集测量显示警报和远传通信等多项功能于一体的集散式电力电缆接头温度监测系统设计毕业论文.doc

目 录 1 绪论 1 1 1 课题的提出 1 1 2 目前常用的电缆温度监测方法 2 1 2 1 感温电缆式测温系统 2 1 2 2 热敏电阻式测温系统 2 1 2 3 光纤分布式温度监测系统 2 1 3 课题的内容 3 2 系统的总体设计 4 2 1 系统的总体设计思想 4 2 2 方案论证与选择 5 3 系统器件选择 7 3 1 选择单片机 7 3 2 选择温度传感器 10 3 2 1 DS18B20 的简单介绍 10 3 2 2 单总线技术 10 3 2 3 DSISB2O 内部结构 12 3 2 4 DSISB2O 测温原理 14 3 2 5 DSISB2O 温度的转化 14 3 2 6 DSISB2O 的工作过程 16 3 3 报警模块器件选择 18 3 4 显示模块器件选择 20 3 5 单片机与主机的接口模块器件选择 23 4 系统的硬件设计 25 4 1 系统的整体结构 25 4 2 单片机最小系统设计 25 4 3 DSISB2O 的接口电路 26 4 4 电源电路 26 4 5 显示电路 28 4 6 串口通讯电路 28 4 7 报警电路 30 4 8 按键电路设计 30 5 系统的软件设计 31 5 1 概述 31 5 2 主程序模块 31 5 2 1 主程序设计 31 5 3 各模块流程设计 32 5 3 1 温度检测流程 32 5 3 2 报警模块流程 33 5 3 3 按键扫描程序流程图 34 5 3 4 串口通信程序流程 34 5 3 5 中断服务程序流程 35 6 结论 36 谢辞 37 参考文献 38 附录 1 程序清单 39 附录 2 原理图 47 附录 3 仿真图 48 附录 4 PCB 图 49 1 绪论 1 1 课题的提出 电缆在日常生产 生活中随处可见 在电厂 工厂 实验室通常将大量的电缆集 中敷设在电缆沟内 以方便布线 维护 美观 随着人们对电的依赖的增长 电缆沟 里的电缆越来越多 电缆沟越来越长 其火灾事故的发生几率也相应增加 电缆一旦 发生火灾 将造成大面积电缆烧损 短时间内无法恢复生产 经济损失重大 因此 电缆的安全保护已成为不可忽视的问题 国内 据有关资料统计 在 1975 1985 年间 因电缆着火造成的重大事故发生 60 起 造成直接和间接损失达 50 亿元 在 1986 1992 7 年间 仅我国火电厂发生电缆 火灾 75 次 其中有 24 个电厂发生过两次及以上电缆火灾事故 个别电厂达 4 6 次 70 以上的电缆火灾所造成的损失非常严重 其中 2 5 的火灾事故造成特大损失 近 几年 因电线电缆发生的火灾事故更是屡见不鲜 1999 年牡丹江第二发电厂因电缆沟 火灾 导致全厂停电 直接 间接损失达千万元 2000 年北京高能物理所的正负电子 对撞机监视机房因电缆沟起火被迫停机 严重影响了科研工作的进行 2001 年上海供 电局因电缆接头过热引起电缆隧道火灾 大面积电缆被烧损 导致市区大面积停电事 故 国外 美国在 1965 1975 年统计的 3285 次电气火灾事故中 电线电缆火灾事故就 占 30 5 直接损失约 4000 万美元 日本曾对电力 钢铁 石油化学 造纸等工厂企 业调查 有 78 的单位发生过电缆着火 其中危害程度较大的事故占 40 通过多次事故分析发现 电缆沟内火灾发生的主要原因是由于动力电缆中间接头 制作质量不良所造成的 或压接不紧 或焊接不牢 或连接不好 或接头材料选择不 当 或受到损伤 造成运行中接头氧化 脱焊 局部发热或炸裂导致着火 而电缆中 间接头质量的好坏 只能在运行中发现 运行时间越长越容易发生过热烧穿事故 从 电缆接头过热到事故的发生 其发展速度比较缓慢 时间较长 同时 电力电缆敷设 距离长 走向复杂 采取运行人员定期巡视的方法 巡视间隔 巡视的准确性等方面 都存在很多问题 实际经验和理论分析均表明 电缆接头处发生的各类故障不是一个突发过程 通 常因为温度不断升高 使绝缘逐步老化 泄漏电流逐步增加 到达一定程序后再发生 击穿 是一个由量变到质变的过程 因而 连续监测电缆接头温度的变化 就可以全 面地了解其工作状况 根据情况适时进行停电检修 特别当发现某个接头温度过高 超 过预先设定值 或变化过快时 说明此处的绝缘已比较薄弱 继续运行可能引发严重故 障 此时及时发出报警信号 通知值班人员及时处理 可以有效地避免严重故障的发 生 确保系统安全 可靠地工作 本文根据电缆接头的运行特点和要求 设计出了集测量 显示 报警和远传通信 等多项功能于一体的集散式电力电缆接头温度监测系统 本次设计了一个基于分布式 温度传感器的 3 路循环监测系统 如今 该分布式温度传感器不仅在电力工业上应用 同时还在煤矿 森林火灾 高层建筑 航空 航天飞行器等有着重要的应用前景 本 系统使用美国 Dallas 半导体公司新一代数字式温度传感器 DS18B20 它具有独特的单 总线接口方式 即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器 从而使测 温装置与各传感器的接口变得十分简单 克服了模拟式传感器与微机接口时的 A D 转 换以及其它复杂的外围电路的缺点 本设计以 AT89S52 单片机为控制核心 提出基于 DS18B20 的分布式温度系统 3 个 传感器通过单总线与单片机相连形成分布系统 单片机通过实时监控温度变化 通过 LCD1602 显示各节点的温度数值 当温度超过允许范围时 蜂鸣器报警 从而远程实现 整个温度的管理和控制 这种分布式温度测量系统具有成本低廉 传感精度高 系统 稳定 