【文章內(nèi)容簡介】 采用該方案技術(shù)已經(jīng)成熟，而且通過將溫度信息上傳到 PC 機(jī)，利用 PC 機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和相應(yīng)的輔助軟件，可以多角度、多需求的分析處理溫度數(shù)據(jù)，但這在工業(yè)上大多不是必須的。而且目前 PC 的機(jī)價(jià)格的原因，制造出這樣的系統(tǒng)，不會(huì)得到普遍的應(yīng)用，所以我不準(zhǔn)備采用此種方案。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 5－ 設(shè)計(jì)方案三 在第三套方案里，遠(yuǎn)程通信引用 RS485 標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)，它對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、管理，相對(duì)于其它現(xiàn)場總線而言，具有結(jié)構(gòu)簡易、成本低廉、硬軟件支持豐富、安裝方便，且與傳統(tǒng)的 DOS 兼容，與現(xiàn)場儀 表接口簡單，系統(tǒng)實(shí)施容易等特點(diǎn)。 第三套方案是基于 RS485 總線的控制網(wǎng)絡(luò)的情況下以 AT89C51 單片機(jī)系統(tǒng)為核心，對(duì)多點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制巡檢。各檢測單元（從機(jī)）能獨(dú)立完成各自功能，根據(jù)主控機(jī)的指令對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)或定時(shí)采集，測量結(jié)果不僅能在本地儲(chǔ)存、顯示，而且可以利用單片機(jī)串行口，通過 RS485 總線及通信協(xié)議將將采集的數(shù)據(jù)傳送到主控機(jī)，進(jìn)行進(jìn)一步的分析、存檔、處理。主控機(jī)負(fù)責(zé)控制指令發(fā)送，控制各個(gè)從機(jī)進(jìn)行溫度采集，收集測量數(shù)據(jù)，并對(duì)測量結(jié)果（包括歷史數(shù)據(jù)）進(jìn)行整理、顯示和打印。主控機(jī)與各從機(jī)之間能夠相 互聯(lián)系、相互協(xié)調(diào)，從而達(dá)到了系統(tǒng)整體統(tǒng)一和諧的控制效果。 溫度測點(diǎn) 1 從機(jī) 1從機(jī) 2從機(jī) 3從機(jī) 4主控機(jī)AT89C51鍵盤LED 模塊聲光報(bào)警溫度測點(diǎn) 1溫度測點(diǎn) 1溫度測點(diǎn) 1 圖 方案三的系統(tǒng)框圖 該方案主控機(jī)和從機(jī)完全由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，采用該方案完全可滿足工業(yè)上大部分需求，而且相對(duì)與第二種方案價(jià)格更加容易讓人接受。上圖中，從機(jī)部分實(shí)現(xiàn)的功能幾乎和主機(jī)是對(duì)等的，但會(huì)接受主機(jī)發(fā)送過來的命令的指示。 該方案采用 DS18B20 做為溫度傳感器，對(duì)于溫度信號(hào)的采集具有大范圍、高精度的特點(diǎn)。與方案 1 相比較，在功能、性能、可操作性等方面都有較大的提升。相對(duì)于方案 3，具有更高的性 價(jià)比，更大的市場。所以我采用方案 3 完成本設(shè)計(jì)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 6－ 主控機(jī) AT89C51ADC溫度測量 傳感器LED 顯示RS 485 接口電路聲光報(bào)警圖 從機(jī)部分的框圖 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 7－ 3 RS485 接口標(biāo)準(zhǔn) 接口標(biāo)準(zhǔn)的選擇 由于 RS232C 接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)時(shí)間較早，難免有不足之處，主要有以下的四點(diǎn)： (1) 接口的信號(hào)電平值比較高，容易損壞接口電路的芯片，而且與 TTL 電平不兼容，因此需要使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與 TTL 電路連接。 (2) 傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率為 20kbit/s。 (3) 接口使用一根信 號(hào)線與一根信號(hào)返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸模式容易產(chǎn)生共模干擾，因而抗干擾性能弱。 (4) 傳輸距離有限，最大傳輸距離的標(biāo)準(zhǔn)值是 (50ft),實(shí)際上一般只能用于 5米左右的范圍內(nèi)。 