成為許多廠家、電氣公司競相選用的對象，并以此為基核，推出許多與 MCS51 有極好兼容性的 CHMOS 單片機，同時增加了一些新的功能 ,因此，在本課題設(shè)計的溫度檢測系統(tǒng)中，采用單片機實現(xiàn)溫度的控制。由子 AT89 系列單片機的優(yōu)異特點，本系統(tǒng)采用的單片機是 AT89S51 芯片。 AT89S51 芯片的主要性能 AT89S51 是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 8k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，功能強大的微型計算機的 AT89S51 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。 AT89S51 具有如下特點： 40 個引腳， 4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器， 128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5 個中斷優(yōu)先級 2 層中斷嵌套中斷， 2 個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,2 個全雙工串行通信口，看門狗（ WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。 此外， AT89S51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為 0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下， CPU 暫停工作，而 RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 由于系統(tǒng)控制方案簡單 ,數(shù)據(jù)量也不大 ,考慮到電路的簡單和成本等因素 ,因此在本設(shè)計中選用 ATMEL 公司的 AT89S51 單片機作為主控芯片 [10]。主控模塊采用單片機最小系統(tǒng)是由于 A T89S51 芯片內(nèi)含有 4 k 的 E2PROM ,無需外擴存儲器 ,電路簡單可靠 ,其時鐘頻率為 0～ 24 MHz 。 其 主要功能特性： 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) 4k 可反復(fù)擦寫 (1000 次） ISP Flash ROM 32 個雙向 I/O 口 工作電壓 2 個 16 位可編程定時 /計數(shù)器 時鐘頻率 033MHz 全雙工 UART 串行中斷口線 128x8 bit 內(nèi)部 RAM 2 個外部中斷源 低功耗空閑和省電模式 中斷喚醒省電模式 3 級加密位 看門狗（ WDT）電路 軟件設(shè)置空閑和省電功能 靈活的 ISP字節(jié)和分頁 編程 雙數(shù)據(jù)寄存器指針 可以看出 AT89S51 提供以下標準功能： 4K 字節(jié) Flash 閃速存儲器， 128字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32個 I/O 口線，看門狗（ WDT），兩個數(shù)據(jù)指針，兩個 16 位定時器 10 /計數(shù)器，一個 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘。同時 , AT89S51 可降至 0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時 /計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式何在 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件 工作直接到一個硬件復(fù)位 。 AT89S51 芯片的引腳說明 圖 26 AT89S51 芯片引腳圖 P0 口： P0 口是一組 8位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口，作為輸出口用時，每位能驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口寫“ 1”可作為高阻抗輸入端口。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在 Flash 編程時， P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