【毕业学位论文】（Word原稿）基于1-Wire总线温度采集装置的设计与实现-嵌入式系统及应用

学校代号 10532 学 号 分 类 号 密 级 公开 工程 硕士学位论文 基于 1线 温度 采集 装置 的 设计与实现 学位申请人姓 名 培 养 单 位 电气与信息工程学院 导师姓名及职称 副 教授 高级工程师 学 科 专 业 电子与通信工程 研 究 方 向 嵌入式系统及应用 论文提交日期 2013 年 12 月 20 日 学校代 号 ： 10532 学 号 ： 级 ： 公开 湖南大学工程硕士学位论文 基于 1线温度 采集 装置 的 设计与实现 学位申请人姓 名 ： 导师姓名及职称 ： 副教授 高级工程师 培 养 单 位 ： 电气与信息工程学院 专 业 名 称 ： 电子与通信工程 论文提交日期 ： 2013 年 12 月 20 日 论文答辩日期 ： 2013、 12 答辩委员会主席 ： of 008 A in of in u 2013 基于 1线温度采集装置的设计与实现 I 湖 南 大 学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本系统的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密 ，在 _年解密后适用本授权书。 2、不保密 。 (请在以上相应方框内打 “”) 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 工程硕士学位论文 要 粮 仓 、集体农庄 等一些重要场地 的安全是关系到国计民生的 战 略大事 , 温度检测是其中最重要的一个环节， 国家每年都为此投入大量的人力和物力。由于 它们 通常 距离 一般都较 长 或 相 隔 的 位置相对分散 ,温度测试点较多 ,当 采用人工检测温度 时工作量极大 、 效率低下 、 监测时容易漏检 且 检测周期较长。随着科学技术的发展特别是现代电子技术的进步 ,近些年来有关 温度检测方面的智能化 设备 大量涌现 ， 本文给出了一种温度 检测 的设计方案。 该项目的整个系统包括 主机 系统和各监测点的 从机 监控终端两个部分。本论文主要讨论 监控终端 基于 1度 采集 装置 的开 发过程。 温度采集 装置 主要由 温度采集模块 、 主控 模块 、 上传 通信模块、显示模块 等 部分组成。主控制模块主要由高性能、超低功耗的 片机 完成 ,具有较高的性价比和很强的处理能力 。 温度 采集模块采用 1 约 I/O 资源 ,检测点可扩充性很强。并且 部集成了 A/D,可向 (数字信号 ),从而大大提高了传感器传输的距离和抗干扰能力。 上传 通信模块主要由 线及 端收发器组成 ，可 使集中 器 （主机） 与 主控模块 （从机） 进行数据 交互 。本装置 中 现场的 温度 数据经过传感器采集之后 ， 经 1线传输， 交由 主控模块 进行处理 ,处理后的数据由各监测点的显示系统实时的显示出来。并定时 通过 上传 通信模块 向 集中器 （主机）进行 通信 ,对所采集的 温度 数据进行集中上传 至上位机 。系统还设置有温度的上下限控制 ,当温度超限时自动发出报警提示。 本监控终端经现场实地测试 ,运行良好 ； 并具有通信可靠、投资少利于扩展等优点 。 检测精度较高 ,能很好的满足了产品设计的要求 。 并且具有很好的适应性 ,稍加改造也可应用于其他无线监控的场合 。 关 键词 ： 1线 ； 度传感器 ； 片机 ； 线 ；总线收发器 于 1线温度采集装置的设计与实现 or of is to to s a of is or a of of in in a of of of of is of is on ， be ， A/D CU is In 1 by in 程硕士学位论文 IV to to to on of of be to a be to 1us 于 1线温度采集装置的设计与实现 目 录 学位论文原创性声明 . I 学位论文版权使用授权书 . I 摘 要 . . 一章 绪论 . 