（机械工程专业论文）集散式多点数字温控系统应用研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 本文针对钢铁企业设备传动部位的轴承、轴瓦、电机定子温度等中低温段( 1 2 0 以下) 的温度多点分布式测量问题，研究了一种集散式多点数字温控系统，包括上位计 算机集中监视和管理子系统及下位单片机温度采集和控制子系统，实现了对多点温度数 据的远程采集、处理、实时显示以及对温度报表的管理。 系统由上位机温度管理模块、下位机温度控制模块、远程通信模块等组成。在上位 机运行的测温管理软件，负责对整个系统进行统一管理，实现对系统参数的设置，对多 个测温点温度数据的巡回采集、处理、实时直观显示和对温度报表的查询、打印，并采 用v i s u a lb a s i c6 0 进行界面设计和编程。下位机主要由8 0 c 5 1 系列单片机为核心，采用 新型单线数字温度传感器d s l 8 8 2 0 对各个测温点进行温度测量和相应测温点温度数据 的查询，并与主机通过r s 4 8 5 实现多机通信。 此系统具有精度高、可靠性强、测温范围广等优点，解决了多点温度分布式测量问 题。而且，此系统可以根据用户的不同需要，进行方便地扩展和升级。 关键词：远程测温；单片机；r s - 4 8 5 通信；d s l 8 8 2 0 集散式多点数字温控系统应用研究 r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fd d i s t r i b u t e dm u l t i s p o tt e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e m a b s t t a c t ad i s t r i b u t e dm u l t i - p o i n tt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，w h i c ho r i e n t st os t e e li r o n m a n u f a c t u r e r sm e d i u m l o wt e m p e r a t u r e ( b c l e w1 2 0 。od e t e c t i n g , i sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r i tc a nb ea p p l i e dt od e t e c tt h et e m p e r a t u r e so f b e a r i n g s ，m o t o rs t a t o r sa n ds oo i l i ti n c l u d e sa m a s t e rs u b s y s t e mw h i c hm a n a g e sa n ds u r v e y si n f o r m a t i o na n ds o m es l a v es u b s y s t e m sw h i c h s a m p l ea n dc o n t r o lt e m p e r a t u r eo fm u l t i - p o i n t s t h es y s t e mc a ni m p l e m e n tt h el o n g - d i s t a n c e m u l t i p o i n tt e m p e r a t u r e d a t a a c q u i s i t i o n , p r o c e s s i n g , r e a l - t i m ed i s p l a y a n d r e p o r t s m a n a g e m e n t 叽l e s y s t e m i s m a i n l yc o m p o s e do f t h r e ec o m p o n e n t sw h i c ha r e t e m p e r a t u r e m a n a g e m e n tm o d u l ei nm a s t e rp c , t e m p e r a t u r ec o n t r o lm o d u l ei ns l a v em c ua n dr e m o t e c o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h es o f t w a r em e r l ei nm a s t e rp ci sd e v e l o p e dw i t hv i s u a lb a s i c 6 0t om a n a g et h ew h o l es y s t e m ，s e ts y s t e mp a r a m e t e r s ，g a t h e re a c hp o i n td a t ao n eb yo n e ， r e a l t i m ed i s p l a y ，i n q u i r yt e m p e r a t u r es t a t