（机械电子工程专业论文）多点智能测温系统在vav系统室内环境测量中的应用.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 多点智能测温系统在v a v 系统室内环境测量中的应用 专业：机械电子工程 研究生：刘金颂 指导老师：严洁副墩艘 摘要 变风量空调系统是利用改变送入空调区域的送风量来适应区域内负荷变化的 一种空调系统。它具有不仅能提供良好的舒适性，而且有显著的节能效果的特点， 因此获得了广泛的应用。 要成功实现对变风量风口结构的优化设计，在不同风e l 结构型式下准确的检 测室内环境是关键。本文针对变风量空调系统室内多点测温的特点，采用数字化 测温技术和单总线传输方式，简化了测温前端的电路设计，有效地改善了系统的 抗干扰能力。 采用集散测控系统设计方案，既由m c s 5 1 单片机和5 6 只d s l 8 8 2 0 构成下位 机系统，单片机负责数据的采集和上传，5 6 只d s l 8 8 2 0 组成矩形测温网络，上位 机采用p c 机实现数据处理、温度信息管理和图形化的操作界面。b p 神经网络的 应用使得系统具有判断温度传感器有无故障的功能。 本文所研制的测温系统经过联调并进行了功能测试，结果表明达到预期设计 要求。 关键词：v a v ：单总线；d s l 8 8 2 0 ；温度采集；数据库 论文类型：应用研究 i 西安建筑科技大学硕士论文 t h e a p p l i c a t i o no fm u l t i - c h a n n e li n t e l l i g e n t t e m p e r a t u r em e a s u r es y s t e mi nv a v e n v i r o n m e n t p a r a m e t e rm e a s u r i n g m a j o r ：m e c h a n i c a l & e l e c t r o n i c se n g i n e e r i n g p o s t g r a d u t e ：l i u j i n s o n g i n s t r u c t o r ：v i c ep r o f y j i l j i e a b s i r a c t v a v s y s t e mi san e w k i n do fa i rc o n d i f i o ns y s t e mw h i c hm a k e su s eo fc h a n g i n g t h ea m o u n to fa i rt oa d a p tt ov a r i a b l el o a di n s i d et h ed i s t r i c t i tn o to n l yp r o v i d e su s c o m f o r t ，b u ta l s oh a st h ec h a r a c t e ro fo b v i o u se n e r g y - s a v i n g ，s oi to w n sl a r g e a p p l i c a t i o n d e t e c t i n gt h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ea c c u r a t e l yi st h ek e yt e c h n o l o g yt oe n s u r e t h a tt h eo p t i m i z a t i o n d e s i g nt h es t r u c t u r eo ft h ev a vt h e r m af u s e rs u c c e s s f u l l y a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro ft h em u l t i c h a n n e lt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti nt h ev a v s y s t e m ，t h ed i g i t a lt e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o na n d1 - w i r et e c h n o l o g ya r eu s e di nt h i sp a p e r , a n di t p r e d i g e s t st h ea n t e r i o rc i r c u i ta n di m p r o v e sa n t i - j a m m i n ga b i l i t yo ft h i ss y s t e m e f f e c t i v e l y t h e s y s t e ma d o p t s d i s t r i b u t e dm e a s u r ea n dc o n t r o lm e t h o d s ：m c s 一5 1 m i c r o c o n t r o l l e ra n d5 6d s l8 