（计算机应用技术专业论文）基于智能传感器和单片机的温度监测系统.pdf

内容摘要 信息技术的高速发展和广泛应用给人类带来了革命性的进步，随之渗透到人们 日常活动的方方面面。因此各种计算机、服务器机房也如雨后春笋般涌现。大量维 护工作也由此产生。对于机房的日常管理和维护最重要的就是安全问题。而其中最 为突出的问题之一就是防火。 中华人民共和国国家标准 电子计算机机房设计规范 中也明文规定: “ 电子计算机机房应设火灾自动报警系统二 ， ” 。因此，本次毕业设 计的主要目的就是设计一个基于温度监测的火灾报警系统。 作者采用理论探讨与实际开发相结合的方法， 仔细研究了美国d a l l a s 公司开 发的一线总线技术及其通信协议，深入探讨了温度传感器在各种场合应用时可能面 临的传热学问题。 并以美国d a l l a s 公司的一线总线技术为核心， 连同单片机技术， 将火灾报警的温度监测环节予以实现。并且，不但从理论上分析了各种监测点的温 度特征，更是依据该理论，设计出一个廉价、实用的温度监测系统。 关键词:一线总线 单片机 数字温度传感器 传热学 abs tract t h e h i g h - s p e e d d e v e l o p m e n t a n d w i d e a p p l i c a t i o n o f i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y h a s b r o u g h t r e v o l u t i o n a r y p r o g r e s s t o a n d i n fl u e n c e d h u m a n b e i n g s . a s t h e r e s u l t , t h e e m e r g e d c o m p u t e r 此处所提交的硕士学位论文 基于单片机和智能传感器的温度 报警系统 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 称汽日 期 : -i m 学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文;学校可允许学位论文被查阅或借阅;学校 可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文; 同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名 r f ,导师签名 训 向 日期 : ws 日期:、 、 勺六6 . lv 华北电力大学硕士学位论文 第一章 引言 1 . 1选题意义 近年来随着我国信息化进程的加快，在很多大专院校、科研院所建设了大量的 计算机、服务器机房。因此，在一个不大的空间区域内使用了大量的贵重设备，再 加上与之配套的空调、试验平台等附属设备，整个机房就需要有几十个电源接插装 置 ( 即电源插座) 。某些插座接点中通过的电流可能达到几十安培，甚至会更高。 电线接点又是容易出现局部高温高热的，例如: 某设备的功耗为2 千瓦，则电流应为1 0 安培。由于某种原因，例如接触不良， 电源插座簧片的接触电阻增大为1 欧姆，则此在此点上消耗的功率为: n=i x r =1 0 2 x1 =1 0 0 w 在一个狭小的点上聚集这样大的能量，其危险性可想而知。加之绝缘材料是易 老化、易燃烧的材质，谁也无法保证其长期的安全性。 另外需要考虑的是，机房内部的线路接点有不少是暗藏式的。如果在这些地方 出现局部的高温高热，就无法在第一时间里及时发现处理，非常容易造成严重的后 果。 那么就需要一种监测系统，在那些平时难以看到、发生危险无法在第一时间察 觉的地方， “ 替”机房的管理人员监视这些地点 ( 例如暗藏的供电线路接头) 。一旦 发生危险情况，就可以及时准确的报告给机房人员，以保证能准确及时的处理危险 状况。 这个系统如果设计上更进一步，也可以提供预警功能: 我们知道火灾的发生都是易燃物质在一定的环境下， 温度达到燃点开始燃烧的。 系统可以设计成一旦出现火灾隐患，就提醒在场人员采取有效措施的机制。这样可 以事先预警。 基于以上的情况，在我的导师王涌老师的指导下，我考察了目前网络中心 的具体情况和在这方面的需求，考虑以解决网管中心机房设备的火灾安全预警问题 作为我研究生阶段的毕业课题。 1 .2当今应用领域温度传感器的发展趋势 温度监控、 报警系统如今己经广泛应用于人类生产、生活的各个领域。 如家电、 汽车、材料、电力电子、工业生产等。在半导体集成电路芯片和数字技术没有广泛 华北电力大学硕士学位论文 第一章 引言 1 . 1选题意义 近年来随着我国信息化进程的加快，在很多大专院校、科研院所建设了大量的 计算机、服务器机房。因此，在一个不大的空间区域内使用了大量的贵重设备，再 加上与之配套的空调、试验平台等附属设备，整个机房就需要有几十个电源接插装 置 ( 即电源插座) 。某些插座接点中通过的电流可能达到几十安培，甚至会更高。 电线接点又是容易出现局部高温高热的，例如: 某设备的功耗为2 千瓦，则电流应为1 0 安培。由于某种原因，例如接触不良， 电源插座簧片的接触电阻增大为1 欧姆，则此在此点上消耗的功率为: n=i x r =1 0 2 x1 =1 0 0 w 在一个狭小的点上聚集这样大的能量，其危险性可想而知。