e m e n t sa n dp r i n tf i l e s t h es l a v es u b s y s t e mi s d e s i g n e dw i t ha8 0 c 5 1m c ua n das e r i a ld a t at e m p e r a t u r es e u s o rd s l 8 8 2 0t om e a s u r ea n d i n q u i r ye a c hp o i n tt e m p e r a t u r e ar s - 4 8 5a r c h i t e a u r ei sa d o p t e dt oc o m m u n i c a t eb e t w e e n t h em a s t e rp ca n ds l a v em c u s n l i ss y s t e mh a ss o m e a d v a n t a g e s o f h i g ha c c u r a c y h i g hr e l i a b i l i t ya n dw i d e m e a s u r e m e u tr a n g et os e t t l ed i s t r i b u t e dm u l t i - p o i n tt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t m o r e o v e r , t h i s s y s t e mc a l lb ee a s i l ye x p a n d e da n du p g r a d e d f o rd i f f e r e n tu s e r sn e e d s k e yw o r d s ： r e m o t et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ；m c u ；r s 4 8 5c o m m u n i c a t i o n ； d s l 8 8 2 0 一i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：盟日期趟! ! 盆塑 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名： 塑 丛三盘 4 年上月曰 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1绪论 随着计算机与信息技术的发展，计算机测量控制系统在越来越多的场合得到广泛应 用。温度是许多监控系统中的一个重要参数，尤其是在钢铁企业需要多点温度的测量和 监控的地点，温度的测量更是必不可少。比如：钢铁企业球团厂中回转窑正常生产时需 要时刻监控窑头、窑中、窑尾的温度；链篦机需要随时掌握鼓风干燥段、抽风干燥段、 预热一段、预热二段温度的变化；环冷机要知道四个冷段的冷却效果如何，以便随时改 变操作：还有设备的传动部位等特殊的点都需要通过对该点温度的测量来判断设备的运 转状况，这一切都离不开对温度的准确测量。 温度检测传感器的种类较多，现在工矿企业可根据不同的环境和不同的温度测量范 围相应采用不同的传感器。比如：测量范围在5 0 0 以内，多采用p t l 0 0 铂热电阻并加 保护管( 陶瓷或不锈钢管) ；如果测量范围在8 0 0 9 0 0 以下多采用k 型热电偶；如果 测量范围在1 6 0 0 以下可采用s 型热电偶等等，总之根据测量环境的不同，选择不同测 量范围的传感器。此项技术已随着p l c 技术的不断完善和改进以及多种测量高温段测温 传感器的产生不断日趋成熟。 测量范围在1 2 0 以下的小区间测量在企业中也较为普遍。温度检测的传统方法也 是使用模拟传感器( 铂电阻等) ，那么就好比用杆秤去称一只钢笔，虽然能称出重量， 但是精度就不可能奢求的太高了，而且模拟信号在长距离传输中，电磁的干扰也是一个 小区间测量应该考虑的问题。 就目前来讲，包括本钢、鞍钢等大多数大型钢铁企业均采用p t l 0 0 铂电阻( 0 5 0 0 左右) 来达到对小区间测量目的。或者插入式或者采用直埋的方式，但不管采用哪种 形式，其精度都有一定的局限性，其精度最多只能达到9 5 ，为了迸一步提高测量精度， 进一步降低成本，这就需要对传统的测量方法做更深一层的研究。比如：对传动部位轴 瓦、轴承、电机的定子等重要的点( 温度变化范围o 1 2 0 左右) 都需要更精确的测量， 以便更加准确的反应设备运转状况。由于在工厂中，类似的测量点非常之多，对它的温 度检测除了要求解决被测参数技术问题外( 如精度、可靠性等) ，从系统结构而言，同 时还要解决多点和分布的问题。多点和分布也同样是其它测控系统所面临的问题 为了解决企业中测量0 1 2 0 区间多点分布和测量精度的问题，d s l 8 8 2 0 数字量传 感器是一个较理想的选择。d s l 8 8 2 0 具有唯一的6 4 位序列号，可以在一根总线上挂接 多个器件，特别适合多点测温环境。其另一个特点是，可以从信号线上窃取电流，为温 度转换提供能量，所以d s l 8 8 2 0 接口的最小方式为二线制，即一条信号线和一条地线 集散式多点数字温控系统应用研究 就可以正常工作。