8 2 0a r eu s e da sh y p o g y n y s y s t e m w h i c ht h ef o r m e ri st o t a k ec h a r g eo fd a t ea c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o na n dt h el a t e ra r ec o m p o s e do fa r e c t a n g l em e a s u r en e t w o r k ，a n de p i g y n o u s s y s t e ma d o p t sp ct or e a l i z ed a t ep r o c e s s ， t e m p e r a t u r ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ta n dg r a p h i c a li n t e r f a c eo p e r a t i o n t h eu s eo fb p a n nm a k e st h i ss y s t e mh a v et h ea b i l i t yo f j u d g i n gw h e t h e rt h es e n s o r sh a v ef a u l t so r n o t t h er e s u l to ft e s t i n gt h i st e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e ms h o w st h a ti tc a nm e e t t h eo r i g i n a ld e s i g nr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：v a vs y s t e m ；1 - w i r eb u s ；d s l 8 8 2 0 ；t e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o n ；d a t a b a s e t h e s i st y p e ：a p p l i c a t i o ns t u d y l i 声明 本人郑重声跟我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取锝的砑究戒果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其经人融经发表或撰写过的研究成采，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：圣i l 鳜 日期：z o - 。b 、6 、g 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：刻钳五 导师签名： 注：请将此页嫩在论文首页。 岁以日期：劢占，夕， | 西安建筑科技大学硕士论文 第1 章绪论 温度是表征物体冷热程度的物理量，在工业自动化、家用电器、环境保护、 安全生产和汽车工业等中都是基本的检测参数之一。尤其是在当今的空调领域， 温度是空调运行中最基本、最为核心的衡量指标，也是空调控制系统中最为重要 的被控参数，因此对温度进行准确的检测一直是一个重要的研究课题。在变风量 空调系统领域，温度更是一个重要的测控参数。 1 1v a v 空调系统的应用状况和前景 v a v ( v a r i a b l ea i rv o l u m e ) 空调系统，即变风量空调系统。它的基本工作原理 是通过改变送入空调区域的送风量来适应区域内负荷变化的一种空调系统。不仅 能提供良好的舒适性，而且具有显著的节能效果。变风量空调系统早在6 0 年代诞 生于美国，经过4 0 多年的发展，在美国、日本及欧洲等工业发达国家日益得到 普及和应用l l “。 一个典型的智能化控制型单风管带再热盘管的变风量空调系统结构如图1 1 所示。主要由空气处理设备、送回风管路系统、若干v a v 末端装置和自动控制元 件组成。工作过程如下：空调室内回风与室外新风混合，经集中式空调机组处理 后，由风管送到各个空调区域。变风量末端控制器根据室内负荷的大小，通过改 变变风量末端风阀的开度，调节送入室内的风量：当室内需要供热时，再热盘管 的热水阀打开，送风温度提高，通过改变变风量末端风阀的开度，调节送入室内 的热风量。 空调房间送风量的改变，导致送风总管静压的变化，总管压力传感器测量风管系 统静压后，由自控系统通过调节风机的送风量实现定静压控制。冷水盘管的三通 阀调节冷水的流量使送风温度保持恒定，新风量和室内正压由送风机和回风机同 时控制。系统的各个测量点可以与计算机通讯，进行实时监测、分析和调控并可 以优化控制参数，实现最佳的控制方案。 可见变风量末端装置是变风量空调系统的关键设备，通过它来调节送风量， 补偿变化着的室内负荷，维持室温。一个变风量空调系统的运行成功与否，在很 大程度上取决于所选用的末端装置性能的好坏。 v a v 空调系统之所以收到青睐，其最主要的优点，是具有较高的综合能效比【5 1 。 