易于管理等优点 1 2 目前常用的电缆温度监测方法 电缆温度检测技术在国内外已经发展了很多年 但是均采用有线连接的方式 现 场已有许多产品在使用 目前常用的电缆温度监测方法包括 感温电缆式测温系统 热敏电阻测温系统和光纤分布式温度监测系统等 1 2 1 感温电缆式测温系统 将感温电缆与电缆平行安放 当电缆温度超过固定温度值时 感温电缆被短路 系统仅能一次使用 不能测出电缆的实际温度值 由于电缆数量多 系统安装及维护 工作不够方便 设备易损坏 不能进行早期故障预测 不能实时显示测量值 无温度 趋势分析 1 2 2 热敏电阻式测温系统 可以显示温度值 但都是模拟量输出 需要进行信号的放大和 A D 转换 方能被 单片机接收 每一个热敏电阻的温度值都需要经过上述环节进入系统 都需要独立的 接线 布线 一个电缆沟通常需要测试少则几十个点 多则几百个点 需要成百上千 条信号线 如果要增加测试路数 那么必定要增加放大器和 A D 转换器的个数 接线 将十分复杂 它们的准确性易受环境 接线 放大等因素的影响 因而误差大 同时 系统环节多 维护量大 传感器不具备自检功能 需要经常校验 因此不常采用 1 2 3 光纤分布式温度监测系统 利用 1 根光纤充当分布式温度传感器 能测量数千个独立的测量点的温度 通过 分析在光纤中传输的激光脉冲产生的拉曼 Raman 后向散射光信号来完成对温度的测量 最新的使用多模光纤的分布式温度测量系统 允许光纤长度达到 12km 分布式温度监 测系统为实现热点位定位 要求这种系统在安装时就能够确定热点的位置 依赖预先 测量和维护经验 同时 电力传输网中包含了数目巨大的电缆线路 其光纤线路总长 度也是一个不小的数字 除了上述几种监测方法外 还有一部分工厂不惜大量资金进行电缆沟的防火封堵 及普通消防报警装置 但是电缆沟火灾仍有发生 这些措施只能起到电缆着火后减轻 事故范围的作用 没有从根本上限制减少火灾的发生 因此 研究设计电力电缆火灾在线监测系统就是为了能够实时监测电力电缆的温 度变化 在温度越限或温升速度越限时能及时报警 并指出发热点位置 温度探头位 置 通知运行人员及时处理 从而保证运行安全 避免经济损失 这才是从根本上限 制电缆沟内火灾发生的有效可行的方法 1 3 课题的内容 本设计主要针对电缆的防火问题 阐述了一个完整的电缆温度在线监控系统的软 硬设计过程 本系统采用的是新型智能化温度传感器 DS18B20 能以数字形式直接输出 被测点温度值 测温误差小 分辨率高 抗干扰能力强 成本低 本系统设计了一个由数字化测温元件构成的温度检测报警系统 包括温度检测 温度显示 温度报警等部分 能实时监控电缆接头的温度变化 大体思路是通过温度 传感器测温经单片机送液晶显示 超过设置温度 蜂鸣器报警 主要设计内容如下 1 设计 3 个测温点 可以同时测量三个温度点 该系统可以扩充 2 测温采用专用的数字温度传感器巡回检测其温度 进行集中管理 3 单片机进行温度数据收集 通过液晶显示 4 设置允许最高温度 当大于这一温度时 蜂鸣器报警 点亮对应的发光二级管 6 程序采用 C 语言编写 实际应用中在每根电缆中间接头处安装一个温度传感器 传感器输出信号通过辅 助电缆传送至电缆接头较近的前置测量单元 根据电缆接头埋地分布情况的不同 每 个前置单元可与 8 48 个传感器连接 前置单元的监测处理结果就可以显示打印 越 限报警 也可以通过 RS 232 或其他类型的通信网络传输至安装在主控室或调度中心的 监测主机 该主机还可以通过局域网或 Internet 网与其它计算机相连 使有关人员均 能够通过网络了解整个系统监测电缆接头的工作状况 2 系统的总体设计 在本章中将进行系统的总体方案设计 以便在后续的章节中选择合适的单片机 温度传感器 显示器件及外围部件 完成具体的硬件设计 在总体设计方案中 应考 虑以下几点 l 系统能方便 直观 有效的监控电缆温度变化 2 系统必须能够实时采集电缆接头处的温度值 并且迅速处理 3 系统能够将数据处理结果显示给用户 还要能够存储结果 以方便以后对比研 究 4 系统的经济性 可靠性要求 5 测温点多 要易于扩充 6 操作和维护方便 2 1 系统的总体设计思想 根据生产现场实际 电力电缆火灾在线监测系统设计成分散测量 集中监视的系 统结构 本次设计的是一个数字温度测量及控制系统 能测电缆的温度 并能在超限 的情况下进行控制 调整 并报警以保证环境在限定的温度中 设计包括软件设计和 硬件设计两方面 软件设计包括单片机控制程序和串口通信的实现程序 硬件上主要 由以下五部分组成 1 核心控制器 采用单片机 2 温度采集模块 采用 DS18B20 温度传感器 3 温度显示模块 采用 LCD1602 液晶显示器 4 温度报警模块 采用蜂鸣器 5 串口通信模块 采用 MAX232 系统框图如图 2 1 图 2 1 系统框图 该系统的设计思路如下 温度传感器 DS18B20 将所测的温度发送到 AT89S52 单片 机上 经过单片机的处理 再将所测温度一方面送液晶显示 另一方面通过 MAX232 串 口送 PC 机显示 此外当温度发生变化 超过设定的越限值时 触发了报警条件 单片 机启动报警 2 2 方案论证与选择 设计方案的不同将直接决定硬件的繁简程度 从而确定软件的不同编写思路 电 力电缆温度在线监测 它是一个数字温度控制系统巡回检测 实时监测系统 能测量 温度并能在超限的情况下报警 在设计时应考虑以下两个方面 1 应保证前向的温度传感电路的精确度 灵敏度 2 系统本身要具备一定的抗干扰能力 应在硬件和软件上引入各种抗干扰措施 以增强它的稳定性和准确性 对于本设计所涉及到的上述几个部分 其中硬件上温度采集 