单片机单总线多传感器温度智能检测系统设计.docx
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单片机单总线多传感器温度智能检测系统设计
单片机单总线多传感器温度智能检测系统设计
摘要
本系统设计了基于单总线的温度检测系统。
针对温度智能化控制将智能传感器检测和单片机控制结合,设计了基于单片机的温度检测系统设计方案。
通过单总线温度传感器及单总线模数转换器采集现场的数据,该控制器采用低功耗单片机AT89S52进行检测与控制。
选用DS18B20数字传感器对温度进行采样和转换,增强了电路的可靠性,也提高了测量精度通过一块液晶显示器实时显示环境信息,并应用RS-485网络把数据传送给上位机,通过上位机进行远程的数据采集处理。
数据采集的精度最高可达16位,且可以编程设置。
单总线技术组网十分方便,维护也很简单,为当今的数据采集系统提供了一种新的方案。
关键词:
单总线;DS18B20;MCS-51
Singlebustemperaturesensorchipmoreintelligentdetectionsystemdesign
ABSTRACT
Thesystemisdesignedbasedonasinglebus,temperaturemeasurementsystem.Intelligentcontrolforthetemperaturesensorandthemicrocontrollerwillcontrolthesmartcombinationofdesignmicrocontrollerbasedtemperaturemeasurementsystemdesign.Singlebus,singlebusanalogtemperaturesensoranddataacquisitionfield,thecontrollerforlowpowerMCUMC80C51detectionandcontrol.DS18B20digitalsensorusedtosamplethetemperatureandconversion,andenhancethereliabilityofthecircuit,butalsotoimprovethemeasurementaccuracybyaliquidcrystaldisplayreal-timedisplayofenvironmentalinformation,andapplicationofRS-485networktosenddatatothehostcomputer,remotelythroughthePCdataacquisitionandprocessing.Theaccuracyofdatacollectionupto16bits,andcanbeprogrammed.Single-busnetworkisveryconvenient,verysimpletomaintain,fortoday'sdataacquisitionsystemprovidesanewprogram.
Keywords:
1-wire;DS18B20;MCS-51
第一章绪论
1.1课题背景
在当代社会的生产生活中,温度检测系统被广泛用于社会生产、生活的各个领域。
通过对温室中温度大小采集和控制,改变植物生长的自然环境、创造适合植物最佳的生长条件。
由此而引发的各种温室测控技术的实际应用与研究也取得了长足的发展,并向高层次的自动化、智能化方向发展。
在很多电子产品中也将其用到温度检测和温度控制。
目前温度测量系统种类繁多,功能参差不齐。
有简单的应用于家庭的如空调,电饭煲、太阳能热水器,电冰箱等家用电器的温度进行检测和控制。
单片机以其功能强、体积小、可靠性高,造价低和开发周期短等优点,为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件,在日常生活中成为必不可少的器件,尤其是在日常中发挥的作用也越来越大。
因此,单片机对温度的控制问题是一个日常中经常会遇到的问题。
温室工程主要包括两个方面内容,一方面是温室结构工程,另一方面是温室测控系统,而温室测控系统又是由温室数据采集系统与温室环境控制系统两个部分组成的,两者相辅相成缺一不可。
温室数据采集系统作为温室内各环境因子的采集部分,由温度传感器所组成的,这些传感器通常分布在非常广的范围内,通讯距离远,因此,需要一种可靠性高且适合温室环境使用的数据采集系统,满足数据远程传输的要求。
随着计算机技术的发展,远程监控显示了其强大的生命力和广阔的应用前景.与传统的监控系统相比,用户能够在远程及时获得现场情况,能更准确、有效地得到现场的数据。