主要体现在： l 、实际的空调系统在全年大部分时间内处于部分负荷下运行随空调系统负荷 的降低，v a v 末端的送风量减少，其空调机组的送风量也随之减少。一个系统的 西安建筑科技大学硕士论文 空调负荷在全年中只有大约5 的时间出现满负荷的情况，其余时间均在低于满负 荷工况下运行。这样，利用v a v 后，可使整个空调系统的全年运行的能耗大大降 低。 1 2 3 1 一排风，2 一新风，3 一空调机组，4 一控制软件，5 一计算机，6 一送风温湿度传感器，7 一送风机， 8 一回风机，9 一回风，1 0 一冷水，1 1 一热水，1 2 一变风量末端，1 3 一变风量末端控制器， 1 4 一压力传感藉，1 5 一电机，1 6 一变频器( 5 0 n z ) ，1 7 一回风温度传感器，1 8 一数据通讯线。 图1 1 典型变风量空调系统结构图 2 、在同一风管系统中，不同房间或分隔区域一般不可能同时达到最大负荷值。 特别是当前的建筑物规模越来越大，不受室外环境影响的内区负荷比例占很大份 额，尽管每个v a v 末端的最大送风量按房间最大负荷选择，但空调机组总送风量 可按各房间的逐时负荷之和的最大值来计算，不象定风量空调机组那样，以各房 间最大送风量之和来确定送风量。在设计上，减少了设备容量，使机房所占面积、 设备费用、用电安装容量等有所下降，降低了空调系统的初投资。 3 、v a v 空调系统可以根据不同房间的使用要求，独立控制同一风管系统中各 房间的温度。v a v 空调系统的各房间均配置v a v 末端装置，每个v a v 末端装置 自配温度控制调节装置，随着所控区域的温度变化，末端装置能自动调节送风量， 实现局部区域内温度的灵活控制，满足不同个人和群体对不同室内环境的要求。 4 、v a v 空调系统是一种全空气调节系统。它与风机盘管不同，室内无水管， 不会发生因产品质量和施工质量形成的水管漏水或冷水管保温不当而产生的凝结 水污染室内装饰等问题。v a v 空调系统的空调机组运行可靠，检修工作量很小。 由于v a v 空调系统的这些优点，使这种空调在日、美等国成为新空调使用的 主流。许多著名的空调、建筑、自控公司如j o h n s o n 、y o r k 等都有自己的变风 西安建筑科技大学硕士论文 i i 量末端设备并各具特色。在最近二十年左右的时间里，不仅v a v 末端装置，而且 相应的控制系统，甚至变风量空调系统的形式都发生了很大变化，有关的新技术 不断涌现。在我国变风量空调系统则处于刚起步的阶段，技术力量还比较落后。 一些国内公司也生产自己的变风量末端设备，但遗憾的是与技术含量较高的同类 国外产品相比是不能相提并论的。目前在北京、上海等地在建的高档写字楼中， 大都采用的是变风量系统，所用的变风量设备都是国外的产品。2 0 世纪9 0 年代， 变风量空调系统在我国的应用逐渐扩大，但由于我国空调工程师和自控工程师分 属两个专业，相互配合成为变风量空调系统良性发展的一个瓶颈，且对于变风量 空调系统的认识、研究和开发还不够，使得v a v 空调系统中存在的问题未能得到 很好地解决。在实际工程中v a v 空调系统部分失效，甚至完全失效的例证并非少 见。 阻碍v a v 空调系统发展的原因主要有： 1 、技术问题：变风量空调系统的原理并不复杂，只是随着负荷的变化自动控 制每一空调区域的送风量，使空调机组在低负荷时降低总送风量，从而大大降低 了耗电量，节能效果显著。但是，变风量空调系统的控制却很复杂，是一个干扰 大、高度非线性和不确定性的系统。其影响因素很多，主要的影响因素有： 外界气候和空调区域内的人员活动的变化很大，且无有序的规律性。 空气调节过程中是高度非线性的，各执行器的运行特性也必须是非线性 的。 各个控制回路之间的耦合强烈，很难做到完全解耦。 系统内参数的设定一般通过计算得到，而对于实际系统而言，其实际值和 理论值不符，若按设定值进行变风量系统的调试整定，会存在很大的随意性和盲 目性。 保证新风量的供给，是使室内空气环境品质达标的基础。但是在v a v 空调 系统中，送风量随着室内负荷的变化而变化，届时以某新风比的送风状态进行送 风的变风量空调系统，新风量将随送风量的减少而减少，以致不能保证变风量空 调系统维持室内空气环境品质的最小送风量。 2 、经济原因：由于v a v 空调系统的控制比较复杂，技术上也存在较高的难度， 由此带来的结果是v a v 空调系统多采用进口控制设备，价格昂贵。而相应的国家 低收费的能源政策，使其投资回收年限太长，也限制了v a v 空调系统的推广。 然而，电子技术、计算机技术的发展、神经网络和专家系统等控制方法的应 用，为v a v 空调系统中被控对象及其环境任务的不确定性提出了新的解决办法， 给v a v 空调系统的控制性能的完善提供了可能。由于v a v 空调系统是智能建筑 设计中建筑设备自动化部分的重要内容，而智能建筑正处于迅猛发展势头，因此， v a v 空调系统在我国有着广阔的应用前景。 西安建筑科技大学硕士论文 1 2 课题的背景和来源 变风量空调系统有良好的应用前景，它能克服定风量空调系统仅用一个送风 参数无法满足不同房间或不同区域的不同室内空气环境要求的问题，也可避免风 机盘管系统常附带的室内吊顶凝水、霉菌污染的问题；又具有良好的节能效果。 但是要使变风量空调系统成功运行，充分体现其节能、卫生、舒适及良好经 济性，关键在于控制系统能否按照空调室内的要求进行控制。