【文章內(nèi)容簡介】 超限報警，實(shí)現(xiàn)了人性化管理。2 單片機(jī)溫度測量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 單片機(jī)溫度測量系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)系統(tǒng)要完成的設(shè)計(jì)功能如下：◆實(shí)現(xiàn)對溫室溫濕度參數(shù)的實(shí)時采集，測量空間多點(diǎn)的溫度和濕度：根據(jù)測量空間或設(shè)備的實(shí)際需要，由多路溫度、濕度傳感器對關(guān)鍵溫、濕度敏感點(diǎn)進(jìn)行測量，由單片機(jī)對各路數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)檢測、數(shù)據(jù)處理、存儲，實(shí)現(xiàn)溫濕度的智能、多空間點(diǎn)的測量?！魧?shí)現(xiàn)超限數(shù)據(jù)的及時報警?！衄F(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備應(yīng)具有較高的靈敏度、可靠性、抗干擾能力并具有存儲、遠(yuǎn)程通信功能。◆通信系統(tǒng)具有較高的可靠性、較好的實(shí)時性和較強(qiáng)的抗干擾能力。與計(jì)算機(jī)通訊功能，采用RS232串行通訊方式最遠(yuǎn)傳輸距離為20米。◆長時間測量數(shù)據(jù)記錄功能：可以根據(jù)需要設(shè)置數(shù)據(jù)記錄時間間隔，數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲器?！舯O(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)管理軟件既要具有完成數(shù)據(jù)采集、處理的功能，其軟件編程應(yīng)具有功能強(qiáng)大、界面友好、便于操作和執(zhí)行速度快等特點(diǎn)。要求達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)：測溫范圍：20℃—100℃測溫精度：℃測溫范圍：0—100%RH測溫精度：%RH 單片機(jī)溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的原則要求單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性高、操作維護(hù)方便、性價比高等特點(diǎn)。l、可靠性高可靠性是單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的前提，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每一個環(huán)節(jié)，都應(yīng)該將可靠性作為首要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。提高系統(tǒng)的可靠性通常從以下幾個方面考慮：使用可靠性高的元器件；設(shè)計(jì)電路板時布線和接地要合理；對供電電源采用抗干擾措施；輸入輸出通道抗干擾措施；進(jìn)行軟硬件濾波：系統(tǒng)自診斷功能等。操作維護(hù)方便在系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)時，應(yīng)從操作者的角度考慮操作和維護(hù)方便，盡量減少對操作人員專用知識的要求，以利于系統(tǒng)的推廣。因此在設(shè)計(jì)時，要盡可能減少人機(jī)交互接口，多采用操作內(nèi)置或簡化的方法。同時系統(tǒng)應(yīng)配有現(xiàn)場故障診斷程序，一旦發(fā)生故障能保證有效地對故障進(jìn)行定位，以便進(jìn)行維修。性價比單片機(jī)除體積小、功耗低等特點(diǎn)外，最大的優(yōu)勢在于高性能價格比。一個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)能否被廣泛使用，性價比是其中一個關(guān)鍵因素。因此，在設(shè)計(jì)時，除了保持高性能外，盡可能降低成本，如簡化外圍硬件電路，在系統(tǒng)性能和速度允許的情況下盡可能用軟件功能取代硬件功能等。 單片機(jī)溫度測量系統(tǒng)的組成與工作原理以單片機(jī)為控制核心，采用溫濕度測量，通信技術(shù)，誤差修正等關(guān)鍵技術(shù)，以溫濕度傳感器作為測量元件，構(gòu)成智能溫濕度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)，可分為溫度測量電路，濕度測量電路，A/D轉(zhuǎn)換及濾波電路，數(shù)據(jù)存儲及顯示電路，語音報警電路。選用的主要器件有：溫度傳感器DS1820，濕度傳感器HSll01，At89S51，A/D轉(zhuǎn)換器TLCO834，數(shù)據(jù)存儲器AT24C04，MMC存儲卡，4數(shù)碼管顯示模塊，語音報警芯片ISD2560，MAX232，集成定時器555芯片等。 硬件結(jié)構(gòu)圖本系統(tǒng)以單片機(jī)Atme189S51為核心，數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示、報警以及上傳至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理都要通過單片機(jī)。數(shù)據(jù)采集通過單總線的智能溫度傳感器DS18B20。和模擬的濕度傳感器HS1101完成；當(dāng)采集數(shù)據(jù)超出預(yù)警值時，有語音報警芯片ISD256o實(shí)時報警，然后進(jìn)行相應(yīng)處理；數(shù)據(jù)存儲可以在計(jì)算機(jī)完成，在計(jì)算機(jī)不工作時還設(shè)置了輔助的多媒體卡MMC存儲；由數(shù)碼管實(shí)時顯示接收的數(shù)值；數(shù)據(jù)處理主要是上位機(jī)完成的數(shù)據(jù)曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)打印等功能。在整個系統(tǒng)中采用了多種總線、協(xié)議技術(shù)，如智能溫度傳感器DS1820的單總線技術(shù)，存儲擴(kuò)展的I2C總線技術(shù)，MMC的模擬SPI總線技術(shù)，單片機(jī)和計(jì)算機(jī)連接的RS232協(xié)議技術(shù)等。為防止模擬傳感器數(shù)據(jù)采集的失真，采用了線形插值算法。在這個系統(tǒng)中單片機(jī)部分采用語言為匯編和C語言混合編程，計(jì)算機(jī)部分采用VC++。