針對(duì) RS232C 的不足之處，于是就不斷出現(xiàn)了一些新的接口標(biāo)準(zhǔn)， RS485 就是其中比較常用的一種接口標(biāo)準(zhǔn)，它的主要特點(diǎn)有以下四點(diǎn)： (1) RS485 的電氣特性：邏輯 “ 1” 以兩線間電壓差為 +(2~6)V 表示；邏輯 “ 0” 以兩線間電壓差 (2~6)V表示。接口信號(hào)電平比 RS232C 降低了許多，不易損壞接口 電路的芯片，并且該電平與 TTL 電平兼容，可以很方便的和 TTL 電路連接。 (2) RS485 的數(shù)據(jù)傳輸速率為 10Mbit/s。 (3) RS485 接口標(biāo)準(zhǔn)是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分驅(qū)動(dòng)器的結(jié)合，抗共模干擾能力相比RS232C 增強(qiáng)了，即抗噪聲干擾性好。 (4) RS485 接口的最大傳輸距離的標(biāo)準(zhǔn)值是 (4000ft)，實(shí)際中可以達(dá)到3000m，另外 RS232C 接口在總線上只能允許連接 1 個(gè)收發(fā)器，即只有單站能力。而RS485 接口在總線上是允許連接多達(dá) 128 個(gè)收發(fā)器，即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的 RS485 接口方便的建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省了資源。 因 RS485 接口具有良好的抗噪聲干擾性能，較長的傳輸距離，多站能力這些優(yōu)點(diǎn)，使其成為首選地串行接口 [2]。 RS485 支持半雙工或全雙工模式，一般只需要兩根連線，所以 RS485 接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡(luò)， 做好采用一條總線將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來。從總線到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的引出線長度應(yīng)盡量短，以便使引出線中的反射信號(hào)對(duì)總線信號(hào)的影響最低。因而在設(shè)計(jì)中采用 RS485 接口標(biāo)準(zhǔn)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 8－ RS485 的應(yīng)用原則 標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定總線上允許連接的收發(fā)器數(shù)量，但規(guī)定了最大總線負(fù)載為 32 個(gè)單位負(fù)載 (UL)，可通過增大收發(fā)器輸入電阻來擴(kuò)展總線節(jié)點(diǎn)數(shù)。例如當(dāng)輸入電阻增加至 48kΩ以上 (1/4UL)，節(jié)點(diǎn)數(shù)就可增加至 128 個(gè)，當(dāng)輸入電阻為 150kΩ，節(jié)點(diǎn)數(shù)最多可增加至400 個(gè) [3]。 是否對(duì) RS485 總線進(jìn)行終端匹配取決于數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長度及信號(hào)轉(zhuǎn)換速率。UART 是在每個(gè)數(shù)據(jù)位的中點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)的，只要反射信號(hào)在開始采樣時(shí)衰減到足夠低，就可以不考慮匹配。當(dāng)考慮終端匹配時(shí)，有多種匹配方案可以選擇，最簡單的就是在總線兩端 各接一只阻值等于電纜特性阻抗的電阻，比較省電的匹配方案是 RC 匹配，采用二極管的匹配方案節(jié)能效果顯著。 事實(shí)表明，當(dāng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間上升或下降時(shí)間超過電信號(hào)沿總線單向傳輸所需時(shí)間的 3 倍以上時(shí)就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的 RS485 接口器件 SP483 輸出信號(hào)的上升或下降時(shí)間最小為 250ns，典型雙絞線上的信號(hào)傳輸速率約為 (24AWG PVC 電纜 )，那么只要數(shù)據(jù)速率在 250kbps 以內(nèi)，電纜長度不超過 16 米，采用 SP483 作為 RS485 接口時(shí)就可以不加終端匹配。 RS485 總線上的每個(gè)收發(fā) 器通過一段引出線接入總線。引出線過長時(shí)由于信號(hào)在引出線中的反射也會(huì)影響總線上的信號(hào)質(zhì)量，系統(tǒng)所能允許的引出線長度也和信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間、數(shù)據(jù)速率有關(guān) 。 以 SP483 為例，對(duì)應(yīng)于 250ns 的上升 /下降時(shí)間，總線允許的最大引出線長度約為 5米。減緩信號(hào)的前后沿斜率有利于降低對(duì)于總線匹配引出線長度的要求和改善信號(hào)質(zhì)量，同時(shí)還可使信號(hào)中的高頻成分降低，減少電磁輻射。