变风量空调系统是 靠变风量末端实现的，而控制变风量末端设备的依据是室内空调参数，合理准确 的测量室内参数是实现控制的基本保证，在此基础上，提出一个合理的控制点。 为此，我们必须了解变风量系统在多种末端装置形式和控制方式下的室内特性， 然后对v a v 末端装置和控制形式进行设计、优化，成功实现v a v 空调系统的选型、 设计和应用。 对v a v 空调系统的特性，国外研究较多，特别是对变风量系统的控制和调节 方法的研究，并有多年的设计运行实绩。然而，国内以前对v a v 空调系统没有引 起足够重视，对其特性研究较少；有些人也做了些研究，但大多套用自控模型进 行模拟，研究得到的结果对v a v 空调系统实际存在的问题指导意义不大。我校变 风量空调实验室申请了陕西省教育厅专项科研计划项目，以研制多点智能测温系 统为技术平台，对v a v 空调系统在多热污染源、多种变风量末端形式下对变风量 系统室内气流流动特性和温度场进行测量和模拟，得到多污染源、多种变风量末 端形式下的系统特性，进而提出变风量空调系统的最佳控制参数和控制方案，实 现室内环境的健康舒适，为变风量系统的设计、应用提供理论依据。 目前，针对变风量空调系统在公共建筑物中多热污染源、多种末端装置形式 下，对室内气流流动特性和温度场状况进行测量和模拟，在国内还没有人系统地 做出结果，而多污染源下的气流形式及在变风量系统下的空调效果更无人做出。 本课题是该科研项目的子课题，即根据我校变风量空调实验室现有的多点测 温系统的缺陷，研究一种新型的多点智能测温系统。对多热污染源、各种末端形 式( 节流型、风机动力型和旁通型变风量箱，送风口形式有孔板型和条缝型风口) 下室内的多点温度进行测量，为温度场分析提供准确可靠的数据。 1 3 课题研究的内容 国内变风量空调系统室内温度场的检测一般采用的测温元件为热电偶或温度 计。我校变风量空调实验室现有的多点测温系统，温度检测元件采用的是热电偶。 热电偶属于传统的分立式温度传感器，组成的系统外围电路复杂，体积较大：需 西安建筑科技大学硕士论文 要冰水混合器进行零点补偿，测量的实时性差；系统未与p c 机通讯，测量数据需 要手动输入计算机，数据后期处理复杂。可见，现有的测温系统需要在温度场测 量的数字化、网络化、测量速度方面加以改进。 目前温度检测仪表种类繁多，常用的温度检测仪表如图1 2 所示i b j 。 常用温度 检测仪表 ，固体膨胀式：双金属温度计等 l 液体膨胀式：水银或有机液玻璃温度计 ，充气体式 充液体式 l 充有机蒸汽 ，金属型：铂热电阻或铜热电阻 l 半导体型：热敏电阻 非接触式 三二三式| 囊套蓁雾妻 ，全辐射式 l 热电探测式 电偶 近年来，随着工业生产效率的不断提高，自动化水平与范围的不断扩大，对 温度检测技术的要求也愈来愈高，各国专家都在有针对性地竞相开发各种特殊而 实用的测温技术，并取得了重大进展。新一代温度检测元件如图1 3 所示a 新型温度传感器 r 热敏二极管型 晶体管温度传感器 热敏晶体三极管型 l 热敏晶闸管型 r 电压型 集成温度传感器模拟式1 电流型 l 数字式( 智能温度传感器) 电容温度传感器 光纤温度传感器 核磁共振温度传感器 热噪声温度传感器 激光温度传感器 微波温度传感器 图1 3 新型温度传感器 西安建筑科技大学硕士论文 根据变风量空调实验室现有测温系统的缺点，我们提出了一种新型的测温方 案，具有以下4 个特性： l 、采用新型的数字温度传感器，简化测温电路。 2 、数字信号传输，利于有干扰现场的应用。 3 、建立温度采集电路和p c 机之间的串行通信，实现温度数据的实时传输；并 设计了温度信息数据库，实现对温度信息的存查询、显示和报表打印等功能，方 便温度场的分析和模拟。 4 、最大限度地减少布线工作量，降低系统的资金投入。 为了达到上述4 个目标，我们提出了多点智能测温系统的方案，并为这个方 案的实施找到了技术上的支持： 1 、选择d a l l a s 公司生产的d s t 8 8 2 0 作为数字温度传感器，一条单总线上可 挂接多个d s l 8 8 2 0 ，很方便地组成多点测温系统；分辨率可达0 0 6 2 5 c ；且省去了 传统的a d 转换单元，简化测温电路。 2 、设计了实用的双层总线结构，分别是室内测温层和温度数据传输层。 3 、采用单总线作为室内钡9 温层总线，简化布线工作；通过r s 2 3 2 总线实现温 度采集电路和p c 机之间的串行通信。 4 、利用v i s u a lb a s i c6 0 语言编写了上位机温度采集界面和温度信息管理的图 形化操作界面，方便使用。 5 、利用a c c e s s 2 0 0 3 设计温度信息数据库，实现对温度信息的存储、删除、查 询、显示和报表生成等操作。 1 4 本论文结构 本论文共有6 章，其中第3 、4 、5 章是本论文的重点，分别对v a v 空调系统室 内测温层总线，温度传输层总线，温度信息管理系统进行详细的介绍。 第1 章绪论 第2 章介绍多点智能温度测量系统的总体结构，给出结构框图并引入双层总 线的概念。 第3 章说明单总线的基本概念、硬件配置、协议约定和总线信号：接着重点 介绍d a l l a s 公司的数字温度传感器d s i8 8 2 0 ，对它的性能指标、工作原理、工作 过程做重点描述；随后设计了5 6 只d s l 8 8 2 0 与a t 8 9 c 5 1 单片机的连接电路、采取的 抗干扰措施和软件编程。 