加之绝缘材料是易 老化、易燃烧的材质，谁也无法保证其长期的安全性。 另外需要考虑的是，机房内部的线路接点有不少是暗藏式的。如果在这些地方 出现局部的高温高热，就无法在第一时间里及时发现处理，非常容易造成严重的后 果。 那么就需要一种监测系统，在那些平时难以看到、发生危险无法在第一时间察 觉的地方， “ 替”机房的管理人员监视这些地点 ( 例如暗藏的供电线路接头) 。一旦 发生危险情况，就可以及时准确的报告给机房人员，以保证能准确及时的处理危险 状况。 这个系统如果设计上更进一步，也可以提供预警功能: 我们知道火灾的发生都是易燃物质在一定的环境下， 温度达到燃点开始燃烧的。 系统可以设计成一旦出现火灾隐患，就提醒在场人员采取有效措施的机制。这样可 以事先预警。 基于以上的情况，在我的导师王涌老师的指导下，我考察了目前网络中心 的具体情况和在这方面的需求，考虑以解决网管中心机房设备的火灾安全预警问题 作为我研究生阶段的毕业课题。 1 .2当今应用领域温度传感器的发展趋势 温度监控、 报警系统如今己经广泛应用于人类生产、生活的各个领域。 如家电、 汽车、材料、电力电子、工业生产等。在半导体集成电路芯片和数字技术没有广泛 华北电力大学硕士学位论文 运用的过去，实现对温度的测量和监控，只能依赖于对温敏电子元器件的模拟物理 量进行测量，进而转换为直观的测量结果。从硬件电路设计方面来说，开发起来很 麻烦，费工费时。抗干扰的问题也较突出。由于体积相对大一些，使用起来也不是 很方便 。 目前，国际上的温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化的方向飞 速发展。如今，随着数字温度传感器的诞生，曾经令人眼花缭乱的电路、密密麻麻 焊接在一起的元器件，如今已经被一个小小的、毫不起眼的数字传感器代替了。 m a x i m, d a l l a s ( 已 被m a x i m收购) 等世界上有实力的公司根据不同 应用领域 的不同需求推出了多款产品，性能良好、价格低廉。使得我们对数字温度传感器有 了足够的选择。 1 .3温度报警系统的发展方向 由于温度传感器逐渐向着数字化、智能化的方向发展，目前基于温度探测的监 控或者报警系统也产生了深刻的变化。电路设计得更简单，也部分简化了软件的编 写。另外， 无论是响应速度、系统运行周期、 抗干扰能力、支持总线功能等等指标， 都大大优于传统的、基于模拟传感器的测温系统。 在人类的生产生活、科学探索、国防军事、防灾抗灾活动中，测温系统广泛应 用， 其工作环境也就更加复杂多样。 为应对各种环境， 传感器的设计也呈现多样化。 但有一点是共通的，那就是数字化和智能化的发展趋势。各个国际知名的供货厂商 不遗余力的开发出传输距离更长，总线组网能力更强，数据传输更快速、更准确， 温度测量范围更大、更精确，测量精度更高，更经久耐用，功能更强，应用开发更 便捷，同时也更便宜的传感器。很多厂商还开发出独特的通信协议，使得智能化的 传感器能不经过外设的接口电路直接连接在总线或是网络上，又使得很多不同种类 的电子器件能以相同的协议进行通讯。 而且 在很多 应 用 领域中 ， 基于温 度探 测的 监 控 和 报警系 统已 经 不 仅仅 是 一 个独 立的系统， 更多的时候是某个更大的监控系统的一个组成部分。 有时跟上位机相连， 有时又和 p c机连接，甚至可能连接在互联网上以实现远程监测、控制和访问。数 字化、智能化的传感器集采样、a / d转换、电平兼容、总线地址、阐值报警、数据 双向通信、接口协议众多功能于一身。这为其广泛应用于各种不同的环境提供了便 捷的条件。 总而言之，数字化、智能化传感器的出现和广泛使用，已经成为温度监控、报 馨系统的一个发展潮流和趋势。随着时间的流逝，这种技术将发展得更加完善，应 用前景也会更加广阔。 华北电力大学硕士学位论文 运用的过去，实现对温度的测量和监控，只能依赖于对温敏电子元器件的模拟物理 量进行测量，进而转换为直观的测量结果。从硬件电路设计方面来说，开发起来很 麻烦，费工费时。抗干扰的问题也较突出。由于体积相对大一些，使用起来也不是 很方便 。 目前，国际上的温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化的方向飞 速发展。如今，随着数字温度传感器的诞生，曾经令人眼花缭乱的电路、密密麻麻 焊接在一起的元器件，如今已经被一个小小的、毫不起眼的数字传感器代替了。 m a x i m, d a l l a s ( 已 被m a x i m收购) 等世界上有实力的公司根据不同 应用领域 的不同需求推出了多款产品，性能良好、价格低廉。使得我们对数字温度传感器有 了足够的选择。 1 .3温度报警系统的发展方向 由于温度传感器逐渐向着数字化、智能化的方向发展，目前基于温度探测的监 控或者报警系统也产生了深刻的变化。电路设计得更简单，也部分简化了软件的编 写。另外， 无论是响应速度、系统运行周期、 抗干扰能力、支持总线功能等等指标， 都大大优于传统的、基于模拟传感器的测温系统。 在人类的生产生活、科学探索、国防军事、防灾抗灾活动中，测温系统广泛应 用， 其工作环境也就更加复杂多样。 为应对各种环境， 传感器的设计也呈现多样化。 