1 究的 背景 . 1 究目的和意义 . 1 内外研究现状 . 2 种传统温度采集方法 . 3 文的组织结构 . 4 第二章 1线温度采集装置总体设计 . 5 通道温度在线监测系统概述 . 5 . 6 度采集模块 . 6 度传感器的选择 . 6 . 7 . 8 . 9 信总线的选择 . 9 . 10 端收发器 . 10 控模块 . 11 处理器的选择 . 11 . 13 示 及报警模块 . 13 示模块 . 13 警模块 . 14 章小结 . 14 第三章 1线温度采集装置硬件设计 . 15 . 15 度采集模块电路设计 . 16 . 16 . 17 度采集模块电路 . 19 口保护电路 . 20 控模块电路设计 . 21 片机的引脚及功能 . 21 4. 22 控模块电路 . 23 传通信模块电路设计 . 24 . 24 . 26 传通信模块电路 . 27 工程硕士学位论文 . 27 码管接线方式 . 28 示电路 . 28 键及报警模块的设计 . 29 源电路 . 30 章小结 . 30 第四章 1线温度采集装置软件设计 . 31 . 31 件总体设计 . 35 统初始化软件设计 . 37 行口数据收发测试 . 37 行口设置 . 37 度数据采集软件设计 . 38 传通信软件设计 . 42 示软件设计 . 44 章小结 . 46 第五章 仿真与测试 . 47 口通信功能测试 . 47 度数据采集功能测试 . 53 章小结 . 55 总结与展望 . 56 致 谢 . 57 参考文献 . 58 附录 A 电路图 (1) . 59 附录 B 电路图 (2) . 60 附录 C 攻读学位期间 所发表的学术论文目录 . 61 基于 1线温度采集装置的设计与实现 1 第一章 究 的背景 随 人们的日常生活、工业制造、制冷等领域，温度作为当前环境的重要因素之一，被人们广泛的作为参考因素来使用， 从而保证各项工作的正常运行，如火灾报警、温室或 集体农庄 中温度的实时监测、冷库温度的调节等，因此以温度参数为基础而设计的温度 控制系统被广泛开发和使用。 粮仓 、集体农庄 等一些重要场地 在长期运行后，往往由于有电流的涡流效应或某些部位老化 等 现象，如 果没有及时发现采取措施，将使温度将会快速增加，极易引起损坏或火灾等。 使用传统意义上的温度 电路 采集温度信息， 不但采集精度低，实时性差，而且操作人员的劳动强度高 ，不利于广泛的推广。此外由于环境因素导致的数据难以采集的问题， 特别是在工厂、 矿下及偏远地区 等现场，工作人员不能长时间停留在现场观察和采集温度，就需要实现能够将 温度 数据采集并将其传送到一个地方集中进行处理，以节省人力、提高效率，但这样就会出现 数据传输的问题，由于 测验点比较多 、需要传输数据多，使用传统方法容易造成资源浪费而且可操作性差，精度不高，这都在不同程 度上限制了工作的进行和展开。因此，高精度、低成 本 ，实时性好的温度控制系统 急需人们去开发。 市场决定技术，技术引导产品的开发，在这样的环境下，与温度控制相关的电子类产品的开发成为当今的研究热点。随 着单片机技术及 1线技术的日益成熟，应用范围的逐渐扩大。以单片机为核心、 以温度传感器 1线作为采集前端 的 温度 控制系统 ， 通过 线集中传递相关数据， 逐渐应用到生活中的很多方面，这不仅克服了温度控制系统中存在严重时延，节省了人力，提高了采样频率，而且在很大程度上提高了控制效果和 控制精度。 究 目的和意义 进入 21 世纪以来，温度 采集 系统已逐步走向复合型和智能化， 温度作为其中的重要参数，其测量的准确性 对提高系统的正确性 、实时性 是很重要的，研究和设计高性能的温度控制系统具有非常重要的意义 。 而其中最重要的组成 器件为 单片机及 1线 ，它们的性能出在直接影响到了采集温度数据的精度和 传输数据的 时效性。 现如今， 单片机 正迅速朝着高精度、高可靠性及安全性等高科技的方向发展，提高温度传感器测温精度和分辨力 及 1线技术的标准化与规范化，增强其可靠性及安全性设计，以成为 当前要解决的主要问题。 