史麗娟 李 晴 王 露 錢聲強(qiáng)

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 江蘇常州 213164)

商場(chǎng)環(huán)境溫度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

史麗娟 李 晴 王 露 錢聲強(qiáng)

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 江蘇常州 213164)

介紹了一種基于單總線測(cè)溫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)采用二叉樹(shù)算法實(shí)現(xiàn)單總線器件的ROM動(dòng)態(tài)搜索功能，系統(tǒng)還采用總線控制的連接方式。軟件操作方便，實(shí)用性強(qiáng)，并且具有良好的人機(jī)操作界面。該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)并通過(guò)性能測(cè)試，現(xiàn)已投入到商場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)中，系統(tǒng)比較穩(wěn)定。

單片機(jī);溫度傳感器;ROM搜索;上位機(jī)

隨著現(xiàn)代儀器的發(fā)展，儀器儀表的微型化、集成化、數(shù)字化正成為發(fā)展的一個(gè)重要方向。美國(guó)達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司推出的單總線技術(shù)(以溫度傳感器DS18B20為代表)，很好地解決了傳統(tǒng)串行總線技術(shù)一般要占用數(shù)條數(shù)據(jù)/控制線，限制單片機(jī)功能擴(kuò)展的問(wèn)題。一條總線上由一個(gè)主系統(tǒng)可以掛接若干個(gè)從系統(tǒng)，相比于I^2總線、SPI總線等其他通信方式具有靈活、簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，具有很好的發(fā)展前景。

在當(dāng)今熱控制工業(yè)領(lǐng)域中，對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控是必需的，而工作人員又不可能對(duì)每個(gè)監(jiān)控環(huán)境的溫度計(jì)進(jìn)行逐個(gè)人工讀取溫度值。考慮監(jiān)控環(huán)境的測(cè)溫點(diǎn)較多，對(duì)實(shí)時(shí)性要求非常高，可借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。本系統(tǒng)基于美國(guó)Dallas公司推出的單總線技術(shù)設(shè)計(jì)出一套適用的溫度采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為監(jiān)控系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)。通過(guò)在商場(chǎng)各樓層各個(gè)不同位置放置傳感器節(jié)點(diǎn)，所采集的溫度通過(guò)單片機(jī)處理傳送到電腦進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。在商場(chǎng)的控制室內(nèi)，商場(chǎng)工作人員通過(guò)電腦能夠定時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄和控制房間的室內(nèi)溫度，達(dá)到控制溫度和節(jié)能的目的，有效地控制電能的合理分配，同時(shí)也便于監(jiān)督部門(mén)進(jìn)行監(jiān)督和檢查。

1 總體實(shí)現(xiàn)方案

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。溫度檢測(cè)系統(tǒng)以8051單片機(jī)系統(tǒng)為核心，能對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制檢測(cè)。檢測(cè)單元將測(cè)量結(jié)果通過(guò)485總線經(jīng)由電腦顯示出來(lái)，而且可以利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多機(jī)互聯(lián)，用來(lái)檢測(cè)多點(diǎn)溫度，并進(jìn)行統(tǒng)一觀察。

圖1 溫度檢測(cè)系統(tǒng)總體框圖

在商場(chǎng)每層部署多個(gè)數(shù)字式溫度傳感器，用以檢測(cè)部署點(diǎn)的溫度情況，采用總線控制的連接方式。由7個(gè)控制器控制各溫度傳感器的工作，并通過(guò)串行口485方式把溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦，電腦能實(shí)時(shí)顯示各部署點(diǎn)的溫度情況［1］。

2 芯片選型、硬件結(jié)構(gòu)和功能簡(jiǎn)介

2.1 芯片選型

微控制器:針對(duì)商場(chǎng)環(huán)境溫度的需求，系統(tǒng)采用了ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能8位單片機(jī)AT89C52，片內(nèi)含8 K的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器，它適合于較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合。

數(shù)字溫度傳感器:系統(tǒng)采用Dallas公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20，信息經(jīng)過(guò)單線接口送入DS18B20或從DS18B20送出，從主機(jī)CPU到DS18B20僅需要一條線。每個(gè)DS18B20在出廠時(shí)已經(jīng)給定了唯一的64位序列號(hào)，因此任意多個(gè)DS18B20可存放在同一條單線總線上，所以允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件。

其他外圍設(shè)備:因外掛多個(gè)溫度傳感器，考慮單片機(jī)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)能力不足，而且上位機(jī)和單片機(jī)之間雙向通信，系統(tǒng)采用雙向通信74HC245作為數(shù)據(jù)緩沖電路，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力且布線方便。

單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)芯片的容量有限，需要在外部接一個(gè)存儲(chǔ)芯片。選取AT24C256，它能提供256 kB的存儲(chǔ)容量，確保有足夠的空間存儲(chǔ)單總線器件自身所帶的ROM序列號(hào);并通過(guò)I^2協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;由于總線端口輸出為開(kāi)漏結(jié)構(gòu)，在總線上需通過(guò)的10 KΩ的上拉電阻與電源相連。