控制处理 显示 报警等部分的方案已比较成熟 关键在于软件设计上 功能应强大 应寻找尽可能简 单完整的设计思路 保证程序易于修改 调试 对于温度采样和测试部分 有以下几 种方案可供选择 第一种方案 采用热电偶温差电路测温 温度检测部分可以使用低温热电偶 热 电偶由两个焊接在一起的金属导线组成 热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势 和单一导体的温差电势组成 通过参考结点保持在已知温度并测量该电压 便可推断 出检测结点的温度 数据采集部分采用带有 A D 通道的单片机 再将随被测温度变化 的电压或电流信号采集过来 这样得到的多路采样信号经放大器 多路模拟开关及 A D 转换电路 由单片机控制多通道 A D 转换 分时对电压或电流信号进行循环采样和 A D 转换后 就可以用单片机进行数据处理 显示在电路上 即可将被测温度显示出来 这种方案是单片机处理非电信号的传统方法 该方案优点 热电偶的测温范围非常宽 体积小 选用合适的测温元件可以检测 200 3000 的温度 该方案缺点 存在着输出电压小 容易遭受外来导线环路的噪声影响以及漂移较 高 这种设计单片机外电路复杂 因为多路温度需要多个模拟开关 不管是通用的并 行 串行总线 还是专用总线 其传送数据的信号线总是多根的 这样系统连线非常 复杂 并且需要额外的接口芯片 其成本也高 另一方面 A D 转换器要占用多个 I O 口向单片机输入多位的数字量 这无疑使得有限的 I O 口在设计时显得较为局促 软 件工作量大 且功耗也较大 线路上传送的是模拟信号 易受干扰和损耗 这种方案 的性能价格比较低 第二种方案 使用在温度测控领域中有广泛应用的二端式半导体集成温度传感器 AD590 LM35等 将采集到的电流信号经多路A D转换器送入单片机 由单片机控制数 据的采集和转换 以AD590为例 它的测温范围为 55 l50 工作电压为 4 30V 传统的多点温度检测系统大都采用模拟温度传感器 如AD590 一般经前 端放大 A D转换和数据修正等过程 该方案的优点是 有较高的抗干扰能力 适用于计算机进行远距离温度测量和控 制 远距离信号传递时 可采用一般的双绞线来完成 其电阻比较大 因此不需要精 密电源对其供电 长导线上的压降一般不影响测量精度 不需要温度补偿和专门的线 性电路 该方案的缺点是 经实践应用发现 传统电路设计上存在电源干扰 滤波不可靠 线路过于复杂 无屏蔽措施等不可靠因素 同时它仍然具有单片机处理多个模拟信号 的缺点 电路连线复杂 软件工作量大 功耗大 需要占用较多的I O口线 第三种方案 随着传感器技术的发展 己经出现了先进的数字式温度传感器 选 用先进的单总线数字式温度传感器DS18B20 可将温度直接转化为串行数字信号直接送 入单片机进行处理及控制 且该芯片的物理化学性很稳定 用它做测温元件 线性好 在0 100 时 最大线性偏差小于1 这种方案中的温度传感器的最大特点之一就是 兼有测温和A D转换的功能 该方案的优点是 采用单总线的数据输出 输出值是数字信号 所以不必使用A D 转换器和相关的接口芯片 能够直接进入单片机进行数字处理 这样测温系统的结构 就比较简单 体积也不大 同时采用51单片机来控制 软件编程自由度大 可通过编 程实现各种各样的算法和逻辑控制 硬件实现简单 安装方便 单总线上可以挂多片 DS18B20 单片机只需一根端口线就能与多片DS18B20进行通信 具有较好的线性关系 较强的抗干扰能力 可靠性高 线路简单 测量精度高 功能便于扩展等优点 同以 上两种方案相比较有明显的优势和极其广泛的开发前景 该方案的缺点是 测温范围较小 一般在 55 125 之间 由于本课题的测温范围在常温区 比较以上三种方案的优缺点 综合考虑测温电 路的简单 系统的精确度 抗干扰能力 实现方便以及软件设计简单等方面的因素 本次设计选用第三种方案最适合 3 系统器件选择 3 1 选择单片机 本设计选用 AT89S52 单片机 AT89S52 8 位单片机是 MCS 51 系列产品的升级 由 世界著名半导体公司 Atmel 在购买 MCS 51 设计结构之后 利用自身优势 掉电不丢数 据 闪存生产技术对旧技术进行改进和扩展 同时使用新的半导体生产工艺 最终得到 成型产品 AT89S52 是一种低功耗 高性能 CMOS 8 位控制器 具有 8K 在系统可编程 Flash 存 储器 使用 Atmel 公司高精度非易失性存储器技术制造 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 AT89S52 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 3 个 16 位定时 器 计数器 1 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 掉电保护模式下 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 根据不同场合的要求 这款单片机提供了多种封装 本次设计使用双列直插 DIP 40 的 封装 引脚图如 3 1 所示 图 3 1 AT89S52 引脚结构图 AT89S52 的主要特性是 1 与 MCS 51 单片机产品兼容 2 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器 3 1000 次擦写周期 4 全静态操作 0Hz 33Hz 5 三级加密程序存储器 6 32 个可编程 I O 口线 7 三个 16 