再者，其测量范围：- 5 5 + 1 2 5 非常贴近测量要求。测量精度可 达到9 9 以上。 为了消除长距离传输的电磁干扰从而进一步保证测量精度，此系统可采用r s - 4 8 5 通讯方式。r s 4 8 5 串行总线接口标准以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干 扰能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备。工业现场控制系统中一般都 采用该总线标准进行数据传输，而且一般采用r s 4 8 5 串行总线接口标准的系统都使用 8 0 4 4 芯片作为通信控制器件或各分机的c p u 。8 0 4 4 芯片内部集成了s d l c 、h d l c 等 通信协议，并且集成了相应的硬件电路，通过硬件电路和标准协议的配合，是系统的通 信准确、可靠、快速。8 0 4 4 在市场上日见稀少，虽然有8 3 4 4 可代替，但几百元的价格 与普通单片机几元至几十元的价位相差甚远，用户在开发一般的单片机应用系统时，都 希望用简单的电路和简单的通信协议完成数据交换。譬如。利用单片机本身所提供的简 单串行接口，加上总线驱动器如s n 7 5 1 7 6 等组合成简单的r s - 4 8 5 通信网络。 1 1 系统的意义 集散式多点数字温控系统解决了许多在实际中的难题，得到广泛推广集散式多点 数字温控系统在工程实际应用中，主要用于集散式多点温控环境，该测温系统利用分布 的多台下位机通过选择合适的温度传感器，并采用r s 一4 8 5 多机通信进行数据传输，解 决了温度测量中的多点和分布问题。而且系统通过计算机对温度进行集中监视和管理。 集散式多点数字温控系统实现了对多点温度数据的远程系统处理，实现显示以及对温度 报表的管理，并控制结点温度。 1 2 系统的发展前景 集散式多点数字温控系统目前所完成的是对多点温度数据的远程采集、处理、显示 以及对温度报表的管理。系统主要分为两大部分：在上位机通过测温管理软件实现对多 个测温点数据的巡回采集、处理、实时直观显示和对温度报表的管理；在下位机通过单 片机控制各个测温点完成温度转换并与主机实现多机通信。 测温系统利用分布的多台下位机，通过选择合适的测温传感器，并采用r s 4 8 5 进 行数据传输，解决了分散的多个测温点温度数据的测量问题。而且系统通过计算机对温 度进行集中监视和管理。 集散式多点数字温控系统虽然实现了对温度的集中监视和管理，但还没有包括相应 的反馈控制部分。因为不同的监控场合有不同的控制要求，可以针对具体的要求加入相 应的控制部分。这是系统非常值得扩展的空间之一。目前的系统中作为下位机的单片机， 还有很多的资源没有利用，系统有充分的扩展余地。 一2 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 系统的另一个发展方向是通过无线通信来完成下位机与上位机之间的数据传输。因 为目前系统的数据传输是通过r s 一4 8 5 直接传递数字信号，所以主机和下位机之间可直 接通过r s - 4 8 5 通行，而不需要其它设备就可以实现温度测量。这对于许多不便于布线 的场合是一个很好的选择。 由于系统是通过计算机来进行集中监视和管理的，测温数据可以通过负责管理的计 算机联入计算机网络，从而可以实现测量和控制的网络化。 1 3 集散系统的特点和功能 集散控制系统是采用标准化、模块化和系列化设计，由过程控制级、控制管理级和 生产管理级所组成的一个以通信网络为纽带的集中显示，操作、管理、控制相对分散的 多极计算机网络控制系统。 1 3 1 特点 功能齐全、实现分散控制、实时集中监视，操作和管理，人一机联系好、采用局部 网络通信技术、系统扩展方灵活方便，安装调试方便、安全可靠性高、具有良好的性能 价格比。 独特的单线接口在结构中只需一个管脚 每一个装置都有一个独特的6 4 位序列号存储在r a m 中 多点的性能使分布式检测的运用更容易 测温时不需要外部元件 可以通过数据结供电，电源范围为3 o v 一5 5 v 测温范围为- 5 5 c + 1 2 5 。c ( - 6 7 f “+ 2 5 7 f ) 一i o 。c + 8 5 的测温精度为0 5 1 2 用户可选择温度计分析9 1 2 位可变 1 2 位精度转换的最大时间为7 5 0 m s 用户自定义的非易失性报警设置 1 3 2 功能 控制功能、显示功能、操作功能、数据通信功能、综合信息管理功能。 集散式多点数字温控系统应用研究 2 系统总体方案的设计 温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学、生物等学科都离不开温度， 在工业生产和实验研究中，像电力、化工、石油、冶金、航天航空、机械制造、监控等 领域内，温度是常常表征对象和过程状态的最重要的参数之一。比如，发电厂锅炉的温 度必须控制在一定范围内；许多化学反应的工艺过程必须在正常的温度下才能正常进 行：炼油过程中，原由必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能的得到汽油、煤油、 柴油等产品；设备多点传动部位温度的检测；炼铁厂，炼钢厂各段生产工艺温度的要求 都很高。