3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成及測量原理由于系統(tǒng)要對大棚內(nèi)部的溫度進(jìn)行測量和控制，因此采用單片機(jī)對單總線系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場長期監(jiān)控是非常經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方案，其硬件連接非常簡單，可用單片機(jī)并口PPP3中的任一位端口與單總線連接來實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，而且還可通過RS232/485轉(zhuǎn)換器串行口使單片機(jī)與上位計(jì)算機(jī)(PC機(jī))連接，以便在WINDOWS平臺上進(jìn)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(jī)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3—1所示。系統(tǒng)硬件電路由溫度傳感器、單片機(jī)、RS—485串口通信和計(jì)算機(jī)組成。溫度傳感器的作用是采集大棚內(nèi)的溫度，并進(jìn)行判斷和顯示。由于智能溫度傳感器DS18B20既能對溫度進(jìn)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(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，所以本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中選用智能溫度傳感器DS18B20。該傳感器是利用在板專利技術(shù)來測量溫度的。傳感器和數(shù)字轉(zhuǎn)換電路都被集成在一起，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(jìn)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(jì)采用數(shù)字輸出形式，故不需要A/D轉(zhuǎn)換器。單片機(jī)主要是對溫度傳感器DS18B20進(jìn)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(jì)算機(jī)。由于AT89系列單片機(jī)與MCS—51系列單片機(jī)兼容，所以，本系統(tǒng)中的單片機(jī)選用AT89C2051。串口通信的作用是把單片機(jī)送來的數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)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(jī)系列中，每臺微機(jī)均配有標(biāo)準(zhǔn)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20kb/s，距離20m以內(nèi)的條件下，不適合于高速、遠(yuǎn)距離通訊。而RS485串行通訊是一種多發(fā)送器的電路新標(biāo)準(zhǔn)，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，從根本上消除了地線信號。因此，RS485可用于距離 1200m，速度為100kb/s的高速通訊。由于從大棚到計(jì)算機(jī)的距離較長，因此，在本課題設(shè)計(jì)中，需要在PC機(jī)側(cè)配置RS485轉(zhuǎn)換器，以達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。?jì)算機(jī)主要是進(jìn)行編程，對溫度進(jìn)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(jì)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，如圖3—2所示。整個系統(tǒng)以AT89C2051單片機(jī)為主機(jī)，其他設(shè)備為從設(shè)備。單片機(jī)通過RS485總線與PC機(jī)通訊。PC機(jī)作上位機(jī)進(jìn)行實(shí)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(jī)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，用于溫室大棚內(nèi)不同地方的溫度測量和控制。圖3—2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。該溫度測控系統(tǒng)的工作原理就是進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程和單片機(jī)編程，使智能溫度傳感器DS18B20正常工作，去檢測大棚內(nèi)實(shí)際的溫度，并由數(shù)字顯示電路顯示出當(dāng)時的溫度值。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(dāng)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(dāng)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，使大棚內(nèi)的溫度上升，當(dāng)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，從而使溫室大棚的溫度值維持在一定的范圍內(nèi)。其具體的溫度越限自動控制過程如圖3—3所示。溫室控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)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?；?作為控制碼信息，去勝制報警設(shè)備、通風(fēng)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(空調(diào))等的開啟與關(guān)閉。當(dāng)單片機(jī)發(fā)現(xiàn)溫度傳感器 DS18B20采集到大棚內(nèi)的實(shí)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(jī)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)?？刂菩盘栞敵龆薖IO引腳吸收能力大于4mA/。不用外接電源。