位定时器 计数器 8 八个中断源 9 全双工 UART 串行通道 10 低功耗空闲和掉电模式 11 掉电后中断可唤醒 12 看门狗定时器 13 双数据指针 14 掉电标识符 AT89S52 引脚功能描述 1 P0 口 P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I O 口 作为输出口 每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平 对 P0 端口写 1 时 引脚用作高阻抗输入 当访问外部程序和数 据存储器时 P0 口也被作为低 8 位地址 数据复用 在这种模式下 P0 具有内部上拉 电阻 在 flash 编程时 P0 口也用来接收指令字节 在程序校验时 输出指令字节 程序校验时 需要外部上拉电阻 2 P1 口 P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 p1 输出缓冲器能驱 动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P1 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作 为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电 流 IIL 此外 P1 0 和 P1 2 分别作定时器 计数器 2 的外部计数输入 P1 0 T2 和时 器 计数器 2 的触发输入 P1 1 T2EX 具体如下表所示 在 flash 编程和校验时 P1 口接收低 8 位地址字节 引脚号第二功能 P1 0 T2 定时器 计数器 T2 的外部计数输入 时钟输出 P1 1 T2EX 定时器 计数器 T2 的捕捉 重载触发信号和方向控制 P1 5 MOSI 在系统编程用 P1 6 MISO 在系统编程用 P1 7 SCK 在系统编程用 3 P2 口 P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 输出缓冲器能驱 动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P2 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作 为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电 流 IIL 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器 例如执行 MOVX DPTR 时 P2 口送出高八位地址 在这种应用中 P2 口使用很强的内部上拉发送 1 在使用 8 位地址 如 MOVX RI 访问外部数据存储器时 P2 口输出 P2 锁存器的内容 在 flash 编程和校验时 P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号 4 P3 口 P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 p2 输出缓冲器能驱 动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P3 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作 为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电 流 IIL P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能 第二功能 使用 如下表所示 在 flash 编程和校 验时 P3 口也接收一些控制信号 端口引脚 第二功能 P3 0RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INTO 外中断 0 P3 3 INT1 外中断 1 P3 4 TO 定时 计数器 0 P3 5 T1 定时 计数器 1 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 此外 P3 口还接收一些用于 FLASH 闪存编程和程序校验的控制信号 5 RST 复位输入 当振荡器工作时 RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将 是单片机复位 6 ALE PROG 当访问外部程序存储器或数据存储器时 ALE 地址锁存允许 输 出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节 一般情况下 ALE 仍以时钟振荡频率的 1 6 输出固 定的脉冲信号 因此它可对外输出时钟或用于定时目的 要注意的是 每当访问外部 数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲 对 FLASH 存储器编程期间 该引脚还用于输入编 程脉冲 PROG 如有必要 可通过对特殊功能寄存器 SFR 区中的 8EH 单元的 D0 位置 位 可禁止 ALE 操作 该位置位后 只有一条 MOVX 和 MOVC 指令才能将 ALE 激活 此 外 该引脚会被微弱拉高 单片机执行外部程序时 应设置 ALE 禁止位无效 7 PSEN 程序储存允许 PSEN 输出是外部程序存储器的读选通信号 当 AT89S52 