可见，温度的准确测量和控制是非常重要的。 温度的测量是从金属( 物质) 的熟胀冷缩开始，水银温度计至今仍是各种温度测量 的计量标准，可是它的缺点是只能近距离观测，而水银有毒，玻璃易碎。代替水银的有 酒精温度计和金属簧片温度计，它们虽然没有毒性，但测量精度很低，只能作为一个概 略指示，不过在居民住宅中使用已可满足要求。在工业生产和实验研究为了配合远传仪 表指示，出现了许多不同的温度检测方法，常用的有电阻式、热电偶式、p n 结性、辐射 型、光纤式及石英谐振型等。它们都是基于温度变化引起其物理参数( 如电阻值、热电 势等) 的变化的原理。随着大规模集成电路工艺的提高，出现了多种集成的数字化温度 传感器。 2 1 系统分析与传感器的选择 随着计算机与信息技术的发展计算机测量控制系统在越来越多的场合得到广泛应 用。温度是许多监控系统中的一个重要参数，尤其是对于工矿企业多点温度的测量和监 视等地点，温度的测量更是必不可少。比如：在工厂设备生产过程中，为了时刻监测设 备传动部位的运转状况必须实时检测其温度。过去温度的检测是靠人的感官去猜测或者 使用模拟传感器，其测量精度都是无法保证的。工厂象类似的测量点非常之多，对它的 温度检测除了要求解决被测参数技术问题外( 如精度、可靠性等) ，从系统结构而言， 就是解决多点和分布的问题。多点和分布也同样是其它测控系统所面临的问题。像无人 职守的机站会分在很大的范围内，各机站与监控中心的距离很远，数据必须通过远程传 输进行交换。单总线远程巡回测温系统正是针对上述系统所研制的。 2 1 1 系统分析 ( 1 ) 温度测量范围：在企业普通设备传动部位多点同时测温监控的场合，测量温度 范围一般为周围环境的变化范围。测温传感器的测量范围在- 5 0 + 1 2 0 之间，就可 以满足测量需要。 - 4 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 2 ) 测温点的分布：针对测温点的分布范围较广这个特点，系统由下位机和上位机 构成一个分布式的测温系统。每一台下位机采集和处理多点的温度信息，然后通过远程 通信模块把温度信息传到上位机。根据测温点的分布情况，可以灵活的决定下位机数量 多少。 ( 3 ) 集中监视和管理：计算机测量控制系统的优势之一就是集中监控和管理。系统 中由上位机的测温管理软件统一管理下位机，对测温点参数进行设置、巡回检测各测温 点温度、显示当前温度的棒状图、对超限温度报警显示，可以查询温度报表和历史曲线。 2 1 2 传感器的选择 d s l 8 8 2 0 数字温度计是d a l l a s 公司生产的1 - w i r e ，即单总线器件，具有线路简单体 积小的特点因此用他来组成一个测温系统具有线路简单，一根通信线，可以挂很多这样的 数字温度计，从而解决了分布的问题d s l 8 8 2 0 只需要一个端口就可以实现通信而且在 每一个器件上都有独一无二的序列号，在实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测 温地还可以把温度信号直接转换成数字信号，而且每片d s l 8 8 2 0 含有唯一的6 4 位序列 号，十分方便 狈0 温范围是：5 5 + 1 2 5 ，完全符合系统的要求。 由于d s l 8 8 2 0 采用的是1 - w i r e 总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输， 而对于一般单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此我们可以采用软件的方法来模 拟单总线的协议时序来完成对d s l 8 8 2 0 芯片的访问。 由于d s l 8 8 2 0 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d s l 8 8 2 0 有严格的通信协议来保证各位数据的正确性和完整性。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。 2 2 系统方案的确定 根据对系统需求的分析，系统主要由四部分组成：分别是测温点、数据采集处理模 块、远程通信模块和测温管理软件，如图2 1 所示。 集散式多点数字温控系统应用研究 图2 1 系统组成示意图 f i g 2 1d i a g r a mo f t h es y s t e mc o n s t r u c t i o n 根据对系统的分析，系统主要由四部分组成：测温点、数据采集处理模块、远程通 信模块和测温管理软件，如图所示：其中测温点是由数字温度传感器d s l 8 8 2 0 构成。 d s l 8 8 2 0 直接把温度信号转换成相应的数字信号。数字采集处理模块主要由单片机构成， 完成温度数据的读取和传输。一个数据采集处理模块最大可以进行8 路共6 4 点的温度 采集处理。远程通信模块分下位机通信接口和上位机通信接1 2 1 两部分。下位机利用单片 机的串行接口传输和接受数据，数据从单片机的串行口出来以后由r s - 4 8 5 进行传输。 测温管理软件运行在上位机上，对整个损i 温过程迸行管理，包括系统参数设置、巡回检 测各测温点温度并实时显示温度信息和报警信息等。