但有一点是共通的，那就是数字化和智能化的发展趋势。各个国际知名的供货厂商 不遗余力的开发出传输距离更长，总线组网能力更强，数据传输更快速、更准确， 温度测量范围更大、更精确，测量精度更高，更经久耐用，功能更强，应用开发更 便捷，同时也更便宜的传感器。很多厂商还开发出独特的通信协议，使得智能化的 传感器能不经过外设的接口电路直接连接在总线或是网络上，又使得很多不同种类 的电子器件能以相同的协议进行通讯。 而且 在很多 应 用 领域中 ， 基于温 度探 测的 监 控 和 报警系 统已 经 不 仅仅 是 一 个独 立的系统， 更多的时候是某个更大的监控系统的一个组成部分。 有时跟上位机相连， 有时又和 p c机连接，甚至可能连接在互联网上以实现远程监测、控制和访问。数 字化、智能化的传感器集采样、a / d转换、电平兼容、总线地址、阐值报警、数据 双向通信、接口协议众多功能于一身。这为其广泛应用于各种不同的环境提供了便 捷的条件。 总而言之，数字化、智能化传感器的出现和广泛使用，已经成为温度监控、报 馨系统的一个发展潮流和趋势。随着时间的流逝，这种技术将发展得更加完善，应 用前景也会更加广阔。 华北电力大学硕士学位论文 i 4 本课题主要研究的内容 本课题研究的是基于温度传感的火灾报警系统中的温度监测和显示部分的实 现。在翻阅了大量资料后，决定以智能温度传感器应用技术和单片机应用技术为核 心进行开发。其中，涉及到了一线总线技术开发应用；单片机技术开发应用；智能 传感器应用等a 除此以外，还涉及到智能温度传感器在现场应用中的取样点选取问 题。 在对上述技术问题进行充分深入地分析之后，作者制定了简便可行的技术方 案。并且以理论分析和该技术方案为基础，在不断地实验和方案调整中，终于完成 了一个温度监测系统的设计。同时为了检验设计成果，还制作了一部调试测试样机 ( 如下图l 一1 所示) 。 图1 1 样机实物图片 为了合理确定温度取样点，作者还对传热学问题进行深入研究，并建立了理想 化的传热学模型。通过详细严密的理论分析，得出了个间接测量温度的计算公式。 并且通过具体的传热学实验，简化和校正了该公式，使其可能方便地应用于具体现 场。 完成系统设计和样机制作之后，作者还通过一系列测试，检验了该样机的部分 运行指标a 测试结果证明，作者设计的温度监测系统，完全达到了课题预期制定的 各项指标，成功地完成了课题的最终目标实现基于智能传感器和单片机的温度 监测系统。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 一线总线协议及一线总线型器件d s 1 8 2 0 而因 一线总线 ( i - wi r e b u s )技术采用单根信号线，既传输时钟，又传输数据 且数据传输是双向的，其线路简单、硬件开销少、成本低廉、软件设计更方便 此具有无可比拟的优势。 2 . 1一线总线器件工作原理 2 . 1 . 1一线总线 ( 1 - wi r e b u s )技术简介 目 前， 常用的 微机与外设串行总线主要有我们熟知的i 2 c总线， s p i 总线， s c i 总线等等。 其中i 2 c总线是以同步串 行2 线方式进行通信 ( 一条时钟线， 一条数据 线) ， s p i 总线是以同步串行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) ，s c i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) 。 这些总 线至少需要有两 条或两 条以 上的 信号线。 近年来， 美国的 达拉 斯半导 体 公司 ( d a l l a s s e m i c o n d u c t o r ) 推出了一线总线 ( 1 - w i r e b u s ) 技术， 与上述 的总线不同，它采用单根信号线，既传输时钟，又传输数据，而且数据传输是双向 的，其具有线路简单，减少硬件开销，成本低廉，便于总线的扩展和维护等优点。 单主 机多 节点 结构 示 意 图 图2 - i单主机多节点结构示意图 一线总线适用于单个主机系统，能够控制一个或多个从机设各。主机可以是微 控制器，从机则是一线总线器件。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;当有多个从机设备时，则系统按多节 华北电力大学硕士学位论文 第二章 一线总线协议及一线总线型器件d s 1 8 2 0 而因 一线总线 ( i - wi r e b u s )技术采用单根信号线，既传输时钟，又传输数据 且数据传输是双向的，其线路简单、硬件开销少、成本低廉、软件设计更方便 此具有无可比拟的优势。 2 . 1一线总线器件工作原理 2 . 1 . 1一线总线 ( 1 - wi r e b u s )技术简介 目 前， 常用的 微机与外设串行总线主要有我们熟知的i 2 c总线， s p i 总线， s c i 总线等等。 其中i 2 c总线是以同步串 行2 线方式进行通信 ( 一条时钟线， 一条数据 线) ， s p i 总线是以同步串行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) ，s c i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) 。 