由外部程序存储器取指令 或数据 时 每个机器周期两次 PSEN 有效 即输出 两个脉冲 在此期间 当访问外部数据存储器 将跳过两次 PSEN 信号 8 EA VPP 外部访问允许 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器 地址为 0000H FFFFH EA 端必须保持低电平 接地 需注意的是 如果加密位 LB1 被编程 复位时 内部会锁存 EA 端状态 如 EA 端为高电平 接 Vcc 端 CPU 则执行内部程序存储器的指令 FLASH 存储器 编程时 该引脚加上 12V 的编程允许电源 Vpp 当然这必须是该器件是使用 12V 编程 电压 Vpp 3 2 选择温度传感器 3 2 1 DS18B20 的简单介绍 1 最新单总线数字温度传感器 DS18B20 是一种新型的 一线器件 其体积更小 更适用于多种场合 且适用电压更宽 更经济 DALLAS 半导体公司的数字化温度传感 器 DS18B20 是世界上第一片支持 一线总线 接口的温度传感器 温度测量范围为 55 125 可编程为 9 位 12 位转换精度 测温分辨率可达 0 0625 摄氏度 分辨率 设定参数以及用户设定的报警温度存储在 EEPROM 中 掉电后依然保存 被测温度用符 号扩展的 16 位数字量方式串行输出 其工作电源既可以在远端引入 也可以采用寄生 电源方式产生 多个 DS18B20 可以并联到 3 根或 2 根线上 CPU 只需一根端口线就能与 诸多 DS18B20 通信 占用微处理器的端口较少 可节省大量的引线和逻辑电路 因此 用它来组成一个测温系统 线路简单 一根通信线 可以挂很多这样的数字温度计 十分方便 2 DALLAS 半导体公司提供了先进的数字式温度计 DS1820 系列 该系列采用了不 同的原理 利用温敏振荡器的频率随温度变化的关系 通过对振荡周期的计数来实现 温度测量 输出值是数字信号 所以不必使用 A D 转换器和相关的接口芯片 直接送 入单片机进行数字处理 为了扩大测温范围和提高分辨率 使用了低温系数振荡器和 一个高温系数振荡器分别进行计数 并采用了非线性累加器来改善线性 其中 DS18B20 是常用的温度传感器 它采用一根 I O 数据线传输数据和命令 售价低廉 是 DS1820 的改进型产品 现在 新一代的 DS1820 体积更小 更经济 更灵活 使你可以充 分发挥 一线总线 的长处 由于 DS18B20 将温度传感器 信号放大调理 A D 转换 接口全部集成于一芯片 与单片机连接简单 方便 与 AD590 相比是更新一代的温度传感器 所以温度传感器 采用 DS18B20 3 2 2 单总线技术 DS18B20 与单片机是单总线连接方式 在此介绍一下这种总线及其应用情况 单总线及相应的芯片是美国 DALLAS 半导体公司近年推出的新技术 是只有一个总 线命令者和一个或多个从者组成的计算机应用系统 它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 相当于把单片机的地址线 数据线 控制线 合为一根信号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 编制了惟一的序列号 通过寻址就能把芯片识别出来 这样做能使这些器件挂在一根 信号线上进行串行分时数据交换 大大简化了硬件电路 厂家对每个芯片用激光刻录的一个 64 位二进制 ROM 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 48 位是一个惟一的序列号 最后 8 位是前 56 位的 CRC 校验码 CRC Cyclic Redundancy Check 称为冗余码检测 是数据通信中校 验数据传输是否正确的一种方法 在使用时 总线命令者读入 ROM 中 64 位二进制码后 将前 56 位按 CRC 多项式计算出 CRC 值 然后与 ROM 中高 8 位的 CRC 值比较 若相同则 表明数据传送正确 否则要求重传 48 位序列号是一个 15 位的十进制编码 这么长的 编码完全可以为每个芯片编制出全世界唯一的号码 也称之为身份证号 可以被寻址 识别出来 此外 芯片内还含有收 发控制和电源存储电路 其示意图如图 3 2 所示 图 3 2 单总线芯片的入口示意图 系统按单总线协议规定的时序和信号波形进行初始化 识别器件和进行数据交换 单总线系统中配置的各种器件由美国 DALLAS 半导体公司提供的专用芯片来实现 这些 芯片采用 CMOS 技术 耗电量都很小 从单总线上 偷 一点电 空闲时几 pw 工作时 几 mw 存在芯片内电容中就可以正常工作了 故一般不用另附电源 单总线上通常处 于高电位 5V 左右 每个器件都能在需要时驱动它 因此 挂在总线上的每个器件必 须是漏极开路或者是三态输出 这样 不工作时不会给总线增加功耗 单总线技术作用距离在单片机直接驱动下可达 200m 经扩展可达 1000m 允许挂 上百个器件 能满足一般测控系统的要求 单总线的数据传输有两种模式 通常以 13 6kb s 的速率通信 超速可达 142kb s 因此只能用于速度不高的场合 一般用于 1Mb s 以下速率的测控或数据交换系统 图 3 3 单总线的时序波形图 程序必须保证数据的可靠传送 任一时刻单总线上只能有一个控制信号或数据 操作时一般有经下四个过程 初始化 传送 ROM 命令 传送 RAM 命令 数据 交换 单总线上所有处理都从初始化开始 初始化时序由总线命令者发出的复位脉冲和 一个或多个从者发出的应答脉冲组成 应答脉冲 是从者让总线命令者知道某器件是 