三種封裝形式：TO—92三腳塑封；SOT—223四腳平面封裝和C—Lead六腳表面安裝封裝。DS9502為防靜電保護(hù)二極管。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(hù)電路。圖3—2中每個與單總線直接相連的測控對象的機(jī)構(gòu)芯片內(nèi)均有一個64位(bit)的ROM，其中存有48位(hit)二進(jìn)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(shí)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如圖3—4所示。由圖3—4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(diǎn)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。 收、發(fā)控制和入口示意圖 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo) ①測量范圍：55℃— +125℃，②測量精度：℃，③反應(yīng)時間≤500ms。 溫度傳感器的選擇測量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器，溫度傳感器的發(fā)展主要大體經(jīng)過了三個階段：(含敏感元件)：；。模擬集成傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝而制成的，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器是在20世紀(jì)80年代問世的，它是將溫度傳感器集成在一個芯片上，可完成溫度測量及模擬信號輸出功能的專用IC。模擬集成溫度傳感器的主要特點(diǎn)是功能單一(僅測量溫度)、測溫誤差小、價格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等，適合遠(yuǎn)距離測溫、控溫，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)，外圍電路簡單。它是目前在國內(nèi)外應(yīng)用最為普遍的一種集成傳感器，典型產(chǎn)品有AD590、AD59TMP1LM135等。模擬集成溫度控制器主要包括溫控開關(guān)和可編程溫度控制器，典型產(chǎn)品有LM5AD22105和MAX6509。某些增強(qiáng)型集成溫度控制器(例如TC652/653)中還包含了A/D轉(zhuǎn)換器以及固化好的程序，這與智能溫度傳感器有某些相似之處。但它自成系統(tǒng)，工作時并不受微處理器的控制，這是二者的主要區(qū)別。智能溫度傳感器(亦稱數(shù)字溫度傳感器)是在20世紀(jì)90年代中期問世的。它是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動測試技術(shù)(ATE)的結(jié)晶。目前，國際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器(CPU)、隨機(jī)存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。智能溫度傳感器的特點(diǎn)是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器(MCU)；并且它是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件來實(shí)現(xiàn)測試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、從集成化向智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展。智能溫度傳感器DS18B20正是朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。因此，智能溫度傳感器DS18B20作為溫度測量裝置己廣泛應(yīng)用于人民的日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。 DS18B20的介紹DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS18B20之后最新推出的一種數(shù)字化單總線器件，屬于新一代適配微處理器的改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)9—2位數(shù)字值讀數(shù)方式。，并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線(單線接口)讀寫，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。同時其“一線總線”獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入了全新的概念。DS18B20“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為55℃—+125℃，在10—+85℃范圍內(nèi)，℃。現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，用符號擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。因此，數(shù)字化單總線器件DS18B20適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。它在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820都有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來了更方便和更令人滿意的效果?？蓮V泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測量及控制儀器、測控系統(tǒng)和大型設(shè)備中。 DS18B20的性能特點(diǎn)(1)采用DALLAS公司獨(dú)特的單線接口方式：DS18B20與微處理器連接時僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DSI8B20的雙向通訊。(2)在使用中不需要任何外圍元件。(3)可用數(shù)據(jù)線供電，供電電壓范圍：+—+。(4)測溫范圍：55—+l25℃。℃。當(dāng)在10℃—+85℃范圍內(nèi)，℃，在55—+125℃范圍內(nèi)，測量誤差也不超過2℃。(5)通過編程可實(shí)現(xiàn)9—12位的