【正文】 多點溫度數(shù)據(jù)采集，組成兩級分布式多點溫度測量的巡回檢測系統(tǒng)。溫度值既可以送回主控PC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由LabVIEW編寫的虛擬儀器界面顯示并控制。下位機采用的是單片機基于數(shù)字溫度傳感器DS18B20的系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以應(yīng)用在大型工業(yè)及民用常溫多點監(jiān)測場合。常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計論證溫度檢測系統(tǒng)有著共同的特點：測量點多、環(huán)境復(fù)雜、布線分散、現(xiàn)場離監(jiān)控室遠(yuǎn)等。這樣，由于各種因素會造成檢測系統(tǒng)較大的偏差；又因為檢測環(huán)境復(fù)雜、測量點多、信號傳輸距離遠(yuǎn)及各種干擾的影響，會使檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性下降 。再通過與虛擬儀器的完美結(jié)合，突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送等方面的限制，使用戶可以方便地進(jìn)行維護(hù)、擴展、升級等。而且在溫度測量系統(tǒng)中,采用單片溫度傳感器,比如AD590,必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后才能送給計算機,這種測溫裝置的一根線上只能掛一個傳感器,，也要用到復(fù)雜的算法，一定程度上也增加了軟件實現(xiàn)的難度。采用數(shù)字溫度芯片DS18B20測量溫度，輸出信號全數(shù)字化。且該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件，此元件線形較好。DS18B20的最大特點之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計DS18B20和微控制器AT89C52構(gòu)成的溫度測量裝置,它直接輸出溫度的數(shù)字信號,可直接與計算機連接。采用溫度芯片DS18B20測量溫度，可以體現(xiàn)系統(tǒng)芯片化這個趨勢。而且，集成塊的使用，有效地避免外界的干擾，提高測量電路的精確度。本方案應(yīng)用這一溫度芯片，也是順應(yīng)這一趨勢。由于每一個DS18B20都與一個唯一的標(biāo)識碼對應(yīng)，對特定傳感器的操作只有在發(fā)送該傳感器的序列號來選通該傳感器之后才能進(jìn)行。如果更換某一個傳感器或增加傳感器，就需要搜索ROM程序來查出新傳感器的序列號。缺點是，程序編制復(fù)雜，需要搜索傳感器序列號的程序。它的優(yōu)點是，可以忽略傳感器的序列號，可以任意更換傳感器而程序中不需要作特殊的處理，簡化了程序設(shè)計。綜合考慮，方案一具有更大的實用性，以及更良好的擴展性，更能充分發(fā)揮DS18B20的設(shè)計優(yōu)勢，這次畢業(yè)設(shè)計中，選擇該方案來設(shè)計硬件和程序。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵，使用者可以通過修改軟件的方法，很方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模，對硬件輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理，靈活的定義各種輸出，所以有“軟件就是儀器”之說。 LabVIEW是目前國際上應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化虛擬儀器開發(fā)環(huán)境之一，主要用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域。但二者最大的區(qū)別在于：傳統(tǒng)編程語言用文本語言編程；而LabVIEW使用圖形語言（即各種圖標(biāo)、圖形符號、連線等）編程，界面非常直觀形象，使用的都是人們熟悉的旋鈕、開關(guān)、波形圖等。利用LabVIEW設(shè)置串口通訊，向單片機發(fā)送命令，讀入溫度采集數(shù)據(jù)。用戶可以對采集參數(shù)如：測量時間間隔、溫度上下限報警、通道顯示方式等進(jìn)行設(shè)置或更改。 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計系統(tǒng)的總體示意圖如圖22：計算機為主機，單片機為從機。單片機查詢串口輸入中斷，讀入命令字，根據(jù)該命令執(zhí)行相應(yīng)的程序模塊，如：啟動溫度采集，發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，增加通道數(shù)，設(shè)置溫度上下限等。程序還可以讀出以前保存的數(shù)據(jù)文件，顯示在表格和曲線圖中。下面就對本系統(tǒng)硬件和軟件的各個模塊進(jìn)行詳細(xì)分析。它通過一根數(shù)據(jù)線，它可以直接輸出溫度的數(shù)字量，具有線路簡單，體積小的特點。℃ ●可編程實現(xiàn)轉(zhuǎn)換分辨率為9位、10位、11位或12位，完成12位溫度轉(zhuǎn)換最多需要750ms，分辨率越低，轉(zhuǎn)換時間越短 ●每一個傳感器內(nèi)固化64位的唯一序列號（即每一個傳感器都有一個特定的ID），通過該序列號，可以唯一地選擇該傳感器。 DS18B20 的封裝及引腳功能TO－92 封裝的DS18B20的引腳排列見圖31，其引腳功能描述見表31。開漏單總線接口引腳。