近年来,随着Internet网络的普及和远程控制策略的完善,基于网络通信的手段在远程监控技术上的应用发展迅猛。
远程温湿度测控系统是一种用于家庭、仓库、温室、商场等需要对环境信息数据进行采集的系统。
传感器通过单总线组网,把现场数据传送给处理器进行处理,然后由处理器通过网络传送给上位机(PC机),供用户分析,控制,从而提高了工作效率。
1.2课题的发展历史
随着科学技术和经济建设的发展,对远程数据以及设备状态监控和故障报警已成为保证系统运行稳定性、可靠性和安全性、提高产品质量和生产效率的关键技术。
远程数据采集与控制系统手段日益引起行业内的广泛重视。
作为一个涉及多学科的综合性学科问题,监控的模式经历了从单片机监控系统到分布式监控系统,再到远程监控系统这样一个发展历程。
第一代监控系统是以多用户联机、集中式控制为特征的单机监控系统。
当时的监控系统主要是针对某一特定的被测对象而设计的,它主要由1台计算机和1块或多块功能模板构成,信息的交换与处理仅限于监控系统内部,是一种封闭式的系统。
第二代监控系统以局域网、集散化控制为特征,主要是针对大型设备主机和多辅助工程分布和地域分布的特点,通过局域网把分布于各个局部的现场,独立完成特定功能的本地计算机互连起来,以实现资源共享、协同工作、分散监控和集中操作、管理与报警功能的计算机网络。
第二代系统是基于工业局域网的相对开放的系统,监控信息的处理在局域网内进行。
进入90年代后期,随着计算机技术和信息技术的发展,特别信息高速公路的开通,远程监控技术和计算机的有机融合,是数据采集、远程控制技术发展的崭新阶段。
它以计算机为主,在现场安置数据采集探头,采集数据,在控制中心提供远程数据采集系统。
远程监控对现场一些数据实时测试,以及环境的信息进行采集,通过对数据分析、处理然后传送给远程主机,同时还可以保存这些数据,在需要的时候进行比较分析控制等。
1.3本篇论文的内容
本课题完成了基于单总线的温室环境检测系统,通过单片机系统采集单总线上的温度传感器的数据,并在液晶显示器上实时显示温度信息,通过RS485网络,把温度数据传送到远端的PC机。
通过WINDOWS平台的数据采集软件,显示下位机采集的温度数据。
该系统可以实现对温室环境的本地和远距离数据采集管理,也可应用于其它需要温度数据的领域。
本课题的主要内容如下:
数据采集:
制作单总线的数据采集系统,采集温度大小。
在单总线上,可通过识别传感器的序列号,应用总线型网络挂接多个传感器。
数据处理、分析、显示:
通过单片机采集单总线的数据,经过数学运算,CRC校验,软件滤波等技术处理后,用液晶显示器实时显示温度大小。
数据传输:
通过RS485网络,将下位机采集的数据传送到上位机系统,上位机(PC机)用C++Builder编制串口通讯程序,实现对下位机数据的显示和处理,由于PC机强大的数据处理功能,任何个性化的要求以及生产生活的需要,都可以通过PC机的数据采集软件来实现。
第二章方案论证及选型
通过对该系统的调查研究,可以得到系统的总体框图如下
图2.1系统框图
系统主要由单片机系统、单总线传感器网络、显示部分、数据采集、通信部分和上位机数据采集软件几个部分组成。
2.1单片机系统方案论证
单片机系统是整个系统的核心,通过单片机系统才能采集传感器的数据,并对其进行处理、显示。
方案一:
8051系列单片机
8051单片机最早是由Intel公司推出,其后,多家公司购买了8051的内核,使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大,应用也最广泛。
这些公司都在保持与8051单片机兼容的基础上改善了8051许多特性,改变时序特性、增加ISP功能、提高机器周期、降低时钟频率、放宽了电源电压的动态范围等,使8051单片机的性能有了很大的提高和改善。
根据具体系统要求选用不同公司合适的型号,可以完成很多设计。
方案二:
Atmel单片机
ATMEL公司是世界上著名的高性能低功耗非易失性存储器和数字集成电路的一流导体制造公司ATMEL公司最令人注目的是它的EPROM电可擦除技术闪速存储器技术和质量高可靠性的生产技术在CMOS器件生产领域中ATMEL的先进设计水平优秀的生产工艺及封装技术一直处于世界的领先地位这些技术用于单片机生产使单片机也具有优秀的品质在结构性能和功能等方面都有明显的优势ATMEL公司的单片机是目前世界上一种独具特色二性能卓越的单片机它在计算机外部设备通讯设备自动化工业控制宇航设备仪器仪表和各种消费类产品中都有着广泛的应用前景。
其生产的AT90系列是增强型RISC内载FLASH单片机,通常称为AVR系列。
AT91M系列是基于ARM7TDMI嵌入式处理器的ATMEL16/32微处理器系列中的一个新成员该处理器用高密度的16位指令集实现了高效的32位RISC结构且功耗很低。