2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和功能簡(jiǎn)介

該系統(tǒng)主要由數(shù)字傳感器DS18B20、主控板、上位機(jī)軟件3個(gè)部分所構(gòu)成。

如圖2所示即為該測(cè)溫系統(tǒng)主控制板的結(jié)構(gòu)示意圖。作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，單片機(jī)通過(guò)單總線與數(shù)字溫度傳感器 DS18B20相連接，控制DS18B20采集各監(jiān)控點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，將溫度數(shù)據(jù)存放在存儲(chǔ)單元中，并通過(guò)485總線通信方式將溫度數(shù)據(jù)傳送給電腦，電腦處理溫度數(shù)據(jù)并顯示。工作狀態(tài)指示表明了此時(shí)單片機(jī)的工作狀態(tài)。硬件看門(mén)狗電路具有電路自恢復(fù)功能，采用該技術(shù)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖2 主控制板示意圖

主控制板具有如下功能:啟動(dòng)和組建單總線網(wǎng)絡(luò);動(dòng)態(tài)搜索掛接在單總線上的DS18B20的ROM序列號(hào)并存儲(chǔ);支持多種通信方式(如RS232及RS485)。

3 軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)測(cè)試及監(jiān)控

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

總體流程如圖3所示，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)對(duì)各個(gè)芯片進(jìn)行初始化，初始化完成后，單片機(jī)開(kāi)始搜索掛接在線上的單總線器件 DS18B20，把搜索到的BS18B20的序列號(hào)存入到外接的存儲(chǔ)器件24C256中去;然后在一定時(shí)間間隔內(nèi)重復(fù)地讀取DS18B20檢測(cè)到的溫度數(shù)值，同時(shí)等待上位機(jī)的中斷命令。單片機(jī)響應(yīng)中斷命令，根據(jù)上位機(jī)傳送的任務(wù)種類指示，完成對(duì)DS18B20的操作，再將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)顯示，繼續(xù)進(jìn)入等待中斷中［2］。

3.2 基于單總線技術(shù)的ROM搜索

在整個(gè)軟件流程中，最為關(guān)鍵的是單總線器件的尋址過(guò)程，即ROM搜索。完成一個(gè)單總線器件的ROM搜索過(guò)程是64次重復(fù)以下三步過(guò)程:讀一位;讀該位的補(bǔ)碼;主機(jī)向總線上寫(xiě)所讀到的那一位值［3］。

設(shè)計(jì)中采用了64位深度的二叉樹(shù)算法，在遍歷二叉樹(shù)時(shí)記錄所走的路徑和搜索到的葉子結(jié)點(diǎn)數(shù)，就可得到總線上的DS18B20的ROM序列號(hào)和總線上的DS18B20數(shù)目。

每向左走一步，表示該位為0，向右走一步表示該位為1，記錄此過(guò)程就可得到葉子結(jié)點(diǎn)的ROM序列號(hào)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖4表示用二叉樹(shù)算法得到的DS18B20的ROM序列號(hào)前4位。

圖3 軟件總體流程

圖4 二叉樹(shù)表示的DS18B20的ROM序列號(hào)

結(jié)點(diǎn)6的左結(jié)點(diǎn)表示…0000，節(jié)點(diǎn)6的右結(jié)點(diǎn)表示…1000，節(jié)點(diǎn)7的左節(jié)點(diǎn)表示…0010，節(jié)點(diǎn)10的左節(jié)點(diǎn)表示…0001，節(jié)點(diǎn)10的右節(jié)點(diǎn)表示…1001等。

在單片機(jī)與多個(gè)DS18B20的通信過(guò)程中，單片機(jī)在初始化后立即搜索單總線上掛接的DS18B20的ROM序列號(hào)，外掛的EEPROM通過(guò)I2C協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 PC端測(cè)試界面

基于微軟.net平臺(tái)開(kāi)發(fā)的上位機(jī)測(cè)試軟件，可實(shí)時(shí)顯示DS18B20采集的溫度，并可對(duì)DS18B20進(jìn)行編碼、讀碼、單點(diǎn)采溫［4］。圖5為上位機(jī)單個(gè)測(cè)溫器編碼、采溫、讀碼界面。

圖5 單個(gè)測(cè)溫器編碼、采溫、讀碼界面

3.4 溫度檢測(cè)系統(tǒng)通信協(xié)議

串口設(shè)置:波特率:2.4 KBPS，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度:7字節(jié)，校驗(yàn):累加和校驗(yàn)(為前5字節(jié)和的補(bǔ)碼)。

以下只給出采溫指令說(shuō)明，編碼和讀碼指令和采溫大體相似。采溫指令:

PC發(fā):0xa5，TASK，xx，0x00，0x00，VERIFY。

終端回:0xa5，TASK，xx，DAT0，DAT1，VERIFY，0xff(終止位)。

其中數(shù)據(jù)頭為0xa5;任務(wù)標(biāo)識(shí)碼TASK分為: 0x00(采溫)，0x01(編碼)，0x02(讀碼)，此處TASK= 0x00。xx為傳感器編號(hào);DAT0，DAT1:溫度數(shù)據(jù)，如果不正確，則DAT0=K，DAT1=L，傳感器開(kāi)路; DAT0=D，DAT1=L，傳感器短路。VERIFY:累加和校驗(yàn)。如果DAT0=0xc8，DAT1=0x01，即DAT0= 11001000，DAT1=00000001，則把DAT0，DAT1合并為 16 位，DAT1 在 前，DAT0 在 后，即0000000111001000，取 第 四 到 第 十 一 位，即00111001，算得00111001的十進(jìn)制為57，則此時(shí)測(cè)量得到的溫度為28.5度［5］。

3.5 上位機(jī)監(jiān)控

基于微軟的.net平臺(tái)開(kāi)發(fā)了本系統(tǒng)的上位機(jī)軟件。商場(chǎng)溫度監(jiān)控系統(tǒng)主界面由“測(cè)溫點(diǎn)列表”、“歷史數(shù)據(jù)”、“操作與管理”以及“各樓層編號(hào)”選項(xiàng)卡組成，實(shí)現(xiàn)包括溫度測(cè)量、歷史數(shù)據(jù)保存與查詢、用戶管理、各樓層測(cè)溫點(diǎn)溫度動(dòng)態(tài)顯示等功能。

用鼠標(biāo)點(diǎn)擊各樓層選項(xiàng)卡，將出現(xiàn)各樓層的平面圖，如圖6所示，上面詳細(xì)標(biāo)明了各測(cè)溫點(diǎn)的位置及編號(hào)。通過(guò)與測(cè)溫點(diǎn)相連的列表框，顯示了該測(cè)溫點(diǎn)的名稱和當(dāng)前的實(shí)際溫度。

圖6 樓層測(cè)溫點(diǎn)位置、編號(hào)及溫度顯示部分平面圖

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)商場(chǎng)實(shí)際布局情況，通過(guò)合理布線，將系統(tǒng)安裝到商場(chǎng)后，對(duì)商場(chǎng)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，任意選取幾組實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，并與實(shí)際溫度進(jìn)行對(duì)比分析，得出系統(tǒng)測(cè)量溫度與實(shí)際溫度對(duì)照表。如表1。

表1 測(cè)量溫度與實(shí)際溫度對(duì)照表

由表1可見(jiàn)，在10度到40度溫度范圍內(nèi)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相對(duì)誤差不超過(guò)0.013，因此適用于商場(chǎng)環(huán)境溫度檢測(cè)系統(tǒng)中。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于一種基于單總線測(cè)溫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)可根據(jù)商場(chǎng)每層每個(gè)柜臺(tái)售賣產(chǎn)品種類的不同設(shè)置溫度報(bào)警上下限，可顯示當(dāng)前溫度、時(shí)間、報(bào)警閾值等信息，具有聲光報(bào)警功能。系統(tǒng)良好的軟件顯示界面，可以直觀地顯示各部署點(diǎn)的溫度情況。系統(tǒng)還采用誤差修正算法提高了采樣溫度的準(zhǔn)確性。

［1］ 盧超.基于PC機(jī)與單片機(jī)分布式溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2007(6):35-37.

［2］ 陳偉，王勛，黃德昌.基于單總線溫度測(cè)控系統(tǒng)的前端拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)［J］.華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，25 (1):81-84.

［3］ 高蒙，劉建華，萬(wàn)京，等.二叉樹(shù)算法在單總線上的C51軟件實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2005(25):41-43.

［4］ 劉新軍.NET精簡(jiǎn)框架程序設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006:139-150.

［5］ 顏廷勇，林錦國(guó)，陶玲.計(jì)算機(jī)與多單片機(jī)系統(tǒng)間串行通信的實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2003，29(17):176-178.

The Design and Realization of the Temperature Detection System in Department Store

SHI Li-juan LI Qing WANG Lu QIAN Sheng-qiang
(School of Electronics and Electrical Engineering，Changzhou College of Information Technology，Changzhou 213164，China)

This paper introduces the project of temperature detection based on 1-wire bus.The system adopts the binary tree arithmetic to perform the dynamic search in the ROM of 1-wire bus chip and the connection way of bus control.The software is easily operated，practical and with good human machine interface.This temperature inspection system has been realized and tested in laboratory，and is widely used in temperature detection in department stores.

MCU;temperature sensors;ROM search;host computer

book=114,ebook=114

TP 273

B

1672-2434(2012)03-0027-04

2012-01-11

史麗娟(1983-)，女，碩士，從事研究方向:無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、傳感器、電氣自動(dòng)化