第4 章首先介绍p c 与单片机间的串行通信，对r s 一2 3 2 总线标准和v b 6 0 的串行 通信控件m s c o m m 进行阐述，对通信的的硬件线路、通信协议给出详细的说明； 通过联调测试，验证系统的各项指标；给出了通过软件方法提高系统的测温准确 6 西安建筑科技大学硕士论文 度，使之达n o 1 ；最后介绍通过b p ； _ 0 经网络算法估算出错测点的温度，提高系 统测量的实时性。 第5 章温度信息管理系统。介绍了a c c e s s 数据库的设计过程以及通过v b 6 0 编 程实现温度信息管理系统各个模块的功能。 第6 章结论 西安建筑科技大学硕士论文 第2 章多点智能测温系统方案的总体设计 设计方案的不同将直接决定系统硬件的结构，从而确定软件的不同编写思路。 本章将介绍多点智能测温系统的总体结构，给出结构框图并引入双层总线的概念。 最后给出系统的主要技术参数。 2 1 总体设计 2 1 1 现场总线的思路 根据第一章中智能测温系统提出的4 个新特性，我们采用现场总线进行设计。 现场总线是应用于生产现场、在智能测量控制设备之间实现双向多点串行数字通 信的系统，也称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。 开放式体现在现场总线公开、规范的通信协议。任何国家、厂家生产的智能 测量控制设备只要遵守公共的通信协议就可以成为现场总线的一个节点。 数字化是相对于模拟信号而言。模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信 号变化缓慢，信号的抗干扰能力差。数字信号克服了这些缺陷，抗干扰能力强。 多点通信得益于设备的通信功能。多个设备可以挂接在一对双绞线上。结构 简化而且系统接线简单。 2 1 2 方案设计 我们不难发现现场总线的数字化正好解决了本系统要求的第1 、2 特性，而现 场总线所具有的多点通信的功能又为第3 、4 项特性的实现扫清了道路。 因此，能否选择一种适合于多点温度测量系统的总线结构就成为本系统成败 的关键。目前国际上的现场总线种类繁多，没有统一的标准。既然系统设计是为 了完成预期的功能，那么我们完全可以自主构建一个总线结构。 2 1 3 具体方案 温度传感器的选择是本系统的关键。由于智能温度传感器采用数字化技术， 能以数据形式输出被测温度值，具有测温误差小、分辨力高、抗干扰能力强、用 户可设定温度上下限、具有超限自动报警功能，并且带串行总线接口，适配各种 微控制器，因此我们采用智能温度传感器。我们采用d a l l a s 半导体公司生产的 新型数字温度传感器d s l 8 8 2 0 。因为和其他数字温度传感器相比，它更适合本系 统，比较结果见表2 1 口】。 西安建筑科技大学硕士论文 表2 1数字温度传感器的比较 测温准确总线最多挂接 传感器适用总线测量范围( ) 度传感器数量 l m 7 5 1 2 c3 一2 5 + 1 0 0 8 u v l 7 4s p i3 一5 5 + 1 2 5 8 m 慷x 6 5 7 5 1 w i r e o 8 5 5 + 1 2 5 8 d s l 8 2 0l w i r eo 5 一5 5 + 1 2 58 0 1 0 0 d s l 8 8 2 0l w i r eo 5 5 5 + 1 2 5 8 0 1 0 0 ，分辨力可编程 可见d s l 8 8 2 0 具有测温准确度高、总线挂接负载能力强的优势。它集温度测 量、报警监测和数据通信多种功能于一体，并且兼容于d a l l a s 公司提出的单总 线，可以很方便的组成底层总线。由于这层总线的主要功能是完成变风量空调实 验室内温度的检测，所以称之为测温层总线。 测温层总线由a t 8 9 c 5 1 单片机进行控制，单片机完成对总线上所有d s l 8 8 2 0 发布命令和接收数据。另外，它还是温度传输层总线不可缺少的一部分。单片机 在获取温度数据后需要进一步和p c 机通信。本系统中只有一个单片机和p c 进行串 行数据通信，通信距离在1 0 m 左右，因此选择r s 2 3 2 标准作为串行数据通信的物理 层协议。这层总线结构主要实现温度数据的传输，所以称之为温度传输层总线。 系统的总体结构框图如图2 1 所示。a t 8 9 c 5 1 单片机p l 口的8 条口线作为8 条单 总线，每条单总线上挂接7 个d s l 8 8 2 0 ，共控制5 6 个d s l 8 8 2 0 ，因此完全可以满足 变风量空调室内温度场测量的需要。 图2 1 测温系统总体结构框图 由于我校变风量空调实验室大小为4 m x1 0 m x 4 m ，为了测量不同末端装置下 室内的气流特性和温度场状况，我们设计了个3 6 m 3 m 的矩形框架，并将框架 均匀地分成8 行7 列，将5 6 只温度传感器分别固定在行列的交叉点上，形成矩形 9 西安建筑科技大学硕士论文 测温网络。同时为了节约和方便布线，我们将单片机开发板固定在框架上，各个 d s l 8 8 2 0 通过双绞线与开发板相连；p c 机放在房间的外部，通过r s 2 3 2 串口线与 开发板相连。