这些总 线至少需要有两 条或两 条以 上的 信号线。 近年来， 美国的 达拉 斯半导 体 公司 ( d a l l a s s e m i c o n d u c t o r ) 推出了一线总线 ( 1 - w i r e b u s ) 技术， 与上述 的总线不同，它采用单根信号线，既传输时钟，又传输数据，而且数据传输是双向 的，其具有线路简单，减少硬件开销，成本低廉，便于总线的扩展和维护等优点。 单主 机多 节点 结构 示 意 图 图2 - i单主机多节点结构示意图 一线总线适用于单个主机系统，能够控制一个或多个从机设各。主机可以是微 控制器，从机则是一线总线器件。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;当有多个从机设备时，则系统按多节 华北电力大学硕十学位论文 点系统操作。 2 . 1 . 2 一线总线工作原理 顾名思义，一线总线只有一根数据线，系统中的数据交换、控制都在这根线上 完成。设备( 主机或从机) 通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线， 这样允许设 备不发送数据时释放总线，以便其他设备使用。其内部等效电路如下图2 -2 所示。 一 线总 线硬 件 接口 示 意 图 图2 - 2一线总线硬件接口示意图 一线总线要求外接一个约4 . 7 k 。的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为 高电平。 主机和从机之间的通信总体上说是通过以下3 个步骤完成的: 初始化 1 - w i r e 器件;识别 1 - w ir e 器件;交换数据。由于二者是主从结构，只有主机呼叫从机时， 从机才能应答，因此主机访问1 - w i r e 器件都必须严格遵循一线总线命令序列: 初始 化、 r o m命令、功能命令。如果出 现顺序混乱，1 - w i r e 器件就不会响应主机( 搜索 r o m命令， 报警搜索命令除外) 。 通信信号方式要求所有的一线总线器件要求遵循 严格的通信协议，以保证数据的完整性。 2 . 2 一线总线协议简介 一线总线系统网络的主机和从机之间，遵循一线总线协议进行通信 目前大多数传感器系统是采用放大、传输、数模变换这种处理模式。这种模式 中传输的方式采用并口或采用串口， 这两种方式一般要占用数根数据/ 控制线，限制 华北电力大学硕十学位论文 点系统操作。 2 . 1 . 2 一线总线工作原理 顾名思义，一线总线只有一根数据线，系统中的数据交换、控制都在这根线上 完成。设备( 主机或从机) 通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线， 这样允许设 备不发送数据时释放总线，以便其他设备使用。其内部等效电路如下图2 -2 所示。 一 线总 线硬 件 接口 示 意 图 图2 - 2一线总线硬件接口示意图 一线总线要求外接一个约4 . 7 k 。的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为 高电平。 主机和从机之间的通信总体上说是通过以下3 个步骤完成的: 初始化 1 - w i r e 器件;识别 1 - w ir e 器件;交换数据。由于二者是主从结构，只有主机呼叫从机时， 从机才能应答，因此主机访问1 - w i r e 器件都必须严格遵循一线总线命令序列: 初始 化、 r o m命令、功能命令。如果出 现顺序混乱，1 - w i r e 器件就不会响应主机( 搜索 r o m命令， 报警搜索命令除外) 。 通信信号方式要求所有的一线总线器件要求遵循 严格的通信协议，以保证数据的完整性。 2 . 2 一线总线协议简介 一线总线系统网络的主机和从机之间，遵循一线总线协议进行通信 目前大多数传感器系统是采用放大、传输、数模变换这种处理模式。这种模式 中传输的方式采用并口或采用串口， 这两种方式一般要占用数根数据/ 控制线，限制 华北电力大学硕十学位论文 点系统操作。 2 . 1 . 2 一线总线工作原理 顾名思义，一线总线只有一根数据线，系统中的数据交换、控制都在这根线上 完成。设备( 主机或从机) 通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线， 这样允许设 备不发送数据时释放总线，以便其他设备使用。其内部等效电路如下图2 -2 所示。 一 线总 线硬 件 接口 示 意 图 图2 - 2一线总线硬件接口示意图 一线总线要求外接一个约4 . 7 k 。的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为 高电平。 主机和从机之间的通信总体上说是通过以下3 个步骤完成的: 初始化 1 - w i r e 器件;识别 1 - w ir e 器件;交换数据。由于二者是主从结构，只有主机呼叫从机时， 从机才能应答，因此主机访问1 - w i r e 器件都必须严格遵循一线总线命令序列: 初始 化、 r o m命令、功能命令。