3VDD可選擇的VDD 引腳。 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（1） DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖32。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼（CRC=X8+X5+X4+1）。② 溫度靈敏元件?？赏ㄟ^軟件寫入用戶報警上下限值。配置寄存器為高速暫存存儲器中的第五個字節(jié)。TMR1R011111圖33 DS18B20配置寄存器結(jié)構(gòu)圖其中，TM：測試模式標(biāo)志位，出廠時被寫入0，不能改變；R0、R1：溫度計分辨率設(shè)置位，其對應(yīng)四種分辨率如下表所列，出廠時R0、R1置為缺省值：R0=1，R1=1（即12位分辨率），用戶可根據(jù)需要改寫配置寄存器以獲得合適的分辨率,見表32。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)補碼形式存放在高速暫存存儲器的第0和第1個字節(jié)。對應(yīng)的溫度計算：當(dāng)符號位S=0時，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S=1時，先將補碼變?yōu)樵a，再計算十進(jìn)制值。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。表33 典型對應(yīng)的溫度值表溫度/℃二進(jìn)制表示十六進(jìn)制表示+125 +++05500000111 1101000000000001 1001000100000000 1010001000000000 0000100000000000 0000000011111111 1111100011111111 0101111011111110 0110111111111100 1001000007D0H0191H00A2H0008H0000HFFF8HFF5EHFE6FHFC90H DS18B20的常用命令和時序 常用命令單片機向傳感器發(fā)送命令，實際上就是按照寫時序?qū)⒚钭謴牡臀坏礁呶灰来伟l(fā)送到數(shù)據(jù)線。初始化命令可以使所有傳感器結(jié)束前一個命令的響應(yīng)狀態(tài)，準(zhǔn)備接收新的命令。 （3） Skip ROM（0CCH）（忽略ROM）：該命令可以使所有傳感器都響應(yīng)隨后的命令，如果總線上只有一個傳感器，使用該命令，不需要序列號就可以完成溫度的轉(zhuǎn)換、讀出等操作，但如果有多個傳感器，讀出溫度數(shù)據(jù)時就會有沖突。 （4） Search ROM（0F0H）（搜索ROM）：該命令可以啟動搜索溫度傳感器序列號的操作，單片機借助特定的算法，根據(jù)傳感器的響應(yīng)，可以讀出總線上所有傳感器的序列號。 （6） Read Scratchpad（0BEH）（讀結(jié)果寄存器）：傳感器接收到該命令后，將把結(jié)果寄存器中的數(shù)據(jù)依次發(fā)送到數(shù)據(jù)線，單片機此時就可以讀入數(shù)據(jù)。 時序（1）DS18B20 的復(fù)位時序 （2）DS18B20 的讀時序?qū)τ贒S18B20 的讀時序分為讀0 時序和讀1 時序兩個過程。DS18B20 在完成一個讀時序過程，至少需要60us 才能完成。對于DS18B20 寫0 時序和寫1 時序的要求不同，當(dāng)要寫0 時序時，單總線要被拉低至少60us，保證DS18B20 能夠在15us 到45us 之間能夠正確地采樣IO 總線上的“0”電平，當(dāng)要寫1 時序時，單總線被拉低之后，在15us 之內(nèi)就得釋放單總線。在使用C等高級語言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計時，對DS18B20操作部分最好采用匯編語言實現(xiàn)。當(dāng)單總線上所掛DS18B20超過8個時，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，這一點在進(jìn)行多點測溫系統(tǒng)設(shè)計時要加以注意。試驗中，當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。 (4)在DS18B20測溫程序設(shè)計中，向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號，一旦某個DS18B20接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS18B20時，將沒有返回信號，程序進(jìn)入死循環(huán)。 硬件電路設(shè)計 系統(tǒng)模塊電路組成系統(tǒng)主要有幾個模塊組成：單片機控制部分、傳感器部分、電源電路、串口通訊、狀態(tài)顯示等。(2)傳感器部分：采用DALLAS公司的單總線數(shù)字溫度傳感器，型號為DS18B20。(4)電源部分：電源電路包括單片機控制系統(tǒng)以及外圍芯片的供電。 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計AT89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C52是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。圖36 AT89C52管腳圖● 8K字節(jié)可重擦寫FLASH閃存?！?全靜態(tài)操作：0Hz24MHz ?！?256X8字節(jié)內(nèi)部RAM 。● 3個16位定時/計數(shù)器 ?！?可編程串行UART通道 。