示意图如图2 2 所示。检测出框架上所有d s l 8 8 2 0 的温度值，我们 就得到了室内一个纵剖面的温度场；在相同的实验条件下，通过移动框架，从而 获得室内不同纵剖面上的温度场；利用数据库查询技术获取同- - 狈t j 点在不同纵剖 面上的温度值，即得到了室内不同横剖面上的温度场，从而得到该实验条件下变 风量空调系统室内温度场的分布。 _ 、”1 。1叫_ 二 、 铋，x 粼 ：j 攀匾 孥案豢簿 _ 王i + 、， 誊誊糕 漾 蒸 一? 一誉j 翠，i 一。+ ? l， 一 8 】 开黄板。 币l 赢嚣 笔窆 业 【 、 型、以：，、厂二 图2 2 房间布置示意图 采集上来的温度信息的存储、删除、查询、显示和报表生成等数据库的功能 也是该系统不可缺少的一部分。本系统采用a c c e s s 2 0 0 3 作为数据库管理系统，建立 一个变风量空调实验室为模型的温度信息数据库，并用v i s u a lb a s i c 6 0 开发数据库 的前台应用，实现了温度信息管理的基本功能。 2 2 系统主要技术参数 系统主要技术参数： l 、检测范围：1 8 2 6 2 、检测误差：0 1 3 、采样速率：3 0 分钟 4 、硬件平台：微型计算机采用普通的p c 机 5 、软件平台 ( 1 ) w i n d o w s 操作系统 ( 2 ) a c c e s s 数据库 ( 3 ) v i s u a lb a s i c6 0 开发工具 ( 4 ) 应用软件 温度数据的采集与处理 数据的串行通信与存储功能 数据的表格显示、查询、删除和报表打印等功能 1 0 西安建筑科技大学硕士论文 第3 章单总线与数字式智能温度传感器d s l8 8 2 0 本章首先介绍单总线技术的基本概念、硬件配置、总线协议以及总线信号。 接着重点介绍d a l l a s 公司的数字温度传感器d s l 8 8 2 0 ，对它的性能指标、工作原 理、工作过程做重点描述。随后，提出将d s l 8 8 2 0 应用在单总线上组成变风量空 调系统室内测温层，并设计t d s l 8 8 2 0 与单片机的连接电路以及软件编程。 3 1 单总线技术 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1 2 c 总线、s p i 总线 和s c i 总线。这些总线至少需要两条或两条以上的信号线。近年来，美国d a l l a s 半导体公司开发了一种新技术单总线技术。它采用单根信号线完成数据的双 向传输，并且可以通过该信号线为单总线器件提供电源。它具有节省i o e i 线资源、 结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点，适用于远距离、多点测 试、集中控制、现场缺电等场合。 3 1 1 单总线技术简介 单总线系统是由挂在一对双绞线( 一根信号线，一根地线) 上的单总线器件芯片 和专门的通信协议组成，该系统中只有一个总线命令者，从者可以有多个。总线 命令者可以是p c 机或者普通的单片机，从者是d a l l a s 公司提供的单总线器件芯 片。下面从硬件配置、总线协议和总线信号三个方面介绍单总线技术【9 】。 1 、单总线的硬件配置 单总线系统只定义了一根信号线。总线上的每个器件都能够在合适的时间驱 动它，相当于把地址线、数据线、控制线合成一根线对外进行数据交换。为了区 分这些芯片，厂家在生产每个芯片时，都编制了唯一的序列号，通过寻址就能把 芯片识别出来，组成一个自动测控系统，甚至还可以组成一个微型局域网。厂家 对每个芯片用激光刻录了一个6 4 位二进制r o m 代码。从最低位开始，前8 位是族码， 表示产品的分类编号；接着的4 8 位是一个序列号：最后8 位是前5 6 位的c r c 校验码。 单总线芯片内部的收、发控制和电源存储电路如图3 1 所示。 由于这些芯片采用c m o s 技术，耗电量很小( 空闲时几u w ，工作时几m w ) ， 从单总线上吸收一点电流储存在芯片内的电容中就可正常工作，故一般不用另附 电源。单总线上通常处于高电位( 5 v 左右) ，每个器件都能在需要时驱动它。为了避 免在不工作时给总线增加功耗，单总线器件都是漏极开路或者三态输出的。当单 西安建筑科技大学硕士论文 总线上所挂器件超过8 个时，就需要注意器件的总线驱动问题。 连接单总线电缆是有长度限制 的。当采用普通信号电缆传输长度超 过5 0 m 时，读取的测温数据将可能发 生错误；将总线电缆改为双绞屏蔽电 缆时，正常通信距离可达1 5 0 r e i l 9 j 。 单总线的数据传输有两种模式： 通常情况下，以1 6 3 k b p s l 拘速率通信， 超速模式可达1 4 2 k b p s 。因此，单总 线数据传输只能用于对速度要求不 高的场合，一般用于1 0 0 k b p s 以下速 率的测控或数据交换系统中。 2 、单总线的总线协议 接收 发射 电源 - - & - - 能量储存 图3 1 单总线芯片入口的示意图 总线协议是软件设计的任务。在单总线系统中，软件设计是技术的关键。简 洁的硬件配置是依靠复杂的软件来支持的。在p c 机作为主控机时，单总线软件设 计基于d a l l a s 公司授权的软件开发商提供的成套开发工具，为软件开发应用带 来很大的便利。