【正文】 I II 本設(shè)計(jì)使用 STC89C52 單片機(jī)作為主控制模塊，利用簡(jiǎn)單的外圍電路來驅(qū)動(dòng) 1Wire 總線 ,利用 1Wire 總線協(xié)議 ,實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)溫度和濕度的精確測(cè)量 。利用 STC89C52 單片機(jī)本身強(qiáng)大的功能和內(nèi)部 RAM 資源 ，可以很方便的實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 PC 機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸，并能利用軟件方便的 邏輯判斷實(shí)現(xiàn)了 1Wire 總線的 ROM 搜索 ,實(shí)現(xiàn)了測(cè)溫器件 18B20 的枚舉 ，實(shí)現(xiàn)了無人干預(yù)的測(cè)溫點(diǎn)的動(dòng)態(tài)裁剪， 所以本設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用性。 另外，本系統(tǒng)的濕度檢測(cè)沒有完成。 本文從 1Wire 總線的原 理入手，詳細(xì)闡述了 1Wire 總線的 ROM 搜索 過程，以及硬件電路的設(shè)計(jì)、計(jì)算和軟件的算法。 關(guān)鍵詞 ： DS18B20 ；單片機(jī) MCU； 串行傳輸 Serial Data Transfer；單總線 1wire interface 第 1 章 緒 論 選題背景 防潮、防霉、防腐、防爆是糧庫日常工作的重要內(nèi)容，是衡量糧庫管理質(zhì)量的重要指標(biāo)。它直接影響到儲(chǔ)備物資的壽命和工作可靠性。 為保證日常工作的順利進(jìn)行，首要問題是加強(qiáng)倉庫內(nèi)溫度的監(jiān)測(cè)工作，因?yàn)闇囟鹊纳撸鸵馕吨Z庫內(nèi)的有氧呼吸的加強(qiáng)，就意味著馬上就要發(fā)生腐爛霉變。因此我們需要一種造 價(jià)低廉、使用方便且測(cè)量準(zhǔn)確的溫度測(cè)量?jī)x。 在我們的印象中，溫度的測(cè)量不外乎由傳感器、放大器、數(shù)碼顯示、報(bào)警器等單元組成。但是通過實(shí)際的考察，現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)根本不是這個(gè)樣子：由于糧食要定期的通過熏蒸來除蟲、防鼠，熏蒸藥劑具有高毒性，高腐蝕性，人員根本不能隨意接觸到倉內(nèi)設(shè)備，更不要說通過數(shù)碼管的 III 顯示和報(bào)警器來及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度的異常變化，同時(shí)出于防爆的要求，在倉庫內(nèi)部的系統(tǒng)，是完全密封的，并被充入低氧高氮的氣體，平時(shí)人員根本不能及時(shí)進(jìn)入。 因此現(xiàn)在的監(jiān)控系統(tǒng)都是由計(jì)算機(jī)監(jiān)控， 采用專用組態(tài)軟件、單 片機(jī)及數(shù)字傳感器組成 的，具 有 5001000 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的， 網(wǎng)絡(luò) 化的 數(shù)字式溫度 檢測(cè)的系統(tǒng)。 下圖展示了一種可能的結(jié)構(gòu) 圖 現(xiàn)場(chǎng)采集站 通過一線牽采集模塊，對(duì)糧倉的溫度進(jìn)行測(cè)量采集，每個(gè)糧倉約有200 點(diǎn)模擬量輸入（溫度）并根據(jù)糧食的情況對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行濕度檢測(cè)。 現(xiàn)場(chǎng)控制站 現(xiàn)場(chǎng)控制站可用西門子 PLC 控制現(xiàn)場(chǎng)輸送機(jī)、提升機(jī)、電動(dòng)閘門、通風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)運(yùn)行，以及報(bào)警等功能的反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。 上位機(jī) 上位機(jī)運(yùn)行組態(tài)通用工業(yè)過程監(jiān)控軟件，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控、 IV 并對(duì)倉庫溫濕度進(jìn)行巡回檢測(cè)。并生成動(dòng)態(tài)畫面、報(bào)表、報(bào)警、曲線等數(shù)據(jù)管理功能。 這就要求我們必須設(shè)計(jì)一種高可靠，高一致性，基本免維護(hù)，可自由增減測(cè)溫點(diǎn)，并具有和計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)交換數(shù)據(jù)的能力的測(cè)溫組件。 設(shè)計(jì)過程及工藝要求 根據(jù)實(shí)際的需求，我們提出了測(cè)溫組件的基本功能，需要說明的是，在這里你看不到傳統(tǒng)的溫度顯示功能，因?yàn)閷?shí)際上工作人員根本不可能到現(xiàn)場(chǎng)去記錄溫度的顯示。同時(shí)增加了組件的測(cè)溫點(diǎn)免維護(hù)自由增減功能，以適應(yīng)系統(tǒng)的規(guī)模的自由裁剪。 基本功能 檢測(cè)溫度 測(cè)溫點(diǎn)免維護(hù)自由增減 過限指示 與計(jì)算機(jī)通訊 主要技術(shù)參數(shù) 溫度檢測(cè)范圍 ： 40℃ +60℃ 測(cè)量精度： ? ℃ 報(bào)警方式：閃動(dòng)的 LED 指示燈 通訊方式： RS232 9600， N,8,1 V 第 2 章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)是以 STC89C52為基本系統(tǒng)核心的一套檢測(cè)系統(tǒng)，其中包括、單片機(jī)、復(fù)位電路、溫度檢測(cè)、過限指示、通訊接口、系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計(jì)。 圖 系統(tǒng)總體框圖 溫度傳感器的選擇 方案一：采用熱電阻溫度傳感器。 熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性制成的測(cè)溫元件?，F(xiàn)應(yīng)用較多的有鉑、銅、鎳等熱電阻。