基于DS18B20分布式多点测温方式实现.doc

毕业设计论文1第1章绪论多点温度控制系统是比较常见的和典型温度测控系统，温度是塑料大棚生产过程中重要的被控参数之一，在塑料大棚中要根据温度光照等参量惊醒调节。是光合作用和呼吸作用达到一个理想的状态，从而增加蔬菜的产量。因此，对温度的时时测控是达到目的的一种重要的手段。本设计是针对MCS51型AT89C51系列单片机在检测和控制方面的应用，分析温度控制系统实际。在设计中，首先介绍了一下在设计中用到的一些重要芯片，如AT89C51、AD0809等，使读者在阅读过程中，对各个芯片的具体功能更加清晰；在温度采集电路设计中，以大量的篇幅介绍了温度采集与数据变换过程，并将设计的流程图，并将温度的数据时时的传递到上位机上，使用户可以足不出户就能了解大棚内的温度。毕业设计论文2第2章整体方案本方案采用基于DS18B20分布式多点测温方式实现对整个大棚内温度实施测控，并且采用比较流行的AT89S51作为电路的控制核心,使用12位的高精度模数转换器AD574A进行数据转换,控制电路部分采用继电器控制通风机从而实现降温要求。（图一）有多个DS18B20采集数据，从而实现分布式多点测温，再有单片机上传到上位机在上位机上显示温度。该设计结构简单,控制电路可靠，有较强的通用性。所设计的控制系统有以下功能：·温度控制设定波动范围小于±1%,测量精度小于±1%,控制精度小于±2%,超调整量小于±4%；·当温度过高时可以通过通风设施实现降温；·实时显示当前温度值；·按键控制：设置复位键、运行键、功能转换键。·越限报警，当越限是上位机按钮颜色有绿变红。当温度回到设定范围时按钮颜色恢复正常。单片机报警上位机执行机构数码管显示温度采集毕业设计论文32.1方案实现利用单片机、DELPHI和USB测控模块设计一个温度控制系统，灯模拟加热系统，DS18B20进行测温，对温度在一定范围内进行控制，如果超出上限范围将关闭，如果温度低于下限温度将打开模拟加热系统进行加热。打开系统后首先点停止，然后设置上下限温度（上限温度应超过下限温度，当设置上限温度小于下限温度时则会出现警告“您输入的数据错误！”），然后点开始，系统进行工作。例如:设置上限温度为40度，下限温度为35度。点击“开始”报警点为白色；当温度在35度和40度之间时，报警变绿；当温度超过40度时，报警变红。2.2设计方案及工作原理利用单片机的18B20测得环境温度，经过单片机处理，不十进制的温度数转化成8位二进制数并发送到P0口，连接USB模块和单片机P0口，让他们同电位，也就是说单片机测得的温度就转化成了USB模块可以是别的二进制数，经过串口线接口送到上位机，再利用DELPHI软件编程获得实际温度的十进制数并显示出来。毕业设计论文4第3章硬件3.1DS18B20单总线数字温度计3.1.1DS18B20特性*独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯*简单的多点分布应用*无需外部器件*可通过数据线供电*零待机功耗*测温范围-55+125，以0.5递增。华氏器件-67+257F，以0.9F递增*温度以9位数字量读出*温度数字量转换时间200ms（典型值）*用户可定义的非易失性温度报警设置*报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件*应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统3.1.2DS18B20说明DS1820数字温度计以9位数字量的形式反映器件的温度值。DS1820通过一个单线接口发送或接收信息，因此在中央微处理器和DS1820之间仅需一条连接线（加上地线）。用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源，因为每个DS1820都有一个独特的片序列号，所以多只DS1820可以同时连在一根单线总线上，这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方。这一特性在HVAC环境控制、探测建筑物、仪器或机器的温度以及过程监测和控制等方面非常有用。引脚说明（图二）（图二）的方框图示出了DS1820的主要部件表2.1的DS18B20详细引脚描述序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，毕业设计论文5也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。（表2.1）DS1820有三个主要数字部件：1）64位激光ROM，2）温度传感器，3）非易失性温度报警触发器TH和TL。器件用如下方式从单线通讯线上汲取能量：在信号线处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。DS1820也可用外部5V电源供电。DS1820依靠一个单线端口通讯。在单线端口条件下，必须先建立ROM操作协议，才能进行存储器和控制操作。因此，控制器必须首先提供下面5个ROM操作命令之一：1）读ROM，2）匹配ROM，3）搜索ROM，4）跳过ROM，5）报警搜索。这些命令对每个器件的激光ROM部分进行操作，在单线总线上挂有多个器件时，可以区分出单个器件，同时可以向总线控制器指明有多少器件或是什么型号的器件。成功执行完一条ROM操作序列后，即可进行存储器和控制操作，控制器可以提供6条存储器和控制操作指令中的任一条。一条控制操作命令指示DS1820完成一次温度测量。测量结果放在DS1820的暂存器里，用一条读暂存器内容的存储器操作命令可以把暂存器中数据读出。温度报警触发器TH和TL各由一个EEPROM字节构成。如果没有对DS1820使用报警搜索命令，这些寄存器可以做为一般用途的用户存储器使用。可以用一条存储器操作命令对TH和TL进行写入，对这些寄存器的读出需要通过暂存器。所有数据都是以最低有效位在前的方式进行读写。3.1.3寄生电源寄生电源的方框图见图1。这个电路会在I/O或VDD引脚处于高电平时“偷”能量。当有特定的时间和电压需求时（见节标题“单线总线系统”），I/O要提供足够的能量。寄生电源有两个好处：1）进行远距离测温时，无需本地电源，2）可以在没有常规电源的条件下读ROM。要想使DS1820能够进行精确的温度转换，I/O线必须在转换期间保证供电。