在总线上 并准备工作 当总线命令者检测到某器件的存在 就会发出传送 ROM 功能 命令 其信号波形如图 3 3 所示 单总线命令者首先必须发送 7 个 ROM 功能命令中的一个命令 读 ROM 总线上只有一个器件时 匹配 ROM 总线上有多个器件时 寻址某个器件 查找 ROM 系统首次启动后 须识别总线上各器件 跳过 ROM 总线上只有一个器件时 可跳过读 ROM 命令直接向器件发送命令 以 节省时间 超速匹配 ROM 超速模式下寻址某个器件 超速跳过 ROM 超速模式下跳过读 ROM 命令 条件查找 ROM 只查找输入电压超过设置的报警门限值的某个器件 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 单总线传送数 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 每一种信号的波形参数 如脉冲上升时间 宽度和间隙等 都有所不同 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 以确保严格的时间关系 单 总线技术比传统的方案具有较高的性能价格比 具有以下特点 适用于低速测控场合 测控对象越多越显出其优越性 性价比高 硬件施工 维修方便 抗干扰性能好 具有 CRC 校验功能 可靠性高 软件设计规范 系统简明直观 易于掌握 3 2 3 DSISB2O 内部结构 DS18B20 是美国 DALLAS 公司推出的一种可组网数字式温度传感器 它体积小 电 压 图 3 4 DS18B20 的管脚图 适用范围宽 3V 5V 用户还可以通过编程实现 9 12 位的温度读数 即具有可调的温 度分辨率 因此它的实用性和可靠性比同类产品更高 其管脚图见图 3 4 图 3 4 中 GND 为地 DQ 为数据输入 出端 即单线总线 该脚为漏极开路输出 常 态下呈高电平 VDD 是外部 5V 电源端 不用时应接地 DS18B20 的内部主要包括寄生 电源 温度传感器 64 位激光 ROM 单线接口 存放中间数据的高速暂存器 内含便笺式 RAM 用于存储用户设定的温度上下限值的 TH 和 TL 触发器存储与控制逻辑 8 位循环 冗余校验码 CRC 发生器等 由图 3 4 可见 DS18B20 只有一个数据输入 出口 属于单总线专用芯片之一 DS18B20 工作时被测温度值直接以 单总线 的数字方式传输 大大提高了系统的抗干 扰能力 其内部采用在线温度测量技术 测量范围为 55 125 在 10 十 85 时 精度为土 0 5 每个 DS18B20 在出厂时都己具有唯一的 64 位序列号 因此 一条总线上可以同时挂接多 DS1SB2O 而不会出现混乱现象 DS18B20 主要有 4 部分组成 64 位 ROM 温度传感器 非易失性的温度报警触发器 TH 和 TL 及高速便笺式存储器 64 位 ROM 的结构如图 3 5 所示 其中 8bit 工厂代号为标识产品类型 48 位序列 号用来标识不同的探测器 图 3 5 64 为 ROM 结构 DS18B20 的内部存储结构如图 3 6 所示 图 3 6 DS18B20 的内部存储结构 3 2 4 DSISB2O 测温原理 DS18B20 的测温原理图如图 3 7 所示 他没有采用传统的 A D 转换原理 如逐次逼 近法 双积分法和算术 AID 等 而是运用了一种将温度直接转换为频率的时钟计数法 图 3 7 DS18B20 的测温原理图 图 3 7 中低温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 高温系数振荡器温度变化随其振荡频率明显改变 所产生的信 号为减法计数器 2 的脉冲输入 计数器 1 和温度寄存器被预置在 55 所对应的基数值 计数器 1 对低温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 1 的预置值将被重新装入 计数器 1 从新开始 对低温度系数振荡器产生脉冲信号进行计数 如此循环 直到计数器 2 计数到 0 时 停止温度寄存器的值的累加 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 5 DSISB2O 温度的转化 DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量 以 12 位转化为例 用 16 位符号扩 展的二进制补码读数形式提供 以 0 0625 LSB 形式表达 其中 S 为符号位 温度转 化如图 3 8 所示 图 3 8 温度转化 这是 12 位转化后得到的 12 位数据 存储在 18B20 的两个 8bit 的 RAM 中 二进制 前面的 5 位是符号位 如果测得的温度大于 0 这 5 位为 0 只要将侧到的数值乘以 0 0625 即可得到实际温度 如果温度小于 0 这 5 位为 1 测到的数值取反加 1 再乘以 0 0625 即可得到实际温度 一般情况下的温度值应为 9 位 符号占 1 位 到 13 位 但因 符号位扩展成高位 故以 16 位补码形式读出 温度 数字对应关系如表 3 1 所示 表 3 1 温度与数字量的关系 温度 输出的二进制码对应的十六进制码 1250000 0111 1101 000007D0H 850000 0101 0101 00000550H 25 06250000 0001 1001 00010191H 10 1250000 0000 1010 001000A2H 0 50000 0000 0000 10000008H 