工程硕士学位论文 2 本论文根据控制要求 开发出基于 1线温度采集 装置 。采用本套 装置 ，能够实现以较低的投资，较少的 监控 人员，实现简洁、有效、定时、准确的跟踪 电线电缆温度 的运行状态，从而也替代繁杂、低效的 监控 工作。这对提高 电线电缆的安全性、可靠性、经济性 是极其重要的 。 内外研究现状 温度控制，在自动化控制中占有非常重要的地位。 单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。随着科学技术的迅猛发展，各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳定性与自适应能力的要 求越来越高， 被控对象或过程的非线性、时变性、多参数点的强烈 耗合、较大的随机扰动、各种不确定性以及现场测试手段不完善等，使得难以 按数学方法建立被控对象的精确模型得以解决。 随着电子技术的日趋成熟，电子类产品的开发成为当今的研究热点。电子技术以及应用需求的发展使得单片机技术也得到了迅速的发展，在高集成度、高速度、低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。以单片机为核心的控制系统被广泛使用，现代自动控制越来越朝着自动化、智能化发展，在很多自动控制系统中都用到了工控机、小型机、甚至是巨型处理机。 然而其运行速度快，内存需 求大，数据存储器容量大的要求使得它的开发维护成本很高 。 在很多的小型系统中，用成本低廉的单片机控制小型的 ， 不需要大量 复杂运算的系统是非常合适的。 伴随着科学技术的发展，电子技术有了更高的飞跃，我们现在完全可以运用单片机对某 点 进行温度检测 与控制 ，而且可以很容易地做到多 通道 的温度检测 与控制 ，片机 是 宏晶科技 公司 推向市场的一 款 具有 宽电压 、超低功耗 、速度快 的单片机，自问世 起 ，由于它的各项优点，成为许多电子产品设计的不二选择，超低功耗不仅延长了设备电池的使用时间，降低了企业成本，同时并辟了全新的 服务，为消费者带来丰富的节能选择。 不仅如此，随着“信息时代”的到来，传感器技术得到了显著的提高，应有领域越来越广泛，对其要求出 出越来越高，需求越来越迫切。传感器技术 已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。 由于传感器能将各种信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制等操作，但是它们都不同程度的存在温漂和非线性等不足，因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器只有经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制要求，而且只有通过对传感器 应用实例的原理和 智能传感器实例的分析了解，才能 将传感器与信息通信基于 1线温度采集装置的设计与实现 3 和信息处理结合起来，才能适应传感器的生产、研制、开发和应用；另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都在为了 改革生产力、提高功效。开发研制适合应用的传感器。于是种类繁多的新型传感器及 传感器系统不断涌现。温度传感器是其中重要的一类传感器，发展速度快，应用范围广，并且具有很大潜力。单总线数字温度抟感器 美国 司生产，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。两种驱 动模式的设计使得它的 耗电量可以很小，串行传输数据，传输距离远；温度测量范围广，精度高，可根据实际情况实现精度的变换。 随着检测点的急刷增加，怎样将 大量 数据 集中、 快速、有效 的 传输到主机 ，用来实现多 通道 温度数据的循环显示和指定某一点温度的显示。 