如果出 现顺序混乱，1 - w i r e 器件就不会响应主机( 搜索 r o m命令， 报警搜索命令除外) 。 通信信号方式要求所有的一线总线器件要求遵循 严格的通信协议，以保证数据的完整性。 2 . 2 一线总线协议简介 一线总线系统网络的主机和从机之间，遵循一线总线协议进行通信 目前大多数传感器系统是采用放大、传输、数模变换这种处理模式。这种模式 中传输的方式采用并口或采用串口， 这两种方式一般要占用数根数据/ 控制线，限制 华北电力大学硕士学位论文 了单片机使用功能的扩展。 一线总线协议就解决了这种问题。数字式传感器的核心之一就是采用什么协议 能最大限度的高速安全的传输数据，另外就是如何更好的节省硬件资源。一线总线 协议通过一根总线实现主设备对从设备的控制 ( 主设备往往是微控器等) ，一线总 线器件在采用这种工作方式时就充当着从设备的作用。由于只有一根线，并且没有 译码功能，所以这些器件是一线总线系统唯一的从设各，所有的数据和命令都在这 根总线上传送，数据和命令字节传送顺序是从低位到高位。 为了使其它的设备也能使用这根线，一线总线协议通过一个三态门转换传输状 态，使得每一个设备在不传送数据时空出该数据线给其它设备。因为一线总线在外 部有一个上拉电阻，所以在总线空闲时是高电平。为保证信号的完整性，一线总线 协议定义了以下几种信号:复位脉冲、存在脉冲、读写 0或 1 。除存在脉冲外，其 它的信号均由主设备发出。 一 线总 线 器 件总 线 接口 硬 件 结 构 示 言图 图2 - 3一线总线器件接口结构示意图 如上图2 - 3 所示， r x和t x分别是内部数据的发送和接收端， 外界的环境量变化 引起敏感膜的变化， 产生的电信号被编码成数字量， 存储在专用寄存器当中， 经由 d q 端读入到单片机当中。 主设备给低电平并保持4 8 0 11 s 就空出总线并进入接收模式r x 。此时上拉电阻 器使总线为高电平， 即空闲状态。一旦一线总线器件检测到这一上升沿， 就会等待 1 5 -6 0 p s ， 并给出 存在脉冲使总线保持6 0 -2 4 0 11 s 的低电平。而写操作均在读、 写时隙之间进行，在每个时隙中，系统只传送一个二进制位。 1 - wi r e协议定义的几种信号类型:复位脉冲、应答脉冲、写 0 、写 1 、读 0和 华北电力大学硕士学位论文 读 1 时序， 组成了所有总线上传输的信号。 也就是说， 所有的一线总线命令序列( 初 始化、r o m命令、功能命令) 都是由 这些基本的信号类型组成的。这些信号，除了 应答脉冲外，都是由主机发出，并且发送的所有命令和数据都是字节的低位在前。 另外，初始化时序同时包括主机发出的复位脉冲和从机发出的应答脉冲。主机通过 拉低一线总线至少 4 8 0 u s ，以产生 t x复位脉冲;然后主机释放总线，并进入 r x 接收模式。当主机释放总线时，总线由低电平跳变为高电平时产生一个上升沿，一 线总线器件检测到这上升沿后，延时 1 5 - 6 0 1 a s ，接着一线总线器件通过拉低总线 6 0 -2 4 0 11 s ，以产生应答脉冲。主机接收到从机应答脉冲后，说明有一线总线器件 在线，然后主机就可以开始对从机进行r o m命令和功能命令操作。 综上所述，在一线总线上进行数据传输时，一线总线器件和主机之间必须遵循 严格的读时序和写 1 、写 0时序。在每一个时序中，总线只能传输一位数据。所有 的读、 写时序至少需要6 0 u s ， 且每两个独立的时序之间至少需要 l p111s 的恢复时间。 读、写时序均起始于主机拉低总线。在写时序中，主机拉低总线后，在 1 5 11 s 之内 释放总线，向一线总线器件写 1 ;若主机拉低总线后，保持至少 6 0 11 s 的低电平， 则向一线总线器件写 0 。一线总线器件仅在主机发出读时序时才向主机传输数据， 所以，当主机向一线总线器件发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便一线 总线器件能传输数据。在主机发出读时序之后，一线总线器件才开始在总线土发送 0 或1 ，若一线总线器件发送1 ，则保持总线高电平，若发送。 ，则拉低总线。一线 总线器件发送数据之后，保持有效时间 巧ps ，因而，主机在读时序期间必须释放 总线，并且必须在 1 5 p s 之内采样，从而接收到从机发送的一位数据。 2 . 3 一线总线智能温度传感器d s 1 8 2 0 / d s 1 8 s 2 0 2 . 3 . 1 d s 1 8 2 0综述 d s 1 8 2 0 是由 美国d a l l a s 公司提供的一种一线总线系统的 数字温度传感器， 它可提供二 进制9 位温度信息， 经过一线总线 接口 送入主 机处 理器。因 此从主机到 d s 1 8 2 0仅需一条线进行通信。 d s 1 8 2 0的电源可以由 数据线本身提供而不需要外部 电源。d s 1 8 2 0 的测量范围从一 5 5 到+ 1 2 5 c ，分辨率为0 . 5 0c ，可在2 秒( 典型值) 内 把温度变换成数字。 同时每一个d s 1 8 2 0 在出厂时己经给定了唯一的6 4 位长的序号， 在一定数量范围内可将任意多个 d s 1 8 2 。连接在同一条总线上，构成主从结构的多 点测温传感器网络。