因此看來在選擇接口器件時(shí)并不是速率越高越好，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)要求選擇最低速率的器件。 僅僅用一對(duì)雙絞線將各個(gè)接口的 A、 B 端連接起來，而不對(duì) RS485 通信鏈路的信號(hào)接地，在某些情況下也可以工作，但是卻給系統(tǒng)埋下了隱患。 RS485 接口采用差分方式傳輸信號(hào)并不需要對(duì)于某個(gè)參照點(diǎn)來檢測信號(hào)系統(tǒng)，只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但應(yīng)該注意的是收發(fā)器只有在共模電壓不超出一定范圍 (7V 至 +12V)的條件下才能正常工作。當(dāng)共模電壓超出此范圍，就會(huì)影響通信的可靠直至損壞接口。如圖 所示，當(dāng)發(fā)送器 A 向接收器 B 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送器 A 的輸出共模電壓為 VOS，由于兩個(gè)系統(tǒng)具有各自獨(dú)立的接地系統(tǒng)存在著地電位差 VGPD，那么接收器輸入端的共模電壓就會(huì)達(dá)到 VCM=VOS+VGPD。 RS485 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 VOS≤3V，但 VGPD 可能會(huì)有很大幅度畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 9－ (十幾伏甚至數(shù)十伏 )，并可能伴有強(qiáng)干擾信號(hào)致使接收器共模輸入 VCM 超出正常圍，在信號(hào)線上產(chǎn)生干擾電流輕則影響正常通信，重則損壞設(shè)備。 RS485 總線的接線方法如圖 所示。 A B機(jī)殼或大地 系統(tǒng)電路地 圖 RS485 總線的接線示意圖 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 10－ 4 單元模塊設(shè)計(jì) 溫度傳感器的選擇方案 傳感器的選擇受很多因素的影響，首先是各種溫度傳感器自身的優(yōu)缺點(diǎn)，其次是各種不同的環(huán)境因素，以及系統(tǒng)所要求實(shí)現(xiàn)的 精度等，所以在不同的設(shè)計(jì)當(dāng)中溫度傳感器的選擇也將不同 [4]。 各種常用傳感器的應(yīng)用方案比較如下： 方案一：熱電偶傳感器 熱電偶傳感的原理是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢變化。它是利用兩種不同材料的金屬連接在一起，構(gòu)成的具有熱電效應(yīng)原理的一種感溫元件。其優(yōu)點(diǎn)為精確度高、測量范圍廣、構(gòu)造簡單、使用方便，型號(hào)種類比較多且技術(shù)成熟等。目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用產(chǎn)品中。熱電偶傳感器的種類很多，在選擇時(shí)必須考慮其靈敏度、精確度、可靠性、穩(wěn)定性等條件。 方案二：熱電阻傳感器 熱電阻傳感器的原理是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。熱電阻傳 感器是中低溫區(qū)最常用的一種溫度傳感器。它的主要特點(diǎn)是：測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精度是最高的，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制作成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。從熱電阻的測溫原理可以知道，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來表現(xiàn)的。因此，熱電阻的引出線的電阻的變化會(huì)給測溫帶來影響。為消除引線電阻的影響，一般采用三線制或四線制。熱電阻測溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導(dǎo)線、顯示儀表組成。 方案三：半導(dǎo)體集成模擬溫度傳感器 半導(dǎo)體 IC 溫度傳感器是利用半導(dǎo)體 PN 結(jié)的電流、電壓與溫度變換關(guān)系來測溫的一種感溫元件。這種傳 感器輸出線性好、精度高，而且可以把傳感器驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理電路等，與溫度傳感器部分集成在同一硅片上，體積小，使用方便，應(yīng)用比較廣泛的有AD590 等。 IC 溫度傳感器在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，通常用于室溫或環(huán)境溫度的檢測，以便微型計(jì)算機(jī)對(duì)溫度測量值進(jìn)行補(bǔ)償 [5]。 