单总线数字温度传感器在粮情监测系统中的应用

张 芳,王 锋,张校铭,殷珍珍,王 婧

(河南工业大学信息科学与工程学院,河南郑州 450001)

单总线数字温度传感器在粮情监测系统中的应用

张 芳,王 锋,张校铭,殷珍珍,王 婧

(河南工业大学信息科学与工程学院,河南郑州 450001)

基于单总线数字温度传感器的多点分布工作模式,设计并实现了一个粮堆温度监测系统.该系统可为每个传感器设置独立编号,并支持液晶显示,方便用户实时查询测点温度.系统通过串行总线与 PC机通信,为粮情测控软件系统提供数据,最终完成相关分析与处理.试验证明,该系统运行稳定、可靠.

粮情;监测系统;单总线;温度检测

0 引言

随着电子技术的发展,出现了很多功能完备、低功耗、数字化的大规模集成电路,为设计高精度测控系统提供了硬件基础[1].DS18B20是美国MAXI M公司的单线制 (1-W ire)数字温度传感器,它具有的多点能力 (Multidrop)和全数字输出结构使其非常适合于分布式温度检测场合,比如HVAC环境控制、建筑物和机械设备内的温度检测、过程与控制系统中的温度检测等等.

储粮温度是影响粮食品质的重要物理参数.传统的储粮温度监测系统一般采用由模拟温度传感器、多路模拟开关、A/D转换器及单片机等组成的电路结构,通常需要大量的测温电缆才能把现场传感器的信号送到采集卡上,电路结构复杂,安装和维护不便,成本较高.同时,由于线路上传送的模拟信号易受干扰和产生损耗,测量误差通常比较大.

基于单总线数字式温度传感器 DS18B20和AT89S52单片机,笔者设计并实现了数字式粮堆温度监测系统,其能够快速识别各个传感器的地址序列号,准确、方便地完成粮堆各点温度的测量、传输和显示.研究数字式温度传感器在粮情监测系统中的应用技术和方法,具有重要的现实意义.

1 系统设计

1.1 粮堆测温点的分布

根据粮仓的实际大小,将测温电缆分行和列间隔设置.每根电缆都有各自的编号,一般来说,电缆编号是连续无间隔的,起始电缆的编号不一定从 1开始.每根电缆内传感器的数量由仓房的高度决定.以平房仓为例,每根电缆一般有 4个传感器,从上到下分为 4层,分布如图 1所示.

图1 粮仓测温点分布图

1.2 单总线数字温度传感器 DS18B20

DS18B20数字温度计的检测范围为 -55℃～125℃,检测精度为 ±0.5℃,以 9位数字的形式反映器件的温度值[2].该器件可完成温度值的模拟 -数字转换,并保证良好的精度和一致性.

1.3 系统体系结构

基于单总线数字温度传感器 DS18B20的粮仓温度监测系统包括 4个模块:单片机处理模块、温度采集模块、液晶显示模块和串口通信模块.系统体系结构如图 2所示.

单片机处理模块分别与温度采集模块、液晶显示模块和串口通信模块互相通信、交互信息.该系统具有精度高、处理速度快、性能稳定的优点,特别适用于对测温要求比较高的场所.

图2 系统体系结构模型

温度采集模块包括多个串接的 DS18B20,每个DS18B20可根据负荷大小选择使用寄生电源或外加电源,最终数据线接口只与单片机的一个I/O口相连,大大节约了单片机 I/O口资源.这是单总线数字式温度传感器 DS18B20单总线结构和多点分布测温模式的优点所在.

液晶显示模块采用 2×16字符的 LCD液晶显示器,对多个温度传感器的测量值进行轮询显示.其数据口连单片机的 P0口,选择控制端接单片机的 P2口.

串口通信模块由MAX232和串行通信接口组成,采用 RS—232技术实现单片机与 PC机的串口实时通信.

系统采用 51系列的单片机,整体监控程序完成温度采集、液晶显示和数据传送等所有功能,具体包括单总线温度传感器 ROM序列号的自动搜索、温度采集、温度数据显示和通信等.

2 系统关键技术与实现

2.1 DS18B20的工作机制

DS18B20的内部结构如图 3所示.其包括 3个主要的数据部件:64位激光 ROM,温度传感器和非易失性温度报警触发器 TH和 TL[3].每个DS18B20在出厂时被激光刻入了 64位地址序列号,任何器件的地址都是唯一的.因此,多个DS18B20可以存在于同一条单线总线上,通过ROM操作协议与单片机进行一线制通信.

图3 DS18B20内部结构图

存储器由一个暂存 RAM和一个存储高低温报警触发值 TH和 TL的非易失性电可擦除 (E2)RAM组成.当在单总线上通讯时,传感器转换的温度值存放在暂存器的前 2个字节内,这里的数据可被读回.对非易失性高低温报警存储器的 2个字节,可以根据用户自己的选择自定义写入位置编号等等,数据先被写入暂存器,经过校验后,用一个拷贝暂存器命令把数据传到 (E2)RAM中.这一过程确保更改存储器时数据的完整性.

DS18B20工作协议流程为:(1)初始化→(2)ROM操作命令→(3)存储器操作命令→(4)数据处理[4].

(1)初始化:初始化序列包括总线主机发出一个复位脉冲,接着由从属器件送出存在脉冲,其严格按照时序进行.

(2)ROM操作命令:一旦总线主机检测到从属器件的存在,它便可以发出器件 ROM操作命令之一.所有 ROM操作命令均为 8位长.主机对DS18B20提供 5种 ROM操作命令:即 Read ROM、Match ROM、Search ROM、Skip ROM、Alarm Search.这些命令对每个器件的 64位激光 ROM部分进行操作.