00000 0000 0000 00000000H 0 51111 1111 1111 1000FFF8H 10 1251111 1111 0101 1110FF5EH 25 06251111 1110 0110 1111FF6FH 551111 1100 1001 0000FC90H DS18B20 温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存的 RAM 和一个非易失性电可擦 除 EERAM 后者存放高温度和低温度触发器 TH TL 和结构存储器 暂存存储器包含 8 个连续字节 前两个字节表示测得的温度信息 第一个字节的内容是温度的低八位 第二个字节是温度的高八位 第三个和第四个字节是 TH TL 的易失性拷贝 第五个字 节是结构寄存器的易失性拷贝 主要用于确定温度值的数字转化分辨率 字节结构如 图 3 9 所示 图 3 9 第五字节结构 低五位一直都是 1 其中 TM 为测试模式位 用于设置 DS18B20 在工作模式还是测 试模式 当 TM 1 时 寄存器处于测试模式 当 TM 0 时 寄存器处于工作模式 在 DS18B20 出厂时该位被设置为 0 用户不要去改动 R1 和 R0 用来设置分辨率 如表 3 2 所示 DS18B20 出厂时被设置为 12 位 表 3 2 分辨率关系表 R1R0 分辨率温度最大转换时间 00 9 位 93 75ms 01 10 位 187 5ms 10 11 位 375ms 11 12 位 750ms 第三 四 五 这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新 第六 七 八个 字节用于内部计算 第九个字节是冗余检验字节 寄存器分布表如表 3 3 所示 表 3 3 DS18B20 暂存器的分布表 寄存器内容字节地址 温度最低数字位0 温度最高数字位1 高温限值2 低温限值3 保留4 保留5 计算剩余值6 每度计算值7 CRC 校验8 DS18B20 的工作遵循严格的单总线协议 主机控制 DS18B20 完成温度的转换必须经 过三个步骤 每一次读写之前都要对 DS18B20 复位 复位成功后发送一条 ROM 指令 最后发送一条 RAM 指令 这样才可以对 DS18B20 进行预订的操作 复位要求主 CPU 将 数据线拉低 500 微秒 然后释放 DS18B20 收到信号后等待 16 60 微秒左右后发出 60 240 微秒的存在低脉冲 主 CPU 收到此信号表示复位成功 3 2 6 DSISB2O 的工作过程 在 DS18B20 接入系统之前 应分别从 ROM 中读出其序列号 然后分别赋予在系统 中的编号 1 N 单片机首先发出一复位脉冲 是信号线上所有的 DS18B20 芯片都被复 位 然后从器件 DS18B20 回送一存在脉冲 告知主机已经准备就绪 主机检测到存在 脉冲就发出一个 ROM 操作命令 使序列号编码匹配的 DS18B20 被激活 准备接收下面 的内存访问命令 其中包括符合 ROM 跳过 ROM 告警搜索等 内存访问命令控制 DS18B20 的工作状态 完成温度转换 存储 读取等一系列工作 工作中系统对 DS18B20 的操作以 ROM 命令和存储器命令形式出现 其中 ROM 操作 命令均为 8 位长 命令代码分别为 ROM 命令代码及其含义如下 1 EADROM 命令代码 33H 如果只有一片 DS18B20 可用此命令读出其序列号 若在线 DS18B20 多于一个 将发生冲突 2 MATCHROM 命令代码 55H 多个 DS18B2O 在线时 可用此命令匹配一个给定序 列号的 DS18B20 此后的命令就针对该 DS18B20 3 SKIPROM 命令代码 CCH 此命令执行后的存储器操作将针对在线的所有 DS18B20 4 SEARCHRDH 命令代码 FOH 用以读出在线的 DS18B20 的序列号 5 ALARMSEARCH 命令代码 ECH 当温度值高于 TH 或低于 TL 中的数值时 此命令 可以读出报警的 DS18B20 存储器操作命令代码及其含义如下 1 WRITESCRATCHPAD 命令代码 4EH 写两个字节的数据到温度寄存器 2 READSCRATCHPAD 命令代码 BEH 读取温度寄存器的温度值 3 COPYSCRATCHPAD 命令代码 48H 将温度寄存器的数值拷贝到 EERAM 中 保证 温度值不丢失 4 CONVERT 命令代码 44H 启动在线 DS18B20 做温度 A D 转换 5 RECALLEE 命令代码 B8H 将 EERAM 中的数值拷贝到温度寄存器中 6 READPOWERSUPPLY 命令代码 B4H 在本命令送到 DS18B20 之后的每一个读数据 间隙 指出电源模式 0 为寄生电源 1 为外部电源 用户通过单总线对 DS18B20 进行操作 其顺序如下 复位 ROM 功能命令 存储器功能命令 执行 数据 它的 ROM 命令有上述 5 个 存储器的命令有上述的 6 个 所有的 DS18B2O 命令的 组成都是由复位 多个读时隙 写时隙等基本时序单元组成 复位 DS18B2O 使用前需将其复位 然后才能执行其它命令 复位时 主机将数 据线激发为低电平并保持 480us 然后释放数据线 再由上拉电阻将数据线拉升 15 60us 然后由 DS18B2O 发出响应信号将数据线激发为低电平 60 240us 完成操作 时序如图 3 10 所示 图 3 10 复位时序 写时隙 在主机对 DS18B20 写数据时 主机对其发送各种命令时 先将数据线 激发为低电平 该低电平应大于 1us 