而用单片机作为主控机时，需要依据单总线协议，用汇编语言或 高级语言来编写全部软件，给开发应用增加了一定的难度。 总线协议保证了数据可靠的传输，任一时刻单总线上只能有一个控制信号或 数据。一次数据传输可分为以下四个操作过程：初始化；传送r o m 命令； 传送r a m 命令；数据交换。 单总线上所有的处理都从初始化开始。初始化时序是由一个复位脉冲( 总线命 令者发出) 和一个或多个从者发出的应答脉冲组成。应答脉冲的作用是：从器件让 总线命令者知道该器件是在总线上的，并准备好开始工作。 当总线命令者检测到某器件的存在时，首先发送7 个r o m 功能命令中的一个命 令：读r o m ；写r o m ；查找r o m ：跳过r o m ；超速匹配r o m ；超 速跳过r o m ；条件查找r o m 。当成功执行上述命令之一后，总线命令者可发送 任何一个可使用的命令来访问存储和控制功能，进行数据交换。所有数据的读写 都是从最低位开始的。 3 、单总线的总线信号 单总线传送的数据或命令是由一系列的时序信号组成的，单总线上共有4 种时 序信号：初始化信号；写0 信号：写1 信号；读信号。各器件的数据手册 对这4 种波形参数都作了具体要求，设计中应保证指令执行时间小于或等于时序信 号中的最小时间。这部分软件必须用单片机的汇编语言进行编程，以确保严格的 时间关系。 1 2 西安建筑科技大学硕士论文 3 2 智能温度传感器d s l 8 8 2 0 d s l 8 8 2 0 是美国d a l l a s 公司推出的智能化数字式温度传感器，其内部使用了 在板专利技术，全部传感元件及转换电路集成在形如一个三极管的集成电路内， 封装形式如图3 2 所示 g l 。与其它温度传感器相比，d s l 8 8 2 0 具有以下技术特性【9 】： 1 ) 具有独特的单总线接口方式，d s l 8 8 2 0 在与微处理器连接时仅需一条f o 口 线就可实现微处理器与d s l 8 8 2 0 的双向通信； 2 ) 支持多点组网功能，一条总线上可以同时挂接多个d s l 8 8 2 0 ，很方便地实 现多点温度的检测： 3 ) 数字信号输出，不需要信号放大和a d 转换等外围电路； 4 ) 测温范围一5 5 + 1 2 5 ，在一1 0 + 8 5 c 时测温准确度为= l 0 5 ； 5 ) 能提供9 1 2 位二进制温度值输出，可通过编程决定输出位数； 6 ) 其工作电源既可采用寄生电源方式产生，也可在远端引入，电源电压范围 为+ 3 0 v + 5 5 v ； 7 ) 用户可自行设定非易失温度报警上下限值t h 和t l ，d s l 8 8 2 0 在完成温度转 换后，所测得的温度值将自动与贮存在t h 和t l 内的触发值相比较，如果测温结果 高于t h 或低于t l ，d s l 8 8 2 0 1 勾部的警告标志就会被置位，表示温度值超出了测量 范围，同时还有报警搜索命令可以识别出温度超限的d s l 8 8 2 0 。 o n d 亡j 卜。一一目c 。蚵曰 2 、篓白葡 d q q。j j 口n c ：n o 皿口ll5 口口n c n c 。习| 26 团蠢c v d d 口口l37 口口n c d q 口口l48 口口o n 3 2 1d s l 8 8 2 0 的测温原理【1 0 】 d s l g b 2 0 的测温原理如图3 3 所示，它没有采用传统的a d 转换原理，如逐 次逼近法、双积分法和算术a d 等，而是运用了一种将温度直接转换为频率的时 钟计数法。 1 3 西安建筑科技大学硕士论文 图3 3d s l 8 8 2 0 攒i 温原理框图 图3 3 中低温度系数振荡器的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的 脉冲信号送给减法计数器1 ；高温度系数振荡器随温度变化其振荡频率明显改变， 所产生的信号作为减法计数器2 的脉冲输入。计数器1 和温度寄存器被预置在 一5 5 所对应的基数值。计数器l 对低温度系数振荡器产生的脉冲信号进行减法 计数，当计数器1 的预置值减到0 时，温度寄存器中的值将加1 ，计数器l 的预置 将重新被装入，计数器1 重新开始对低温度系数振荡器产生的脉冲信号进行计数， 如此循环，直到计数器2 计数到0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存 器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其 输出用于修正减法计数器1 的预置值。 3 2 2 d s l 8 8 2 0 的内部结构 d s l 8 8 2 0 主要由4 部分组成：“位r o m 、温度传感器、非易失性的温度报 警触发器t h 和t l 及高速便笺式存储器，如图3 4 所示。 6 4 位 + 一 存储器与逻辑控制 弋 7 - - v d l r o m 1 l 便 一温度传感器 生 与 笺 叫高温触发器 _ - 单线 式 zs v d 2 接口 存叫低温触发器 储 l 网 器 叫配置寄存器 l 砬铡卜 叫8 位c r c 发生器 图3 4d s l 8 8 2 0 的内部结构框图 1 、6 4 位r o m d s l 8 8 2 0 的6 4 位r o m 的结构如下： 1 4 西安建筑科技大学硕士论文 m s b l s b 其中前8 位是产品类型编码，d s l 8 8 2 0 固定为2 8 h ，接着的4 8 位是每个器件 的唯一序列号，最后8 位是前5 6 位的c r c 校验码。