如圖36，AT89C52擁有很多功能豐富的口線，下面對本系統(tǒng)設(shè)計中所用到的部分管腳給出說明。 (2) GND——接地。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口P0寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。表34 P3口的第二功能端口引腳第二功能RXD(串行輸入口)TXD(串行輸出口)INTO(外中斷0)INT1(外中斷1)T0(定時/計數(shù)器0)T1(定時/計數(shù)器1)WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)(5) RST——復(fù)位輸入。 (6) /EA/VPP——外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。(7) XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。足以滿足本系統(tǒng)設(shè)計要求，只要將單片機接上晶振電路和復(fù)位電路即可。晶振電路是單片機的心臟，它控制著單片機的工作節(jié)奏。晶振可以產(chǎn)生十分精確的頻率。在振蕩器工作時，將RST腳保持至少兩個機器周期高電平（24個振蕩器周期）可實現(xiàn)復(fù)位。圖37 單片機最小系統(tǒng) 傳感器電路設(shè)計DS18B20最大的特點是單總線數(shù)據(jù)傳輸方式，DS18B20的數(shù)據(jù)I/O均由同一條線來完成。 通訊電路設(shè)計（1）單片機與外部的基本通訊方式有兩種：●并行通訊——是指數(shù)據(jù)的各位同時傳送，其優(yōu)點是傳輸數(shù)據(jù)速度快，缺點是有多少位數(shù)據(jù)就需要多少根傳輸線，這在數(shù)據(jù)位數(shù)較多，傳輸距離較遠(yuǎn)時就不宜采用。對本系統(tǒng)來說，對傳輸速度要求不高，但傳輸?shù)木嚯x較遠(yuǎn)，若選用并行通訊就需要很多的傳輸線，不經(jīng)濟。（2）串行通訊有異步通訊和同步通訊兩種基本的通訊方式。它通過共享一個單個時鐘脈沖源以保證發(fā)送方和接受方準(zhǔn)確同步?！癞惒酵ㄓ嵎绞讲灰笸ㄐ烹p方同步，發(fā)送方和接受方可以有各自地時鐘源。在異步通訊中，通信雙方必須規(guī)定兩件事：一是字符格式，即規(guī)定字符各部分所占的位數(shù)，是否采用奇偶校驗，以及校驗的方式（奇校驗or偶校驗）；二是采用波特率，以及時鐘頻率與波特率之間的比例關(guān)系。異步通訊方式的傳輸效率比同步通訊方式低，但它對通信雙方的同步要求大大降低，因而成本也比同步通信方式低[2]，是比較常用的傳輸方式。 MAX232芯片簡介MAX232芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的低功耗，單電源雙RS－232發(fā)送/接受器。對于沒有電源的場合，其實用性就更強。宜采用電容盡量靠近芯片。從MAX232芯片中兩路發(fā)送接收中任選一路作為接口。由于MAX232具有驅(qū)動能力，所以不需要外加驅(qū)動。圖39 串口通訊電路設(shè)計采用了三線制連接串口，也就是說和電腦的9針串口只連接其中的3根線：第5腳的GND、第2腳的RXD、第3腳的TXD。通信線采用交叉接法，即兩者信號線對應(yīng)成為R—T，T—R?？紤]到電路設(shè)計等問題，所以在這里采用5V電源供電。電路如圖311所示。發(fā)光二極管采用供陽接法。主要狀態(tài)如下： 工作指示燈，交替閃爍 亮則表示DS1820不存在 亮則表示溫度沒有讀出 DS18B20已經(jīng)被檢測到 讀出的溫度數(shù)據(jù)保存 檢查到DS18B20就點亮連接電路如圖312所示。從軟件的功能不同可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件（主程序），它是整個控制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系。每一個執(zhí)行軟件也就是一個小的功能執(zhí)行模塊。上電復(fù)位后，首先將定時器/計數(shù)器T1設(shè)定為定時器工作方式2，即自動再裝入的8位計數(shù)器，在該方式下，TL為計數(shù)寄存器，TH為8位計數(shù)常數(shù)寄存器。根據(jù)波特率的計算公式，選擇合適的計數(shù)常數(shù)放入TH，本方案中，波特率設(shè)定為9600bit/s，則TH中放入的計數(shù)常數(shù)為0FDH（SMOD＝1，波特率加倍）。單片機主程序部分的流程圖如圖313所示。 首先通過數(shù)據(jù)口向DS18B20發(fā)復(fù)位脈溫度采集子程序入口調(diào)用總線復(fù)位程序設(shè)置跳過命令CCH調(diào)用向總線寫一個字節(jié)程序調(diào)用延時子程序調(diào)用總線復(fù)位程序溫度數(shù)據(jù)處理并保存調(diào)用串口顯示子程序設(shè)置溫度轉(zhuǎn)換命令44H調(diào)用向總線寫一個字節(jié)程序設(shè)置匹配ROM命令55H調(diào)用向總線寫一個字節(jié)程序查表，發(fā)送一路DS18B20序列號調(diào)用向總線寫一個字節(jié)程序發(fā)讀RAM命令BEH 從總線讀一個字節(jié)程序直到讀完9個字節(jié)所有DS18B20都訪問完畢？NY圖314 溫度采集流程圖測量路數(shù)加1沖，傳感器準(zhǔn)備接收命令。發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換（Convert T）命令，所有傳感器都開始溫度轉(zhuǎn)換，延時后，溫度轉(zhuǎn)換完畢。