然后根据写 1 或写 0 来使数据线变高或继续为低 DS18B2O 将于数据线变成低电平后 15 60us 对数据线进行采样 要求写入 DS18B2O 的数据持续时间应大于 6Ous 而小于 120us 两次写数据的时间间隔应大于 10us 时序 如图 3 11 所示 图 3 11 写时序图 读时隙 当主机从 DS18B2O 读数据时 主机先使数据线激发出低电平 然后释 放以使数据线再升为高电平 DS18B20 在数据线从高电平变为低电平的 15us 内 将数 据送到数据线上 主机可在 15us 后读取数据线以获得为数据 时序图如图 3 12 所示 图 3 12 读时序图 3 3 报警模块器件选择 本设计从经济性 电路结构性 系统性等各方面考虑选择了蜂鸣器 因为它比扬 声器使用起来更简单 只要按照极性要求加上合适的直流电压 就可以发出固有频率 的声音 所以报警器就用有源蜂鸣器配合三极管来代替 1 蜂鸣器的基本的介绍 蜂鸣器的作用 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器 采用直流电压供电 广泛用于计算机 打印机 复印机 报警器 电子玩具 汽车电子设备 电话机 定 时器等电子产品中做发声器件 蜂鸣器的分类 蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型 蜂鸣器的电路图形符号 蜂鸣器在电路中用字母 H 和 HA 旧标准用 FM LB JD 等 表示 2 蜂鸣器的结构原理 压电式蜂鸣器 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器 压电蜂鸣片 阻抗匹配器及 共鸣箱 外壳等组成 有的压电蜂鸣器外壳上还装有发光二极管 多谐振荡器由晶体 管或集成电路构成 当接通电源后 1 5 15V 直流工作电压 多谐振荡器起振 输出 1 5 2 5HZ 的音频信号 阻抗匹配器声 压电蜂鸣片有锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷 材料制成 在陶瓷片的两面上镀上银电极 经极化和老化处理后 再与黄铜片或不锈 钢片粘在一起 电磁式蜂鸣器 电磁式蜂鸣器由振荡器 电磁线圈 磁铁 振动膜片及外壳组成 接通电源后 振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈 使电磁线圈产生磁场 振动 膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下 周期性地振动发声 2 蜂鸣器的两大主要类型 为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器 现在市场上出售的一种 小型蜂鸣器因其体积小 直径只有 11mm 重量轻 价格低 结构牢靠 而广泛应用在 各种需要发声的电气设备 电子制作和单片机等电路中 在外观上两种蜂鸣器好像一 样 但仔细看 两者是略有区别 有源蜂鸣器高度为 9mm 而无源蜂鸣器高度为 8mm 当两种蜂鸣器的引脚都朝上放置时 可以看出有绿色电路板的一种是无源蜂鸣器 没 有电路板而用黑胶封闭的一种是有源蜂鸣器 进一步判断有源蜂鸣器和无源蜂鸣器 还可以用万用表电阻档 Rxl 测试 用黑表笔接蜂鸣器的 引脚 红表笔在另一引脚 上来回碰触 如果触发出咔 咔声的且电阻只有 8 或 16 的是无源蜂鸣器 如果 能发出持续声音的且电阻在几百欧以上的是有源蜂鸣器 实物图如图 3 13 所示 图 3 13 蜂鸣器的实物图 有源蜂鸣器直接接上额定电源 新的蜂鸣器在标签上都有标注 就可连续发声 而 无源蜂鸣器则和电磁扬声器一样 需要接在音频输出电路中才能发声 由于自激蜂鸣器是直流电压驱动的 不需要利用交流信号进行驱动 只需对驱动 口输出驱动电平并通过三极管放大驱动电流就能使蜂鸣器发出声音 单片机驱动它激 蜂鸣器的方式有两种 一种是 PWM 输出口直接驱动 另一种是利用 I O 口定时翻转电 平产生驱动波形对蜂鸣器进行驱动 PWM 输出口直接驱动是利用 PWM 输出口本身可以输 出一定的方波来直接驱动蜂鸣器 在单片机的软件设置中有几个系统寄存器是用来设 置 PWM 口的输出的 可以设置占空比 周期等等 通过设置这些寄存器产生符合蜂鸣 器要求的频率的波形之后 只要打开 PWM 输出 PWM 的输出口就能输出该频率的方波 这个时候利用这个波形就可以驱动蜂鸣器了 比如频率为 20000HZ 的蜂鸣器的驱动 可以知道周期为 500 s 这样只需要把 PWM 的周期设置为 500 s 占空比电平设置为 250 s 就能产生一个频率为 2000HZ 的方波 通过这个方波再利用三极管就可以驱动 这个蜂鸣器了 而利用 I O 口定时翻转电平来产生驱动波形的方式会比较麻烦一点 必须利用定 时器来做定时 通过定时翻转电平来产生符合蜂鸣器要求的频率的波形 这个波形就 可以用来驱动蜂鸣器了 比如 25000HZ 的蜂鸣器驱动 可以知道周期为 400 s 这样 只需要驱动蜂鸣器的 I O 口每 200 s 翻转一次电平就可以产生一个频率为 2500HZ 占 空比为 1 2duty 的方波 再通过三极管放大就可以驱动这个蜂鸣器了 3 4 显示模块器件选择 本次设计中温度测量范围为 0 85 精度为 0 5 因此用 LCD1602 液晶 显示器就可以完成相关的显示功能 在日常生活中 我们对液晶显示器并不陌生 液晶显示模块已作为很多电子产品 的通用器件 如在计算器 万用表 电子表以及很多家用电子产品中都可以看到 显 示的主要是数字 专用符号和图形 液晶显示器的显示原理