由于DS1820的工作电流达到1mA，所以仅靠5K上拉电阻提供电源是不行的，当几只DS1820挂在同一根I/O线上并同时想进行温度转换时，这个问题变得更加尖锐。有两种方法能够使DS1820在动态转换周期中获得足够的电流供应。第一种方法，当进行温度转换或拷贝到E2存储器操作时，给I/O线提供一个强上拉。用MOSFET把I/O线直接拉到1上就可以实现，见图2。在发出任何涉及拷贝到E存储器或启动温度转换的协议之后，必须在最多10s之内把I/O线转换到强上拉。使用寄生电源方式时，VDD引脚必须接地。毕业设计论文63.1.4分组测试方法本文以DS18B20与89C52接口进行分组方法说明，假设89C52的P1口可用于扩展的总线根数为4，测温系统共需100个DS18B20，可将100个传感器平均分配，分别挂在4根I/0线上，若存在传感器数量不能被总线根数整除现象，则可使所有总线上所挂传感器个数差别不超过1，在进行读数时稍作处理就能解决，电源方式采用外部供电方式，由于各DS18B20转换方式是采用同时转换，所以需要电流较大，不能利用信号线供电，否则系统无法正常工作。接线示意图如下图2所示(同组的DS18B20信号线都挂在P1口的某根总线上)。DS18B20的读写控制须严格按照时序要求进行，其流程如下，首先给所有的DS18B20发送一个复位脉冲，复位结束后同时从各I/O口发送SkipROM命令，接着发送转换命令，全部传感器开始转换，转换结束后向各路同时发送MatchRom命令,接着发送64位序列号，各组分别选中一个DS18B20，然后读取ScratchPad数据，最后进行数据转换，将串行读入的数据转换实际的温度值，循环读取25次将所有DS18B20温度数据完全读完，巡检一次的任务完成，流程具体如左图3所示。下面进行单总线方式和分组方式测试（都采用同时转换方式）系统耗时分析,图4-6分别为DS18B20的复位时序、微处理器写一位和读一位的时序3。由图可知:复位时间为：495us-1020us写一位的时间:60us-120us读一位的时间:60us以上毕业设计论文7读写相临一位时间间隔:1us由于模数转换时间为97.35ms(9位精度),所以总的巡检时间若均按最短时间计算分别为：（1）总线方式：495us+2*(8*60+7)us+97.35ms+495us+100*(64*60+63+8*60+7+9*60+8)us=552.534ms(2)分组方式495us+2*（8*60+7）us+97.35ms+20(64*60+63+8*60+7+9*60+8)us=189.804ms数制转换和存储时间因为占总的巡检时间比重很小、以及晶振频率无法确定，此处未做计算，由计算结果可知，采用分组方式巡检时间能得到明显降低。3.1.5DS18B20的使用方法由于DS18B20采用的是1Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。由毕业设计论文8于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。DS18B20采用外部供电方式，单总线长度也不宜超过80M，否则也会影响到数据的传输。在实际应用中还可以使用一个MOSFET将I/O口线直接和电源相连，起到上拉的作用。对DS18B20的设计，需要注意以下问题：（1）对硬件结构简单的单线数字温度传感器DS18B20进行操作，需要用较为复杂的程序完成。编制程序时必须严格按芯片数据手册提供的有关操作顺序进行，读、写时间片程序要严格按要求编写。尤其在使用DS18B20的高测温分辨力时，对时序及电气特性参数要求更高。（2）测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。DS18B20在三线制应用时，应将其三线焊接牢固；在两线应用时，应将VCC与GND接在一起，焊接牢固。若VCC脱开未接，传感器只送85.0的温度值。（3）实际应用时，要注意单线的驱动能力，不能挂接过多的DS18B20，同时还应注意最远接线距离。另外还应根据实际情况选择其接线拓扑结构。另一种给DS1820供电的方法是从VDD引脚接入一个外部电源，见图3。这样做的好处是I/O线上不需要加强上拉，而且总线控制器不用在温度转换期间总保持高电平。这样在转换期间可以允许在单线总线上进行其他数据往来。另外，在单线总线上可以挂任意多片DS1820。3.1.6AT89S51功能描述：AT89S51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S51具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。端口引脚的第二功能：毕业设计论文9（1）P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)；P3.2INTO(外中断0)；（2）P3.3INT1(外中断1)；P3.4TO(定时/计数器0)；P3.5T1(定时/计数器1)；（3）P3.6WR(外部数据存储器写选通)；P3.7RD(外部数据存储器读选通)3.2单总线目前常用的微机与外设之间进行数据传输的串行总线主要有I2C总线、SPI总线和SCI总线。其中I2C总线以同步串行2线方式进行通信（一条时钟线，一条数据线），SPI总线则以同步串行3线方式进行通信（一条时钟线，一条数据输入线，一条数据输出线），而SCI总线是以异步方式进行通信（一条数据输入线，一条数据输出线）的。这些总线至少需要两条或两条以上的信号线。近年来，美国的达拉斯半导体公司（DALLASSEMICONDUCTOR）推出了一项特有的单总线（1-WireBus）技术。该技术与上述总线不同，它采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因而这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。单总线适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。主机可以是微控制器，从机可以是单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作；当有多个从设备时，系统则按多节