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 集散式多点数字温控系统的硬件组成 3 1 测温系统的结构与各模块功能 集散式多点数字温控系统的硬件结构，如图3 1 所示 图3 1 测温系统硬件结构框图 f i g 3 1h a r d w a r es t r u c t u r eo ft e m p e r a t u r ed e t e c t i n gs y s t e m 集散式多点数字温控系统是由一台中央计算机( 上位机) 和数台由单片机构成的测 温模块( 下位机) 组成二级主从分布式微机测量系统。 上位机是整个测量系统的核心，整个系统在它的统一管理和协调指挥下，合理有序 地工作。它的主要功能有： 数据采集处理： 运行参数设置： 温度数据显示： 超限报警功能： 文件处理功能： 巡回检测各台从机的各测温点的温度数据。 包括通信参数、测温点参数、报表参数等等。 当前下位机的各测温点温度，温度棒状图。 温度超限报警，并记录报警信息。 打开、查询、打印温度报表。 集散式多点数字温控系统应用研究 下位机主要由5 1 系列单片机构成，完成温度数据的采集、传输。下位机数量和每 一台下位机所接测温点数量的多少，都可以根据测温要求灵活增减。系统最大可配置2 5 5 台下位机，每一台下位机最多接8 路6 4 个测温点。 下位机和上位机之间的通讯是通过r s - 4 8 5 多机通信来实现的。r s 一4 8 5 串行总线接 口标准以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰的能力，允许一队双绞线上一 个发送器驱动多个负载设备 测温传感器是单线数字式温度传感器d s l 8 8 2 0 。d s l 8 8 2 0 具有唯一的“位序列号， 可以在一根总线上挂接多个器件，特别适合多点测温环境。其另一个特点是，可以从信 号线上窃取电流，为温度转换提供能量，所以d s l 8 8 2 0 接口的最小方式为二线制，即 一条信号线和一条地线就可以正常工作。 3 2 单片机最小系统 3 2 1 下位机所采用的单片机 下位机主要采用5 1 系列单片机，每一个测温点有一个d s l 8 8 2 0 温度计进行测温， 然后传递单片机进行信息处理。 下面介绍一下a t 8 0 c 5 1 的一些内容。8 0 c 5 1 的引脚图如图3 2 所示： p 1 0p 0 0 p 1 1p 0 1 p 1 2p 0 2 p 1 3p 0 3 p 1 4p 0 4 p 1 5p 0 5 p 1 6p 0 6 p 玎p 0 7 d m p 2 0 d r r op 2 1 p 2 2 1 1p 2 3 t op 2 4 p 2 5 e a v pp 2 6 p 2 7 r e 妍r 功 1 如 r da l 日p w r p s e n 图3 28 0 c 5 1 引脚图 f i g 3 2p i n so f8 0 c 5 1 大连理工大学专业学位硕士学位论文 8 0 c 5 1 是i n t e l 公司m c s 一5 l 系列单片机中最基本的产品，它采用i n t e l 公司可靠的 c 删0 s 工艺技术制造的高性能8 位单片机，属于标准的m c s 一5 1 的h c m o s 产品。它结合了 h m o s 的高速和高密度技术及c h m o s 的低功耗特征，它继承和扩展了m c s 一4 8 单片机的体 系结构和指令系统。8 0 c 5 i 内置中央处理单元、1 2 8 字节内部数据存储器r a m 、3 2 个双 向输入输出( i 0 ) 口、2 个1 6 位定时计数器和5 个两级中断结构，一个全双工串行通 信口，片内时钟振荡电路。此外，8 0 c 5 1 还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择 空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结c p u 而r a m 定时器、串行口和中断系统维持其功 能。掉电模式下，保存r a m 数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。8 0 c 5 l 有p d i p ( 4 0 p i n ) 和p l c c ( 4 4 p i n ) 两种封装形式。 表3 18 0 c 5 1 主要功能特性 t a b m a i nf u n c t i o n so f8 0 c 5 1 3 2 2 系统的复位电路和晶振电路 复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常 重要。单片机的复位电路都是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路工作后，只要在单 片机的i 誓e s e t 引脚上出现2 4 个时钟振荡脉冲( 两个机器周期) 以上的电平，单片机就 能实现复位。为了保证可靠复位，在设计复位电路时，一般使r e s e t 引脚保持l o m s 以上的高电平，单片机便可以可靠的复位。当r e s e t 从高电平变为低电平以后，单片 机从0 0 0 0 h 地址开始执行程序。