该序号值存放在d s 1 8 2 0内部的r o m ( 只读存贮器)中，低 8 位是产品类型编码 ( d s 1 8 2 0 编码均为1 0 h ) ，中间4 8 位是每个器件唯一的序号，高 8 位是前面 5 6 位的c r c( 循环冗余校验)码。d s 1 8 2 0中还有用于贮存测得的温度 华北电力大学硕士学位论文 读 1 时序， 组成了所有总线上传输的信号。 也就是说， 所有的一线总线命令序列( 初 始化、r o m命令、功能命令) 都是由 这些基本的信号类型组成的。这些信号，除了 应答脉冲外，都是由主机发出，并且发送的所有命令和数据都是字节的低位在前。 另外，初始化时序同时包括主机发出的复位脉冲和从机发出的应答脉冲。主机通过 拉低一线总线至少 4 8 0 u s ，以产生 t x复位脉冲;然后主机释放总线，并进入 r x 接收模式。当主机释放总线时，总线由低电平跳变为高电平时产生一个上升沿，一 线总线器件检测到这上升沿后，延时 1 5 - 6 0 1 a s ，接着一线总线器件通过拉低总线 6 0 -2 4 0 11 s ，以产生应答脉冲。主机接收到从机应答脉冲后，说明有一线总线器件 在线，然后主机就可以开始对从机进行r o m命令和功能命令操作。 综上所述，在一线总线上进行数据传输时，一线总线器件和主机之间必须遵循 严格的读时序和写 1 、写 0时序。在每一个时序中，总线只能传输一位数据。所有 的读、 写时序至少需要6 0 u s ， 且每两个独立的时序之间至少需要 l p111s 的恢复时间。 读、写时序均起始于主机拉低总线。在写时序中，主机拉低总线后，在 1 5 11 s 之内 释放总线，向一线总线器件写 1 ;若主机拉低总线后，保持至少 6 0 11 s 的低电平， 则向一线总线器件写 0 。一线总线器件仅在主机发出读时序时才向主机传输数据， 所以，当主机向一线总线器件发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便一线 总线器件能传输数据。在主机发出读时序之后，一线总线器件才开始在总线土发送 0 或1 ，若一线总线器件发送1 ，则保持总线高电平，若发送。 ，则拉低总线。一线 总线器件发送数据之后，保持有效时间 巧ps ，因而，主机在读时序期间必须释放 总线，并且必须在 1 5 p s 之内采样，从而接收到从机发送的一位数据。 2 . 3 一线总线智能温度传感器d s 1 8 2 0 / d s 1 8 s 2 0 2 . 3 . 1 d s 1 8 2 0综述 d s 1 8 2 0 是由 美国d a l l a s 公司提供的一种一线总线系统的 数字温度传感器， 它可提供二 进制9 位温度信息， 经过一线总线 接口 送入主 机处 理器。因 此从主机到 d s 1 8 2 0仅需一条线进行通信。 d s 1 8 2 0的电源可以由 数据线本身提供而不需要外部 电源。d s 1 8 2 0 的测量范围从一 5 5 到+ 1 2 5 c ，分辨率为0 . 5 0c ，可在2 秒( 典型值) 内 把温度变换成数字。 同时每一个d s 1 8 2 0 在出厂时己经给定了唯一的6 4 位长的序号， 在一定数量范围内可将任意多个 d s 1 8 2 。连接在同一条总线上，构成主从结构的多 点测温传感器网络。该序号值存放在d s 1 8 2 0内部的r o m ( 只读存贮器)中，低 8 位是产品类型编码 ( d s 1 8 2 0 编码均为1 0 h ) ，中间4 8 位是每个器件唯一的序号，高 8 位是前面 5 6 位的c r c( 循环冗余校验)码。d s 1 8 2 0中还有用于贮存测得的温度 华北电力大学硕上学位论文 读1 时序，组成了所有总线上传输的信号。也就是说，所有的一线总线命令序列( 初 始化、r o m 命令、功能命令) 都是由这些基本的信号类型组成的。这些信号，除了 应答脉冲外，都是由主机发出，并且发送的所有命令和数据都是字节的低位在前。 另外，初始化时序同时包括主机发出的复位脉冲和从机发出的应答脉冲。主机通过 拉低一线总线至少4 8 0 hs ，以产生t x 复位脉冲；然后主机释放总线，并进入r x 接收模式。当主机释放总线时，总线由低电平跳变为高电平时产生一个上升沿，一 线总线器件检测到这上升沿后，延时1 5 6 0 us ，接着一线总线器件通过拉低总线 6 0 2 4 0us ，以产生应答脉冲。主机接收到从机应答脉冲后，说明有一线总线器件 在线，然后主机就可以开始对从机进行r o m 命令和功能命令操作。 综上所述，在线总线上进行数据传输时，一线总线器件和主机之间必须遵循 严格的读时序和写1 、写0 时序。在每一个时序中，总线只能传输一位数据。所有 的读、写时序至少需要6 0 i ls ，且每两个独立的时序之间至少需要lt xs 的恢复时间。 读、写时序均起始于主机拉低总线。在写时序中，主机拉低总线后，在1 5us 之内 释放总线，向一线总线器件写l ；若主机拉低总线后，保持至少6 0us 的低电平， 则向一线总线器件写o 。一线总线器件仅在主机发出读时序时才向主机传输数据， 所以，当主机向一线总线器件发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便一线 总线器件能传输数据。在主机发出读时序之后，一线总线器件才开始在总线上发送 0 或1 ，若一线总线器件发送l ，则保持总线高电平，若发送0 ，则拉低总线。