方案三:
Microchip单片机
Microchip单片机是市场份额增长最快的单片机。
他主要产品是16C系列8位单片机,CPU采用RISC结构,仅33条指令,运行速度快,且以低价位著称,一般单片机价格都在1美元以下,Microchip单片机没有掩膜产品,全部都是OTP器件(现已推出FLASH型单片机)。
Microchip强调节约成本的最优化设计,是使用量大,档次低,价格敏感的产品。
在办公自动化设备,消费电子产品,电讯通信,智能仪器仪表,汽车电子,金融电子,工业控制不同领域都有广泛的应用。
方案四:
ARM处理器
ARM处理器是Acorn计算机有限公司面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。
ARM处理器本身是32位设计,但也配备16位指令集。
一般来讲比等价的32位代码节省达35%,却能保留32位系统的所有优势。
ARM的Jazelle技术是Java加速得到比基于软件Java虚拟机高得多的性能,和同等的非Java加速核相比功耗降低80%。
CPU功能上增加DSP指令集提供增强的16位和32位算术运算能力,提高了性能和灵活性。
ARM还提供两个前沿特性来辅助带深嵌入处理器的高集成SoC器件的调试,它们是嵌入式ICE-RT逻辑和嵌入式跟踪宏核(ETMS)系列。
2.2传感器的选择
2.2.1温度传感器
方案一:
模拟温度传感器AD590
AD590是美国模拟器件公司生产的电流输出型温度传感器,供电电压范围为3~30V,输出电流223μΑ(-50℃)~423μΑ(+150),灵敏度为1μΑ/℃。
当在电路中串接采样电阻R时,R两端的电压可作为输出电压。
注意R的阻值不能取得太大,以保证AD590两端电压不低于3V。
AD590输出电流信号传输距离可以达到1㎞以上。
作为一种高阻电流源,最高可达20ΜΩ,所以它不必考虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。
适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制。
方案二:
热敏电阻传感器
热敏电阻传感器是一种敏感元件,用在传感电路中电子元件,只要为基片加上电极,用在电路中,通过热敏电阻器阻值的变化测量环境温度的变化。
它的最大特点是电阻值随温度的变化而显著变化,因而能够通过其电阻值的变化感知周围环境温度的变化。
目前常见的电阻器有正温度系数热敏电子和负温度系数热敏电阻两种。
方案三:
数字温度传感器DS18B20
DS18B20是实现单总线测控网络的关键器件,主要包括寄生电源,温度传感器,64位激光ROM和单总线接口,存放中间数据的高速暂存器RAM,用于存储用户设定温度上下限制的TH和TL触发器,存储与控制逻辑,8位循环冗余校验码发生器等七部分。
用户可以设定报警温度存储在片内的EEPROM中,掉电后依然保存。
为系统的设计提供了极大的方便,不仅性能好,而且功能突出。
2.3显示器的选择
方案一:
LED数码管显示器
LED是一种较为常用的发光元件。
目前以LED为发光元件而研制的显示屏应用可作为实时工业控制系统中的远距离实时信息显示器,对高要求的工艺流程进行实时显示。
数码管可以理解为封装了8个发光二极管的元件。
其成本低廉,亮度高,是电子设备中常用的显示器件。
但是由于数码管的特性,只能显示简单的字符,且数码管占用资源较多,由于单片机I/O驱动能力不强,而且软件编制麻烦,在本设计中不选择该方案。
方案二:
字符型液晶显示器
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性,通过电压对其显示区域进行控制,有电就有显示,这样可以显示出图形。
液晶显示器具有厚度薄,使用于大规模集成电路直接驱动,易于实现全彩色显示的特点,目前已广泛应用。
同时也具有低功耗,显示内容灵活多变等优点。
在本设计中要实现的信息多,用液晶显示器可以充分输出系统所有信息。
根据实际所需,需要显示不同界面和编程制作菜单显示。
液晶显示方式是静态显示,在实验中只需更新数据即可。
2.4通信方式的选择
方案一:
RS232网络
RS232是一种常用的串口设备,一般在通信和人机交互领域用于传输数据。
虽然串口系统要比并口系统复杂,但在数据传输时却比并口系统所需要的数据线少,因而效率也更高。
由于其发送电平与接收电平的差仅为2V~3V左右,所以其共模抑制能力差,再加上传输电缆上存在的分布电容,使其传送距离只能到达到15米左右,最高速率为20kb/s。
RS-232是为点对点(即只用一对收、发设备)通讯而设计的,其驱动器负载为3~7kΩ。
所以RS-232适合本地设备之间的通信。