在复位有效期间，a l e 和p s e n 引脚输出低电平。此系 统的复位电路如图所示。 系统的外部晶振电路与单片机内部的反向放大器相连，这个放大器构成了片内振荡 器，原理图如图。 集散式多点数字温控系统应用研究 图3 3 系统复位电路和晶振电路原理图 f i g 3 3c i r c u i t so fr e s e ta n dc r y s t a lo s c i l l a t o r 3 3 测温单元电路 d s l 8 8 2 0 ( 如图3 4 所示) 是美国达拉斯( d a l l a s ) 半导体公司推出的应用可组网 的数字温度传感器，不需a d 转换电路，直接将温度值转换成数字量。 n cn c n cn c v e dn c d qg d s l 8 8 2 0 图3 4d s l b b 2 0 的引脚图 f i g 3 4p i n so fd s l 8 8 2 0 大连理工大学专业学位硕士学位论文 d s l 8 8 2 0 遵循严格的单线串行通信协议，每一个d s l 8 8 2 0 在出厂时都用激光进行了 调校，并具有唯一的6 4 位序列号。d s l 8 8 2 0 的内部使用了在板( o n b o a r d ) 专利技术。 全部传感元件及转换电路集成在形如只三极管的集成电路内，三端口分别是地线、数 据、电容。其外围电路简单，可广泛应用于温度控制、温度测量、工作系统及任何热敏 感系统中。 下面是它的主要技术特性； 具有独特的单线接口方式，即微处理器与其接口时仅需占用一位i o 端口； 支持多接点，是分布式测温系统的线路结构设计和硬件开销大为简化； 测温时无需任何外部元件； 可以通过数据线供电，具有超低功耗工作方式； 测温范围为一5 5 + 1 2 5 c ，测温精度为o 5 c ： 温度转换精度9 1 2 位可交，能够直接将温度转换值以1 6 位二进制数码的方式串 行输出。1 2 位精度转换的最大时间为7 5 0 m s 。 因为它是数字输出，而且只占用一个z 0 端口，所以它特别适合于微处理器控制的 各种温度测控系统，避免了模拟温度传感器与微处理器接口时需要的a d 转换和较复杂 的外围电路。缩小了系统的体积，提高了系统的可靠性。 3 3 1d s l 8 8 2 0 的结构 d s l 8 8 2 0 主要由寄生电源、温度传感器、“位串行r o m 单线接口、存储中间数据 的高速暂存器( 内含便笺式r a m ) 、用于存储用户设定的温度上下限值的t h 和t l 触 发器存储与控制逻辑、8 位循环冗余检验码( c r c ) 发生器7 部分。 每片d s l 8 8 2 0 含有一个唯一的6 4 位r o m 编码。头8 位是产品系列编码，接着的 4 8 位是产品序列号，最后8 位是循环冗余( c r c ) 检验码。所以多片d s l 8 8 2 0 能够连 接在同一条数据线上而不回造成混乱。这为温度的多点测量带来了极大的方便。 温度传感器的转换结果以1 6 位二迸制补码的形式存放在便笺式存储器中，如果测 量的温度值高于温度报警触发器t h 或低于t l 中的值，则d s l 8 8 2 0 内部的报警标志位 就被置位，表示温度测量值超出范围。d s l 8 8 2 0 的温度转换位数可以选择9 - 1 2 位，分 别对应的测温分辨率为o 5 ，0 2 5 c ，0 1 2 5 c ，0 0 6 2 5 c 。不过温度转换位数越大，转 换时间也越长。1 2 位精度的最大转换时间为7 5 0 m s 。温度转换位数的改变是通过改变设 置寄存器的值来实现的。 温度报警触发器和设置寄存器都由非易失性电可擦写存储器( e e p r o m ) 组成，设 置值可以通过相应命令写入，一旦写入后不会因为掉电而丢失。 集散式多点数字温控系统应用研究 3 3 20 5 1 8 8 2 0 的封装和供电方式 d s l 8 8 2 0 是d s l 8 2 0 的升级产品，一般封装为t o 一9 2 ，比d s l 8 2 0 的p r 3 5 封装更 小，外型与三极管类似，d s l 8 8 2 0 只有三根外引线：单线数据传输端口d q ，共用地线 g n d ，外供电源线v d d 。 d s l 8 8 2 0 可以由v d d 引脚接通外部供能，也可以运行在寄生能量的方式下，此方 式下d s l 8 8 2 0 运行不需当地外部供能。寄生能量对于远程测温或空间限制非常有用。 d s l 8 8 2 0 的寄生能量控制电路系统，当总线处高位时，此电路通过d q 引脚在“1 线” 总线上“窃取”能量。当总线处于高速运行时，窃取命令将向d s l 8 8 2 0 提供能量，一 些能量储存在寄生电容( c p p ) 中，并在总线运行速度低时提供能量。当d s l 8 8 2 0 被用 于寄生能量方式下时，v d d 必须与地连结。 在寄生能量方式下，“一线”总线和c p p 可以提供足够的电流为d s l 8 1 3 2 0 的大部 分操作，只要符合特殊的定时和电压要求就可以了( 涉及d c 的电气特性和a c 的电气 特性部分) 。然而，当d s l 8 8 2 0 执行温度转换或复制数据到e e f r o m 中时，操作电流 可以达到1 5 m a 。这个电流可以通过一个弱的“一线”上拉电阻产生一个难以接受的电 压降，并且此电流比c p p 提供的更通用。