其主要的特點(diǎn)為精度高 、測(cè)量范圍大、便于遠(yuǎn)距離測(cè)量。 鉑的物理、化學(xué)性能極穩(wěn)定，耐氧化能力強(qiáng)，易提純，復(fù)制性好，工業(yè)性好，電阻率較高，因此，鉑電阻用于工業(yè)檢測(cè)中高精密測(cè)溫和溫度標(biāo)準(zhǔn)。缺點(diǎn)是價(jià)格貴，溫度系數(shù)小，受到磁場(chǎng)影響大，在還原介質(zhì)中易被玷污變脆。按 IEC 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫范圍 200～ 650℃，百度電阻比 W（ 100）= 時(shí)， R0 為 100Ω和 10Ω，其允許的測(cè)量誤差 A 級(jí)為177。（ ℃+ |t|）， B 級(jí)為177。（ ℃ + |t|）。 銅電阻的溫度系數(shù)比鉑電阻大，價(jià)格低，也易于提純和加工；但其電阻率小，在腐蝕性 介質(zhì)中使用穩(wěn)定性差。在工業(yè)中用于 50～ 180℃測(cè) VI 溫。 方案二：采用 AD590。 采用 AD590，它的測(cè)溫范圍在 55℃～ +150℃之間，而且精度高。M 檔在測(cè)溫范圍內(nèi)非線形誤差為177。 ℃。 AD590 可以承受 44V 正向電壓和 20V 反向電壓，因而器件反接也不會(huì)損壞。使用可靠。它只需直流電源就能工作，而且，無需進(jìn)行線性校正，所以使用也非常方便，接口也很簡(jiǎn)單。作為電流輸出型傳感器的一個(gè)特點(diǎn)是，和電壓輸出型相比，它有很強(qiáng)的抗外界干擾能力。 AD590 的測(cè)量信號(hào)可遠(yuǎn)傳百余米。綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設(shè) 計(jì)系統(tǒng)對(duì)于溫度傳感器的選擇。 方案三 :采用 DS18B20。 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器 ， 測(cè)溫范圍 － 55℃ ～＋ 125℃ ，固有測(cè)溫分辨率 ℃ 。 具有 獨(dú)特的單線接口方式， DS18B20 在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫 。 工作電源 : 3~5V/DC。 在使用中不需要任何外圍元件 ； 測(cè)量結(jié)果以9~12 位數(shù)字量方式串行傳送 。 綜合比較方案二與方案三，方案三更為適合于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于溫度傳感器的選擇。 信號(hào)采集 DS18B20 基本知識(shí) DS18B20 數(shù)字溫度計(jì)是 DALLAS 公司生產(chǎn)的 1－ Wire，即單總線器件，具有線路簡(jiǎn)單，體積小的特點(diǎn)。因此用它來組成一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，具有線路簡(jiǎn)單，在一根通信線 上 可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分方 VII 便。 DS18B20 產(chǎn)品的特點(diǎn) （ 1）、只要求一個(gè)端口即可實(shí)現(xiàn)通信。 （ 2）、在 DS18B20 中的每個(gè)器件上都有獨(dú)一無二的序列號(hào)。 （ 3）、實(shí)際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。 （ 4）、測(cè)量溫度范圍在－ 55。 C 到＋ 125。 C 之間。 （ 5）、數(shù)字溫度計(jì)的分辨率用戶可以從 9 位到 12 位選擇。 （ 6）、內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。 DS18B20 的引腳介紹 TO－ 92 封裝的 DS18B20 引 腳排列見圖 ，其引腳功能描述見表。 圖 DS18B20 引腳（底視圖） 表 DS18B20詳細(xì)引腳功能描述 序號(hào) 名稱 引腳功能描述 1 GND 地信號(hào) 2 DQ 數(shù)據(jù)輸入 /輸出引腳。開漏單總線接口引腳。 既可以用 在寄生電源下，也可以向器件提供電源。 3 VDD 可選擇的 VDD 引腳。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。 VIII 信號(hào)分析與處理 由于 DS18B20 采用的是 1－ Wire 總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對(duì) STC89C52 單片機(jī)來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時(shí)序來完成對(duì) DS18B20 芯片的訪問。 由于 DS18B20 是在一根 I/O 線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。 DS18B20 有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器 件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫時(shí)序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。 單總線的實(shí)現(xiàn) （ 1） DS18B20 的復(fù)位時(shí)序 圖 DS18B20的復(fù)位時(shí)序 DS18B20 的讀時(shí)序?qū)τ?DS18B20 的讀時(shí)序分為讀 0 時(shí)序和讀 1 時(shí)序兩個(gè)過程。 IX DS18B20 的讀時(shí)序是從主機(jī)把單總線拉低之后，在 15 秒之內(nèi)就得釋放單總線，以讓 DS18B20 把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。 DS18B20 在完成一個(gè)讀時(shí)序過程，至少需要 60us 才能完成。 圖 DS18B20 的讀時(shí)序 （ 2） DS18B20 的寫時(shí)序 對(duì)于 DS18B20 的寫時(shí)序仍然分為寫 0 時(shí)序和寫 1 時(shí)序兩個(gè)過程。 對(duì)于 DS18B20 寫 0 時(shí)序和寫 1 時(shí)序的要求不同，當(dāng)要寫 0 時(shí)序時(shí)，單總線要被拉低至少 60us，保證 DS18B20 能夠在 15us 到 45us 之間能夠正確采樣 IO 總線上的 “ 0” 電平，當(dāng)要寫 1 時(shí)序時(shí)，單總線被拉低之后，在 15us 之內(nèi)就得釋放單總線。 