r o m 的作用是使每一个 d s l 8 8 2 0 都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个d s l 8 8 2 0 的目的。 2 、高速暂存存储器 d s l 8 8 2 0 内部存储器如图3 5 所示。它由便笺式r a m 和非易失性可电擦写 e ：r a m 组成。 便笺r a m字节 e 2 r a m 温度低字节 温度高字节 报警上限，用户定义字节1 报警下限，用户定义字节2 配置字节 保留 保留 保留 c r c 图3 5d s l 8 8 2 0 的高速暂存寄存器的存储分配图 高速便笺式存储器中的第4 个字节为配置寄存器，它的内容用于确定温度转 换的分辨率。该字节各位的定义如下： m s b l s b 第0 4 位在写操作时不予考虑，读出时总是“1 ”；第7 位是测试模式位，用于 设置d s l 8 8 2 0 在工作模式还是在测试模式，在d s i 8 8 2 0 出厂时该位被设置为0 ，即 工作模式，用户不要去改动，r 1 、r 0 是可编程温度分辨率位。通过对这两位进行 不同的编程，可设定不同的温度分辨率和最大转换时间，详见表3 1 。 由表3 1 可见，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。因此， 在实际应用中要在分辨率和转换时间之间权衡考虑。d s l 8 8 2 0 出厂时r 1 和r 0 均被 配置为“1 ”，即工作在1 2 位模式下。 西安建筑科技大学硕士论文 表3 1利用r 0 、r 1 设定分辨率和晟大转换时间 r l r o d s l 8 8 2 0 的工作模式，位温度分辨率，最大转换时间( m s ) oo9 o 5 9 3 7 5 o11 0 0 2 5 1 8 7 5 1o 1 1 0 1 2 53 7 5 1l1 20 0 6 2 57 5 0 当d s l 8 8 2 0 接收到温度转换命令后，开始启动转换，转换完成后的温度值就 以1 6 位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第0 、1 f 节。在执 行读便笺r a m 命令后，可将这两个字节的温度值传送给总线命令者。d s l 8 8 2 0 i 作在1 2 位模式下，温度字节的位定义如下： 叵巨臣正卫卫皿叵臣卫卫卫卫圈 m s b 高字节l s b m s b 低字节l s b 其中s 为符号位，s 为0 时代表温度值为正，s 为l 时代表温度值为负。 当d s l 8 8 2 0 工作模式依次选择l l 位、1 0 位和9 位时，末尾为零的低位数就分别 对应于一位、两位和三位。举例说明，当工作模式选择1 0 位时，最低两位( 即2 4 位和2 。3 位) 均为0 ，总有效位变成1 0 位。其中，数字位占9 位，符号位占1 位。 对应的温度计算：当符号位s = o 时，直接将二进制数转换为十进制，乘以相应 的温度分辨率即可：当s = i 时，先把1 6 位二进制数求补码后转化成十进制数，然后 乘以相应的温度分辨率并在前面加上负号即可l l l 】。d s l 8 8 2 0 i 作在1 2 位分辨力时， 初始值默认为+ 8 5 i l ”，部分温度与数字输出的对应关系见表3 2 。 表3 0d s l 8 嗍度与数字输出的对应关系 温度( )数字输出( - - 进制)数字输出( 十六进制) + 1 2 50 0 0 00 1 1 l l 1 0 10 0 0 00 7 d 0 + 8 5o o o o0 1 0 lo 】0 10 0 0 00 5 5 0 + 2 5 0 6 2 50 0 0 00 0 0 11 0 0 10 0 0 10 1 9 1 + 1 0 1 2 50 0 0 00 0 0 01 0 1 00 0 1 0o o a 2 + 0 50 0 0 00 0 0 00 0 0 01 0 0 0 0 0 0 8 o0 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0 o 51 1 1 11 1 1 1 1 1 1 l1 0 0 0f f f 8 1 0 1 2 51 1 1 11 1 1 10 1 0 11 1 1 0f f 5 e 一2 5 0 6 2 5 1 1 1 l1 1 1 00 1 1 01 1 1 1 f e 6 f 一5 5】l 】0 0 】0 0 l0 0 0 0f c 9 0 1 6 西安建筑科技大学硕士论文 3 、非易失性温度报警触发器t h 和t l ，可通过软件写入用户设定的报警上、 下限。在完成温度转换后，d s l 8 8 2 0 就把测得的温度值t 同t h 、t l 作比较。若 t t h 或t t l ，则将该器件的报警标志置位，并对总线命令者发出的报警搜索命令 作出响应。 3 2 3d s i s b 2 0 的工作过程 每次对d s l 8 8 2 0 的访问，都必须按下面工作流程进行：初始