由 司的 同提出 线的概念居于 考模型，满足了公用事业仪表的组网及远程检测与监控 系统的需要 ，同时它还可以满足远程供电或电池 供电系统的特殊要求。 可以在几公里的距离上连接几百个从设备 。 种传统温度采集方法 传统的 温度 监测方法包括主要三种：感温式测温系统、 热敏电阻式测温系统和近年来出现的光纤分布式温度监测系统。 1、感温 式测温系统：该系统的原理是将感温 探头 与 测试点 平行安放，当 测试点温度超过固定温度值时，系统就发出报警信号，主要分为普通型号和模拟式两种。普通 型感温 式 系统的缺陷是易 造成破坏性报警、报警温度固定、故障信号不全 2， 而且系统安装及维护工作不够方便，因此无法精确定位出是产生报警信号的具体位置。以上方法均无无温度趋势分析 3。 2、热敏电阻式测温系统：热敏电阻式测温系统可以实时显示温度值，但由于每个 热敏电阻都需要独立的接线，造成布线复杂且热敏电阻易损坏、维护工作量大；此外传感器不具备自检功能，需要经常校验。 3、光纤分布式测温系统：光纤分布式测温系统利用一根光纤充当分布式温度传感器 ，通过光纤中传输的激光脉冲产生后向喇曼散射 (度效应来完成对温度的测量，能测量数千个温度监独立的测量 点的温度。最新的光纤分布式温度监测系统性能对于多模光纤，能够允许光纤回路长度达到 12 公里。同时，温度监测系统需要智能化的数据分析软件，测量的同时要记录数据，利用一些软件包和数据分析包，并结合系统负载数据，最终使用户能够建立并预测沿整 个线路电缆的运行状况。 工程硕士学位论文 4 采用光纤分布式温度监测系统的好处是可以对热点位置进行高精度定位，能够显示并记录下温度变化曲线轨迹，能显示出线路上热点的位置。但光纤分布式温度监测系统的最大缺点在于设备成本太高。这种系统在安装时就要求能够确定热点的位置，但这要依赖预先制造的监控设备和光、热 数据处理，就会需要增加额外的设备投资，且新增的设备也会面临维修维护等问题。 为了很好的解决上述问题，本论文 设计了基于 1线的 温度采集 装置 。 本装置 主要由 温度采集模块、 上传 通信模块、 主控制模块 、 显示模块 等 部分组成 。通过 1线、 线、 线 三者的有机结合， 将温度数据精确采集及集中上传， 使得本 装置 与传统的温度采集系统比较起来具有很大的优势，提高了采集的实时性，增强了采集系统的稳定性，丰富了温度采集系统的功能，具有更大的的社会效益和经济效益 。 文的组织结构 本 论 文 总共包 括五章，各章主要内容如下： 第一章 绪论， 阐述 了研究背景、目的 意义以及国内外的研究现状，同时介绍了线 的工作原理、特性等 。 第 二 章 总体 设计 ， 介绍了 总体设计 的工作原理 ，提出了 总线嵌入式接口设计方案 。 第 三 章 硬件电路 ， 介绍了 温度采集模块、 主控制模块 、 上传 通信模块、显示 报警 模块 等电路 组成 与构建 。 第 四 章 软件 设计 ， 产述了 温度采集模块、 主控制模块 、 上传 通信模块、显示模块 等 部分 软件思路及设计 。 第五章 仿真 与测试 并对实验结果进行分析。 基于 1线温度采集装置的设计与实现 5 第 二 章 1线 温度 采集 装置 总体 设 计 通道温度在线监测系统概述 基于 1温度 采集装置 是以 多通道 温度在线监测系统为应用背景的，所以与整个系统的功能需求、组成结构紧密相连。下面，首先对 多通道 温度在线监测系统做一个简单的整体介绍 。 多通道温度 在线监测系统是集嵌入式技术、计算机技术、通讯技术、数字式传感器于一体的 温度数据监测系统，能够实时有效地监测出重要场所 或设备 的过热故障；作为重要场所 或 设备隐患的预知维修系统，能在缺陷演化成故障之前及时有效地发出报警，以便工作人员尽早维修，从而有效地防止因 引 短路 而 大面积停产 或损坏 等事故，尤 其是恢复时间长的事故，从而避免这些不良事故带来的重大损失。 多通道 温度在线监测系统是由上位机服务器、数据集中器 （主机） 、 温度采集器装置 （从机） 三部分组成的主从式网络。 如图 首先温 度 传感器监测出实际温度值、实时显示测温值、温度趋势分析、实现故障即将