方案四：半導(dǎo)體集成數(shù)字溫度傳感器 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，新型溫度傳感器的種類繁多，應(yīng)用逐漸廣泛，并且開始由模擬式向著數(shù)字式、單總線式、雙總線式、多總線式發(fā)展。數(shù)字溫度傳感器，更因適合與各種微處理器的 I/O 接口相連接，組成自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)，這種系 統(tǒng)克服了畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 11－ 模擬傳感器與微處理器接口時(shí)需要信號(hào)調(diào)理電路和 A/D 轉(zhuǎn)換器的弊端，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、電子測溫、醫(yī)療儀器等各種溫度控制系統(tǒng)中，數(shù)字溫度傳感器中比較有代表性的有 DS18B20 等。 表 典型傳感器對(duì)比表 傳感器 AD590 PT100 DS18B20 產(chǎn)地 美國 德國 美國 量程 50℃ ~+150℃ 200℃ ~+450℃ 55℃ ~+125 精度 177。 ℃ 177?！? 177?！? 供電電壓 +4V~+30V +13V~+36V +~+ 輸出信號(hào)類型 模擬信號(hào) 模擬信號(hào) 數(shù)字信號(hào) PT100與 AD590都不能與單片機(jī)的 I/O口直接相連，需要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路， A/D轉(zhuǎn)換電路。而 DS18B20是數(shù)字溫度傳感器，并且采用單總線技術(shù)，使該傳感器不但可以直接與單片機(jī) I/O口相連，并且只需要一個(gè) I/O就可以連接多個(gè)溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測量與控制。所以使用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20不但可以節(jié)約單片機(jī) I/O口，還能使系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本降低 [4]。 DS18B20 的介紹 DS18B20 簡介 DS1820 是 Dallas 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字化溫度傳感器，是世界上 第一片支持 “ 一線總線 ” 接口的溫度傳感器。一線總線獨(dú)特而經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可以輕松的組件傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量引入全新的概念。新一代的 “ DS18B20” 體積更小、更經(jīng)濟(jì)、更靈活，使用戶可以充分發(fā)揮一線總線的長處 [5]。 同 DS1820 一樣， DS18B20 也支持 “ 一線總線 ” 接口，測量溫度范圍為 55℃ ~+125℃ ，在 10℃ ~+85℃ 范圍內(nèi)，精度為 177。℃ ?，F(xiàn)場溫度范圍以 “ 一線總線 ” 的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如設(shè)備控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。 DS18B20 的特性 (1) 獨(dú)特的單接口僅需一個(gè)端口引腳進(jìn)行通訊； (2) 簡單的多點(diǎn)分布應(yīng)用； 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 12－ (3) 無需外部器件； (4) 可通過數(shù)據(jù)線供電，無需外部電源； (5) 零待機(jī)功耗； (6) 測溫范圍為 55℃ ~+125℃ ，以 ℃ 遞增； (7) 溫度以 9 位數(shù)字量讀出； (8) 溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時(shí)間 200ms(典型值 )； (9) 用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置； (10) 報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過程序限定溫度 (溫度報(bào)警條件 )的器件； (11) 應(yīng)用包括溫度控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費(fèi)品、溫度計(jì)或任何熱感 測系統(tǒng)。 DS18B20 的結(jié)構(gòu) DS18B20 的結(jié)構(gòu)如圖 所示： 2 7 .0DQ2V CC3G ND1U1DS 1 8 B20 圖 DS18B20 的結(jié)構(gòu)圖 DS18B20 的各引腳說明如表 表述 。 表 DS18B20 的引腳說明 引腳 8 腳 SOIC 引腳 PR35 符號(hào) 說明 5 1 GND 地 4 2 DQ 單線應(yīng)用的數(shù)據(jù)輸入輸出引腳 3 3 VDD 可選 VDD 引腳