一线 总线器件发送数据之后，保持有效时间1 5 l as ，因而，主机在读时序期间必须释放 总线，并且必须在1 5us 之内采样，从而接收到从机发送的一位数据。 2 3 一线总线智能温度传感器d s l 8 2 0 d s l 8 s 2 0 2 3 1d s l 8 2 0 综述 d s l8 2 0 是由美国d a l l a s 公司提供的一种一线总线系统的数字温度传感器， 它可提供二进制9 位温度信息，经过一线总线接口送入主机处理器。因此从主机刭 d s l 8 2 0 仅需一条线进行通信。d s l 8 2 0 的电源可以由数据线本身提供而不需要外部 电源。d s l 8 2 0 的测量范围从5 5 到+ 1 2 5 ，分辨率为0 5 ，可在2 秒( 典型值) 内 把温度变换成数字。同时每一个d s l 8 2 0 在出厂时已经给定了唯一的6 4 位长的序号， 在一定数量范围内可将任意多个d s l 8 2 0 连接在同一条总线上，构成主从结构的多 点测温传感器网络。该序号值存放在d s l 8 2 0 内部的r o m ( 只读存贮器) 中，低8 位是产品类型编码( d s l 8 2 0 编码均为1 0 h ) ，中间4 8 位是每个器件唯的序号，高 8 位是前面5 6 位的c r c ( 循环冗余校验) 码。d s l 8 2 0 中还有用于贮存测得的温度 一兰! ! 皇垄奎兰堡主堂垡堡墨一 值的两个8 位存贮器r a m ，编号分别为0 号和1 号。1 号存贮器存放温度值的符号， 如果温度为负，则1 号存贮器8 位全为1 ；否则全为0 。0 号存贮器用于存放温度值 的补码。将存贮器中的二进制数求补，再转换成十进制数并除以2 ，就得到测量的 实际温度值。 【到z - 耳l i b l 9 2 u 头韧图 d s l 8 2 0 的引脚如下图2 - 5 所示： 始1 8 2 0 引脚说明 g n d d q v d d d s l8 婀i 脚图 图2 - 5 d s l 8 2 0 引脚图 地 漱静出 观外郗底 研州删距 丌0a啬q 华北电力大学硕士学位论文 表2 1d s l 8 2 0 引脚说明 引脚符号说明 1 g n d 地 2 d q 单线运用的数据输入输出引脚漏极开路 3v d d 可选v d d 引脚两种供电方式 d s l 8 2 0 有两种供电方式可供选择，即数据总线供电方式和外部供电方式。采 取数据总线供电方式可以节省一根导线，但完成温度测量的时间较长；采取外部供 电方式会多用一根用于供电的导线，好处是可以更快地得到温度测量的结果。 v p ” 7 嘻 释童啦灌喀踌 叫硼一l 惦2 0 潞一 专 童 t 举枇 “鸟 一 疆疆婚岳霉 i 。善 专_ r 一啪援陆 _ 糠麟掇黼；8 蝴i 存畦瓣 y 一 卒瞄a 一蝴埘5 鼍髓嚣产躺l 瞪 峰 l8 t 妫淑女l d s t 8 2 c i 晦自f 骢辑槎翻 图2 - 6d s l 8 2 0 内部逻辑框图 前面介绍过，d s l 8 2 0 使用两个8 字节的r a m 存贮9 位的温度值，最高位为符 号位。下图为d s l 8 2 0 的温度存储方式，温度为负数时s = 1 ，温度为正时，s = 0 。 b 1 t 7b i t 6b i t 5b i t 4 b i t 3 b i t 2 b i t lb i t 0 低位字节臣 二 二j j 至 夏工至正 b i t l 5b i t l 4b i t l 3b i t l 2b i t l l b i t l 0 b i t 9 b i t 8 高位字节 二三二 二二二二工二二二二 二三二 二三二 二二二二工二三二二口 图2 7 温度存储方式 d s l8 2 0 的存贮器如下图2 8 所示，存贮器由一个高速暂存便笺式r a m 和一个非 易失性电可擦除e 2 r a m 组成。后者存储上闽温度和下闽温度的值，还有触发器t h 和t l 。暂存存储器有助于在进行一线通信时，确保数据的完整性。数据首先写入暂 9 华北电力大学硕士学位论文 存存储器，并在那里被读回。当数据校验之后，执行复制暂存存贮器的命令，将数 据传送到非易失性存储器e 2r a m ，这一过程确保了更改存储器时数据的完整性。 存储嚣 t e k 【p 里r 式玎j r el 9 8 t e m p e r a t u r em s b 1 珏疋蹲e r b y t e l 1 t ，l j s e r b v t e ! r e s e r v e d r s e r v e d c o i j n tr e 划蚵 c o u 研p e r c r c 非易失性存储器 o s i s 2 0 存储器映象图 图2 - 8d s l 8 2 0 存储器映象图 暂存存贮器是按8 位字节存储器来组织的，头两个字节包含温度信息；第3 和第 4 - y - 字节分别是t h 和t l 的易失性拷贝，且在每一次上电复位时被刷新；5 、6 的两个 字节没有使用，但是在读回时它们呈现为逻辑全l ；第7 和第8 个字节是计数寄存器， 通过调整温度变化时计数器计数值的变化率，就可以获得较高的温度分辨率。 