为了确保d s l 8 8 2 0 有足够的能量供给，在当 温度转换或数据从超高速中间结果寄存器中复制到e e p r o m 中，有必要在“一线”总 线上提供一个有利的上拉电阻。这个可以通过使用一个m o s f e t 直接上拉总线到一个 限定位置来实现，如图表4 所示。在t 转换 4 4 h 1 0 u s ( m a 【) 后或复制命令发出后，“一 线”总线必须开通一个强有力的上拉电阻，在转换持续的时间( 【m w ) 里或数据转变时 间( k = 1 0 m s ) 里总线必通过上拉电阻提高运行速度。当上拉电阻操作时，没有什么活 动可以取代“一线”总线的运行。 d s l 8 8 2 0 也可以通过常见的方式供能，就是在v d d 引脚上接上外部能量供给，这 种方法的优点是不要求m o s f e t 的上拉电阻，在温度转换时间里，“一线”总线空闲 可去执行其它运行。 寄生能量在温度超过1 0 0 时是不可使用的，因为在此温度下存在的更高的电流泄 漏，d s l 8 8 2 0 是不可能支持传输的。在有些应用中这些温度是可能存在的，此时建议 d s l 8 8 2 0 应用外部能源供给。 在有些情况下，总线主机不知总线上的d s l 8 8 2 0 是寄生电能供能还是外部能源供 能。主机需要知道这些信息来决定在温度转换时是否应用上拉电阻。为了得到这些信息， 主机可以向s k i pr o m 发布命令，然后是读能量供给命令，最后是“读时间踪迹”。在 读时间踪迹中，由寄生能量供给的d s l 8 8 2 0 将会使总线速度降低，由外部能源供能的 大连理工大学专业学位硕士学位论文 d s l 8 8 2 0 将会使总线保持高速运行。如果这个总线速度被降低，主机必须在温度转换过 程中提供一个强有力的上拉电阻。 d s l 8 8 2 0 有两种供电方式： 一种为数据供电方式( 如图3 5 所示) ，此时v d d 接地，它是通过内部电容在空 闲时从数据线获取能量，来完成温度转换，相应的完成温度转换的时间较长。为了保证 在有效的时钟周期内，提供足够的电流，这种情况下，用一个m o s f e t 管和单片机的v o 口来完成对d s l 8 8 2 0 总线的上拉。 另一种是外部供电方式( v d d 接+ 5 v ) ，相应的完成温度测量的时间较短。 3 v+ 5 5 v 图3 5 数据线供电方式 f i g 3 5p o w e rs u p p l yw i t hd a t ab u s 3 3 3 测温单元的测温原理 d s l 8 8 2 0 的温度传感器是通过温度对振荡器的频率影响来测量温度，如图3 6 所示。 d s l 8 8 2 0 内部有两个不同温度系数的振荡器。低温度系数振荡器输出的时钟脉冲受高温 度系数振荡器产生的门周期内进行计数。计数初值被预置在5 5 v 相对的一个基数值， 如果计数器在高温度系数振荡器输出的门周期结束前计数到零，表示测量的温度值高于 5 5 ，被预置在5 5 的温度寄存器的值就增加1 c ，然后重复这个过程，直到高温度 集散式多点数字温控系统应用研究 系数振荡器的门周期结束为止，这时温度寄存器中的值就是被测的温度值，一般情况下 的温度值应为9 位( 符号占1 位) ，但因符号位扩展成高8 位，故表3 2 给出了温度和 数字量关系。码的形式存放在便笺式存储器中。温度值由主机通过发读存储器命令读出， 经过取补和十进制转换，得到实测的温度值。斜率累加器是用于补偿和修正温度振荡器 的非线性。 表3 2d s l 8 8 2 0 输出数据与温度的对应关系 t a b o u t p u td a t ao fd s l 8 8 2 0 3 3 4 测温单元的数据通信 d s l 8 8 2 0 的命令是靠严格的通信协议来支撑的。为保证数据可靠地传送。同一时刻 单总线上只能有一个控制信号或数据。进行数据通信时一定要符合单总线协议。主机对 某一测控对象操作时，一般由以下四个过程：( 1 ) 初始化信号；( 2 ) 发r 叫命令：( 3 ) 发r 埘命令； 2 x ( i 波特率) ，可以选取y - 2 5 x ( i 波特率) 。 送数据帧时，t i x ( i 波特率) ，可以选取y - 1 5 x ( 1 波特率) 。 3 4 4 多机通信的实现 ( 1 ) 多机通信原理 模式2 ，3 提供了多处理器通讯的方法。多机通信主要利用了模式2 的一个操作特点： 如果被接收的第9 位数据不是1 ，则不会引起串行口中断。 多机通信的原理是：设置主处理器为模式3 ，从处理器为模式2 。当主处理器向其中 一个从处理器发送一个数据块时，它先发送一个地址帧来识别目标从处理器。地址帧与 数据帧的区别就在于前者的第9 位数据为1 ，后者为4 。对于工作于模式2 的从机，数据帧 是不可能使它中断的。两地址帧可以中断所有从处理器，每一个从处理器检查传递来的 地址数据，与之匹配的从处理器变换为模式3 ，开始准备接收数据，其它从处理器则保 持为模式2 ，不能被中断。主从式多机通信中，一台是主机，其余是从机，从机要服从 主机的调度和支配主机用奇偶校验位完全模拟多机通信格式中的第9 位数据。这样p c 机( 上位机) 就具有了与单片机串行口工作方式2 和3 相匹配的数据帧格式。 