方案二:
RS485通信方式
RS485标准是由电子工业协会和通讯工业协会共同制订和开发的。
RS485作为一种多点差分数据传输的电气规范,已经成为世界最广泛应用的标准通信接口之一。
理论上RS485标准最多接入32个设备(受芯片驱动能力的影响),可以工作在双工或全工模式下,最大传输距离约为1219米,最大传输速率约为10Μbps。
然而通常网络采用平衡双绞线最为传输媒体,平衡双绞线的长度与传输速率成反比,只有在20Kbps的传输速率才肯能达到最大传输距离。
一般15米长的双绞线最大传输速率仅为1Μbps。
不过对于速率要求不高的控制系统来说已经足够了。
方案三:
CAN总线通信网络
CAN总线是德国奔驰公司80年代为解决汽车众多控制设备与仪器仪表之间的数据交换的一种串行通信协议。
随着技术的发展,它作为现场总线可广泛应用于各行各业的工业现场。
根据不同的需要或以主从方式。
或者以多主从方式工作。
CAN总线使用双绞线或其他电缆进行通信,传输速率可达1Mbps。
CAN总线由于可靠的设计,高速率远距离的传输,所以比较适合工业现场监控设备的互联。
经过对本系统的分析,最终处理器决定采用AT89S52单片机,采用单总线方式采集环境的信息。
这样在一条总线上就可以采集温度数据。
温度传感器采用DS18B20传感器。
单总线具有组网方便,维护简单等一系列优点,在本系统中可以非常轻松地在单总线上挂接多个传感器探头,每个单总线都可以通过其唯一的序列号进行操作,十分方便。
在下位机数据采集系统通过液晶显示器实时显示环境信息,通过RS485网络,将数据传送给远端得上位机。
第三章系统硬件设计
3.1AT89S52单片机
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K字节在系统可编程Flash程序存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业8051产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,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、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,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内时钟电路。
3.1.1AT89S52单片机的管脚排列
图3.1AT89S52引脚排布图
AT89S52特性:
●与MCS-51单片机产品兼容;
●8K字节在系统可编程Flash存储器;
●不少于1000次擦写周期;
●三级加密程序存储器;
●32个可编程I/O口线;
●三个16位定时器/计数器;
●八个中断源;
●全双工UART串行通道;
●低功耗空闲和掉电模式;
●掉电后中断可唤醒;
●看门狗定时器;
●双数据指针;
●掉电标识符;
3.1.2单片机最小系统原理图
图3.2单片机最小系统原理图
3.2PT12864M液晶显示器
SPRT12864M汉字图形点阵液晶显示模块,可显示汉字及图形,内置8192个中文汉字(16X16点阵)、128个字符(8X16点阵)及64X256点阵显示RAM(GDRAM)。
3.2.1模块引脚说明
表3.1SPRT12864M引脚说明
引脚
引脚名称
方向
功能说明
1
VSS
-
模块的电源地
2
VDD
-
模块的电源正端
3
V0
-
LCD驱动电压输入端
4
RS(CS)
H/L
并行指令/数据选择信号;串行片选信号
5
R/W(SID)
H/L
并行的读写选择信号;串行的数据口
6
E(CLK)
H/L
并行的使能信号;串行的同步时钟
7
DB0
H/L
数据0
····
······
······
······
14
DB7
H/L
数据7
15
PSB
H/L
并/串行接口选择:
H-并行;L-串行
16
NC
空脚
17
/RET
H/L
复位低电平有效
18
NC
空脚
19
LED_A
-
背光源正极(LED+5V)
20
LED_K
-
背光源负极(LED-OV)
3.2.2接口时序
图3.3写液晶数据时序
模块有并行和串行两种连接方法(8位并行连接方式时序图如图3.3):
写资料到模块。
从模块读出资料
图3.4读液晶数据时序
3.2.3具体指令介绍
1)、清除显示:
清除显示屏幕,把DDRAM位址计数器调整为“00H”
2)、位址归位:
把DDRAM位址计数器调整为“00H”,游标回原点,不影响显示DDRAM
3)、显示状态开/关:
D=1;整体显示ONC=1;游标ONB=1;游标位置ON
4)、游标或显示移位控制:
设定游标的移动与显示的移位控制位:
这个指令并不改变DDRAM的内容
5)、功能设定:
DL=1(必须设为1)RE=1;充指令集;RE=0:
基本指令集;
6)、设定CGRAM位址:
设定CGRAM位址到位址计数器(AC)
7)、设定DDRAM位址:
设定DDRAM位址到位址计数器(AC)
8)、读取忙碌状态(BF)和位址:
读取忙碌状态(BF)可以确认内部动作是否完成,同时可以读出位址计数器(AC)的值
9)、写资料到RAM:
写入资料到内部的RAM
10)、读出RAM的值:
从内部RAM读取资料(DDRAM/CGRAM/TRAM/GDRAM)
3.31-wire总线技术
3.3.1单总线技术概述
单总线(1-wire)是美国DallasSemiconductor公司的一项专利技术。
与目前多数标准串行数据通信方式不同,它采用单根信号线,且数据传输是双向的。
具有节省I/O口线资源,结构简单,成本低廉,便于总线扩展和维护等多有点。
目前,Dallas公司采用单总线接口的芯片具有多个种类,包括数字温度计,数字电位器,A/D转换器,RAM或EEPROM存储器等。
采用单总线接口设备可以方便地组成数据交换网络,由单总线设备组成的网络被称为微型局域网(MicroLAN)。
作为一种主从式网络,可以由单片机或者个人电脑作为网络上中的主设备,而网络中的其他单总线设备都作为从设备。
通过主设备对单总线的控制,实现数据的接收发送。
所以,该种网络的规模灵活可变,网络中的单总线设备可以几个或上千个,在理论上几乎不存在限制,由于微型局域网的组网十分简单,只需一对普通的双绞线就能组网,因而具有组网快、成本低等优点,非常适用于现场应用,使现场总线技术的一种新的选择。
3.3.2单总线接口的硬件结构
单总线通过一条总线进行数据的接收和传送,任何单总线系统都包括一台主机和一个或多个从机。
个别器件可以通过总线获得工作电源,当数据线为高电平时,电荷存储在器件内部;当数据线为低电平时,器件通过这些电荷来提供能量。
对于单总线器件,为了使每个器件在合适的时候都能被驱动,他们与总线匹配的端口也必须具有开漏输出或三态输出的功能,在主设备的总线处必须有上拉电阻,系统才能正常工作。
图3.5单总线接口硬件结构
3.3.3单总线芯片序列号
单总线一个基本的特色就是每一个芯片都有一个唯一的序列号,任何两个单总线设备的序列号都不会重复。
当一条总线上有多个单总线设备时,系统主机可以通过不同的序列号来识别每一个单总线设备。
单总线设备的序列号共64位8个字节,其中第一个字节表示器件的家族码,如数字温度传感器DS18B20的家族码是28H;中间六个字节表示的是器件的序列号;序列号最后8位表示的是前面56位的CRC校验码,通过校验读出的这64位数字的CRC校验结果,即可保证数据通信的正确性。
3.3.4单总线通信信号类型
单总线定义了复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1,除了应答脉冲外,所有的信号都由主机发出同步信号,并且发送所有的命令和数据都是低字节在前。
图3.6单总线写时隙
图3.7单总线读时隙
3.3.5单总线通信的初始化
单总线上的所有通信都是以初始化开始的,初始化包括主机发出的复位脉冲和从机发出的应答脉冲,这一过程如图3.8所示。
图中黑色实线代表系统主机拉低总线,灰色实线代表从机拉低总线,而黑色的虚线代表上拉电阻将总线拉高。
图3.8单总线复位时序
3.3.6单总线通信的ROM命令
●搜索ROM(代码为F0H)
当系统上电时,主机通过总线找出从机的ROM序列号,这样主机就可以判断出从机的数目和类型。
主机通过重复执行搜索ROM命令就可以找出总线上所有的从机设备。
●读ROM(代码为33H)
该命令适用于总线上只有一个设备的情况,主机通过该命令读出从机的序列号,而无需执行搜索ROM过程。
如果该命令用于多点系统时,由于每个设备都会发出响应,将会出现数据冲突。
●匹配ROM(代码为55H)
主机发出匹配ROM命令后,要跟随64位的单总线设备的序列号,仅当总线上的从机与64位序列号完全一致时,才会响应主机后续发出的命令,而其他的设备则处于等待复位脉冲的状态。
●直访ROM(代码为CCH)
主机可以通过该命令同时控制总线上的所有从机设备,而无需发出任何ROM代码信息。
比如主机可以通过该命令启动总线上所有的温度传感器开启温度转换,或同时启动所有的A/D转换,这样,主机可以只通过匹配ROM来读出每个设备的数据,从而节省了大量的时间,提高单总线系统的可靠性。
●条件搜索(代码为ECH)
有少数的单总线器件支持该命令,在支持该命令的器件中
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