圖 DS18B20 的寫時(shí)序 DS18B20 的使用 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu) X 圖 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 測(cè)溫原理如圖 所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器 1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器 2 的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器 1和溫度寄存器被預(yù)置在－ 55℃ 所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器 1 對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器 1的預(yù)置值減到 0 時(shí)，溫度寄存器的值將加 1，計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器 1重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器 2 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。圖 中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值。 XI 圖 DS18B20 的測(cè)溫原理 DS18B20 有 4 個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件： （ 1）光刻 ROM 中的 64 位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 DS18B20 的地址序列碼。 64 位光刻 ROM 的排列是：開始 8位（ 28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著的 48 位是該 DS18B20 自身的序列號(hào)，最后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（ CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM 的作用是使每一個(gè) DS18B20 都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè) DS18B20 的目的。 （ 2） DS18B20 中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以 12 位轉(zhuǎn)化為例：用 16 位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以 ℃ /LSB形式表達(dá)，其中 S 為符號(hào)位。 XII 圖 DS18B20 溫度值格式 這是 12 位轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在 18B20 的兩個(gè) 8 比特的RAM 中，二進(jìn)制中的前面 5 位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于 0，這 5位為 0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于 即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于 0，這 5 位為 1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加 1 再乘于 即可得到實(shí)際溫度。例如 +125℃ 的數(shù)字輸出為 07D0H， +℃ 的數(shù)字輸出為0191H， ℃ 的數(shù)字輸出為 FF6FH， 55℃ 的數(shù)字輸出為 FC90H。 （ 3） DS18B20 溫度傳感器的存儲(chǔ)器 DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存 RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的 EEPRAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器 TH、TL 和結(jié)構(gòu)寄存器。 （ 4）配置寄存器 該字節(jié)各位的意義如下： 圖 配置寄存器 低五位一直都是 1， TM 是測(cè)試模式位，用于設(shè)置 DS18B20 在工作模式還是在測(cè)試模式。在 DS18B20 出廠時(shí)該位被設(shè)置為 0，用戶不要去改動(dòng)。 R1 和 R0 用來設(shè)置分辨率，如下表所示：（ DS18B20 出廠時(shí)被設(shè)置為 12 位） XIII 圖 溫度分辨率設(shè)置表 （ 5） 高速暫存存儲(chǔ)器 高速暫存存儲(chǔ)器由 9 個(gè)字節(jié)組成，其分配如表 5 所示。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存儲(chǔ)器的第 0 和第 1 個(gè)字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如 圖 所示。對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號(hào)位 S=0 時(shí)，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng) S=1 時(shí)，先將補(bǔ)碼變?yōu)樵a，再計(jì)算十進(jìn)制值。 圖 是對(duì)應(yīng)的一部分溫度值。 XIV圖 DS18B20 暫存存儲(chǔ)器分布 根據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)議，主機(jī)（單片機(jī)）控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對(duì) DS18B20 進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位成功后發(fā)送一條 ROM 指令，最后發(fā)送 RAM 指令，這樣