2 3 2d s l 8 2 0 工作过程及时序 d s l 8 2 0 工作过程中的协议如下 ( 1 ) 初始化； ( 2 ) r o m 操作命令； ( 3 ) 存储器操作命令； ( 4 ) 处理数据； 下面进行详细介绍 2 3 2 1 初始化 一线总线上的所有处理均从初始化开始，初始化序列包括总线主机发出一个复 位脉冲，接着由从机器件向总线发出存在脉冲，具体时序图如下图2 - 9 1 0 位o ，2 3 4 5 6 7 s 华北电力大学硕士学位论文 存存储器，并在那里被读回。当数据校验之后，执行复制暂存存贮器的命令，将数 据传送到非易失性存储器e 2 r a m中，这一过程确保了更改存储器时数据的完整性。 t e mp e r a t ur e l s s 丁 ey t p e ra t ur e b 1 s b i wus e r b y te i n j u s e r b vf e z res e e 氏 王d 卫 卫s 七 长v 五 d c ol n c r e n l a l n c ot 乃汀p e r 及c i 卜 易失性存储器 t i vus e r byt ei t f 1 u s e r b vt e ? d s 1 8 2 0 存储器映象图 图2 - 8 d s 1 8 2 。 存储器映象图 暂存存贮器是按8 位字节存储器来组织的，头两个字节包含温度信息;第3 和第 4 个字节分别是t h 和t l 的易失性拷贝，且在每一次上电复位时被刷新;5 , 6 的两个 字节没有使用，但是在读回时它们呈现为逻辑全1 ;第7 和第8 个字节是计数寄存器， 通过调整温度变化时计数器计数值的变化率，就可以获得较高的温度分辨率。 2 . 3 .2 d s 1 8 2 0 工作过程及时序 d s 1 8 2 0 工作过程中的协议如下 ( 1 )初始化; ( 2 ) r o m操作命令; ( 3 )存储器操作命令; ( 4 )处理数据; 下面进行详细介绍 2 . 3 .2 . 1初始化 一线总线上的所有处理均从初始化开始， 位脉冲，接着由从机器件向总线发出存在脉冲 初始化序列包括总线主机发出一个复 ，具体时序图如下图2 - 9 华北电力大学硕士学位论文 版伽 线线 一总 总线主机下拉 ?5 4a x v d s 18 2 0t r d s l 日 2 0 上拉 总线上拉 初始化过程 “ 复位和存在脉冲并 图2 - 9初始化时序图 2 . 3 . 2 . 2 r o m 操作命令 一旦总线主机检测到从属器件的存在， 它便可以发出某个r o m操作命令。 所有 r o m 操作命令均为8 位长，这些命令列表如下表2 - 2 : 下面对本系统开发中，使用过的命令进行基本介绍 表2 一2 r o m操作命令 指令说明代码 总线操作 r e ad rom读 r o m 3 3 h d s 1 8 2 0发送 r o m 码 match rom匹配 r o m c c h 主机发送 r o m码 s ki p rom跳过 r o m 5 5 h 主机发出存储器命令 s e arc h rom搜索 r o m f o h 所有d s 1 8 2 0 发送第一位 “ 与” al arm s e arc h 告警搜索 e c h d s 1 8 2 0 发送 “ 0 ”或 ，. 1 7) . r e a d r o m( 读r o m ) 3 3 h 此命令允许总线主机读d s 1 8 2 0的8 位产品系列编码、唯一的4 8位序列号，以 及8位的c r c 。 此命令只能在总线上仅有一个d s 1 8 2 0 的情况下使用。 如果总线上存 在多于一个的从属器件，那么当所有从片企图同时发送时，总线上将发生数据冲突 的现象，漏极开路会产生线与的结果。 华北电力大学硕士学位论文 . ma t c h r o m i、符合 r o m) 5 5 h 符合r o m 命令，后继以6 4 位的r o m 数据序列，使总线主机能对总线上特定 的d s 1 8 2 0 寻址。 只有与6 4 位r o m 序列严格相符的d s 1 8 2 0 才 一 能对后继的存贮器操作 命令做出响应。所有与6 4 位r o m 序列不符的从机将停止响应，等待复位脉冲。此 命令在总线上有单个或多个器件的情况下均可使用。 . s k i p r o m( 跳过r o m ) c c h 在单点总线系统中，此命令允许总线主机不提供6 4 位r o m编码而访问存储器。 由于该命令可以命令总线上所有从机同时进行相同的操作，因此能够缩短系统运行 的周期。如果在总线上存在多于一个的从属器件，而且在s k i p r o m 命令之后，又 指令所有从机向总线发送数据，那么会在总线上发生数据冲突，并产生线 “ 与”的 效果。 . s e a r c h r o m( 搜索r o m) f o h 当系统开始工作时，总线主机可能不知道总线上器件的个数，或者是不知道它 们的6 4 位r o m编码，搜索r o m命令允许总线主机使用一种消去e l i mi n a t i o n 处理 ( 具体的算法，请参阅第五章第1 节)，来识别总线上所有从片的6 4 位r o m编码以 及得知总线上d s 1 8 2 0 的数量。 . a l a r m s e a r c h ( 告警搜索) e c h 此命令说明从略 d s 1 8 2 。 的r o m操作命令设置，不但能够帮助实