(3)在主机建立 ROM操作命令之后,可以进行存储器操作命令,包括转换命令、写暂存器命令、读暂存器命令、拷贝暂存器命令、调用 E2命令.

(4)读出数据之后,主机进行数据转换、处理等.

2.2 单总线温度传感器的 ROM搜索

每个 DS18B20包括一个唯一的 64位 ROM编码.起始的 8位是单线产品系列编码,接着的48位是唯一的系列号,最后的 8位是前面 56位的 CRC校验值 (见图 4).64位 ROM和 ROM操作控制部分允许 DS18B20作为一个单线器件工作并遵循规定的单线协议.

图4 64位激光 ROM编码

当总线上连接多个 DS18B20时,由于总线主机不知道每个器件的 ROM编码,所以需要自动搜索多个器件的 ROM序列号.总线主机初始化后,发送 ROM搜索命令,然后单线总线按如下步骤进行工作:a.读取 1位;b.读取该位的补码;c.写所判断的该位的值.总线主机在 ROM的每 1位上完成这简单的 3步过程,在全部过程完成之后总线主机便知道一个器件的 ROM编码,然后存储在指定的空间里,器件中其余的数以及它们的ROM编码可以由另外一个过程来识别.从上述 3步过程的 2次读取获得的数据具有以下解释:

00代表有器件连接,在此数据位上它们的值发生冲突;

01代表有器件连接,在此数据位上它们的值均为0;

10代表有器件连接,在此数据位上它们的值均为1;

11代表没有器件与单线总线相连.

当 ROM搜索完毕,总线主机就可以知道所有器件的地址序列号以及器件的数量,从而进行温度检测和控制.

3 系统软件的设计与实现

基于DS18B20的粮仓温度监测系统以单片机处理模块为核心,系统主控程序完成多个DS18B20的 ROM序列号的自动搜索和匹配、数字温度转换、测温点温度值轮询显示和串口通信等功能.主程序在系统上电后即可自动运行.系统主程序流程如图 5所示.

主程序流程包括:开始;对液晶显示器和DS18B20进行初始化;进行 ROM序列号搜索,分配存储空间;对序列号的每 1位进行上述两读一写操作,确定该位的值,当 8位都确定之后,就可以存入分配好的地址空间,存 8个字节就完成一个器件的搜索,记录 DS18B20个数的存储器自增1;接下来进行新一轮的搜索过程,直到所有器件搜索完毕,程序返回搜索器件的数量;然后,对所有器件初始化,发送跳过 ROM命令,进行温度转换;接下来开始匹配工作,从存储序列号的地址空间里取出数据,发送到单线总线上,发送 8个字节,就有一个器件响应;每匹配成功一次,就对该器件做一次处理:读取该器件的温度值,读取预先写入的粮仓内的缆号、层号,对这些值进行液晶显示,通过串行口与 PC机通信;当所有器件响应完毕,程序返回,主程序进入下一轮循环中,重复此过程.

图5 系统主程序流程

系统运行时检测得到的部分测量结果如图 6所示.

图6 温度检测结果

4 结束语

基于单总线数字温度传感器 DS18B20的分布式工作模式,设计并实现了一种粮堆温度监测系统,成功实现了粮堆环境温度的监测,并通过RS—232技术实现了该系统与 PC机的实时通信.该温度监测系统结构简单、体积小、成本低、精确度高、反应速度快,且具有数字化显示和性能稳定的特点,可以很好地完成粮堆温度监测任务.经过适当改造,能胜任其他多点测温的场合.

[1] 李余庆,张华,刘继忠.基于 DS1820的无线温度采集系统的设计[J].微计算机信息,2009,25(9):187-189.

[2] 李广明,袁华强.基于嵌入式和 DS18B20的温度采集系统 [J].东莞理工学院学报,2009,16(3):1-4.

[3] 马云峰.单片机与数字温度传感器DS18B20的接口设计[J].计算机测量与控制,2002,10(4):278-280.

[4] 金懿,刘彭义,张葡青.基于单总线数字温度传感器的分布式测温系统[J].暨南大学学报,2004,25(1):51-56.

[5] 李群芳,肖看.单片机原理、接口及应用—嵌入式系统技术基础[M].北京:清华大学出版社,2005.

[6] 周润景,袁伟亭,景晓松.Proteus在 MCS-51&ARM7系统中的应用百例[M].北京:电子工业出版社,2006.

[7] 罗慧滋.数字温度传感器 DS18B20在粮情测控系统中的应用 [J].粮食流通技术,2004(5):29-36.

[8] 施昆松.多个数字温度传感器 DS1820地址的自动搜寻 [J].国外电子元器件,1997(1):4-6

APPL ICATI ON OF 1-W IRE D IGITAL TEMPERATURE SENSOR IN GRA IN SITUATI ON MON ITOR SYSTEM

ZHANG Fang,WANG Feng,ZHANG Xiao-ming,YIN Zhen-zhen,WANG Jing
(School of Infor m ation Science and Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou450001,China)

In thispaper,we designed a grain depot’s temperature monitor system based on the multi-point distribution workingmode of a 1-wire digital temperature sensor.The system could assign an independent code for each sensor,and was compatible to LCD display so as to facilitate the real-time temperature inquiry of the detected spot.The system was communicated with a PC through a serial bus to supply data to a grain situation monitor software system,which completed the related analysis and processing.Tests showed that the system run stably and reliably.

grain situation;monitor system;1-wire bus;temperature detection

TS210

B

1673-2383(2011)01-0074-04

2010-09-27

“十一五”国家科技支撑计划 (2008BADA8B03)

张芳(1987-),女,河南新乡人,硕士研究生,主要研究方向为电子技术应用.