集散式多点数字温控系统应用研究 图3 8 主从多机通信 f i g 3 8m u l t i p l ec o m m u n i c a t i o no f s t e ra n ds l a v e ( 2 ) 多机通信协议 通信协议是对数据传送方式的规定，它必须在编程之前确定下来。要想使通信双方 能够正确地交换信息和数据，在协议中对什么时候开始通信、什么时候结束通信、何时 交换信息等问题都必须做出明确的规定。只有双方都正确地识别并遵守这些规定才能顺 利地进行通信。要实现多机通信，必须预先设定主、从机之间的通信协议。多机通信协 议规定如下： 首先根据多机通信原理，经过试验，本课题确定了下位机的操作模式以及与其对应 的上位机的奇偶校验方式。参见表3 8 。 表3 8 奇偶校验 f i g 3 8c h e c ko fp a r i t y 大连理工大学专业学位硕士学位论文 试图握手时，所有从处理器均处于工作方式2 ，主处理器发送地址帧，所有从处理 器均能正确接收。由图表可知：此时，上位机应采用n 校验，下位机工作于方式2 ( 无校验 位) ，s e _ c o n = o , o o ：从处理器( 下位机) 接到与自己匹配的地址帧后，将工作方式转换为 3 ，s p - c o n = o 。仉，上位机采用5 位校验。 在确定工作方式和奇偶校验的基础上，确定了通信协议： 开始握手时，所有从机处于工作方式2 ，只能接收地址帧：主机处于无校验( n 校验) 。 主机向从机发送一帧地址信息，其中包括8 位地址，且第9 位为l ，表示发送的是地址， 中断所有从机。并将奇偶校验转换为空校验( s 校验) 从机接收。 从机接收到地址后，判断主机发送的地址是否为本机地址，若是，则转换为工作方 式3 ，进入正式通信状态，把本机的地址发送回主机作为应答信号，然后开始准各接收 主机发来的命令信息。其它从机由于地址不符，仍保持工作方式2 不变，不与主机通信。 主机接收从机发回的应答地址信号后，与其发送的地址信息进行比较，如果相符， 则表明握手成功，开始发送命令，进行通信：如果不符，则明握手失败，返回初始化状 态，将下位机工作方式转化为2 。 通信的各机之间必须以相同的帧格式及波特率进行通信。 通信的各机之间约定了一系列命令字。本系统使用的命令字如表3 8 所示。 在本系统中数据采集和控制工作采用主从式管理，上位机是主机，下位机是从机。 主、从机之间采用定时轮询方式进行通信，从机之间不能互相通信。通信 过程中，从机处于被动状态。 下位机系统始终处于从态，上位机为主态。任何一次通信总是由上位机发起。 从机在确认本次通信是针对自己后，将分机号发往主机，以通知主机自己已经准 备接收命令或数据了。如果主机长时间接不到这种应答信号，会再发两次该从机的地址 帧，如仍收不到应答信号，将认定出现错误，显示系统出错信息，并转去进行与其它从 机的通信。 当上位机发出的俞令是要求从机回送一批数据时，该从机将组织好要发的一批数 据，并启动发送程序。为了不造成发、接双方的时限偏差，这批数据必须一次发完才退 出本次中断，而主机直到接收完这一批数据后，才进行其它工作。着主机花费很长时间 还没有接收完这批数据，或者接收数据出错，则请求重发数据包。若连续三次接收不正 确，则转去与下一个从机进通信。 集散式多点数字温控系统应用研究 下位机接收或发送数据完全处于中断工作方式，根据上位机发送的令来判断是接 收还是发送数据。在中断程序中，用结束字符来判断数据接或发送是否完毕。接收或发 送完所有数据时，中断返回，准备进行下一次据的传送。 系统命令字参见表3 9 。 表3 9 系统命令字 t a b ，3 9c o m m a n d so fs y s t e m 附注：每次的相应应答信号均为原发命令信号，每个数据块结尾都有结束标志( o f h ) 上传历史数据最高位是判断位，必须是1 ，低7 位表示所要求的天数。 3 5 系统温度控制电路的设计 系统温度控制电路包括加热控制和降温控制两方面，其二者基本原理是相同的其电 路如图3 9 所示。 其中的继电器控制加热或降温片工作，处于常开状态。具有灵敏度高，环境适应性 好电磁辐射干扰小，可靠性高和寿命长等优点，且已实现了低输出接触电阻和甚小的输 出漏电流，特别适用于使用微电路和计算机的自动控制装置和系统。 当单片机的p 1 6 臼有一个低电平时，使d 4 导通并发光，产生光电耦合，q 4 有电流 流过，d 3 导通，从而使继电器产生磁性使开关导通，系统开始进行降温控制。 加热控制与降温控制相类似，只是此时p 1 7 口是低电平。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图3 9 温度控制电路原理 f i g 3 9d i a g r m no ft e m p e r a t u r ec o n t r o l 3 6 报警电路的设计 当电路遇到短路，电压过高，温度过高时，三极管导通，有电流流过，蜂鸣器发出 滴滴的报警声。相应的继电器动作( 开闸或和闸) 。电路如图3 1 0 。 图3 1 0 报警电路原理图 f i g 3 1 0d i a g r a mo fa l a r mc i r c u i t 一2 5 集散式多点数字温控系统应用研究 当单片机的p 1 5 口处于高电平时，q l 导通，有电流产生，并对电容c