粮库多点温度监测系统设计和实现

    1　引　言

    保证粮库中储藏粮食的安全,一个十分重要的条件就是要求粮食储藏温度保持在18℃~20℃之间。对于出现不正常升温,要求能够迅速的监测到,并且报警,使工作人员可以马上采取措施降温,如打开通排风设备等。DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的智能温度传感器,可以程序设定9~12位的分辨率,测量温度范围为-55℃~+125℃,在-10℃~+85℃范围内,精度为±0·5℃。DS18B20支持“一线总线”接口,用一根线对信号进行双向传输,具有接口简单,容易扩展等优点,适用于单主机、多从机构成的系统。DS18B20测量的现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,提高了系统的抗干扰性,适合于各种恶劣环境的现场温度测量。DS18B20支持3V~5·5V的电压范围,有TO-92、SOIC及CSP封装三种封装可选。分辨率,报警温度可设定存储在DS18B20的EEPROM中,掉电后依然保存。粮库多点温度监测系统上位机采用PC机,下位机由单片机和测温网络构成。温度监测系统能够对粮库的温度进行连续24小时不间断的监控,超过设定温度的值立即进行声光报警,并且能在PC机上显示出现异常温度的粮库地点。

    2　系统构成

    本系统由前端DS18B20的测温网络、无屏蔽四芯双绞线、端口驱动器、单片机、上位PC机(以上是硬件部分)和软件部分组成。单片机的编程语言采用C语言,开发工具选用KEILC51。上位PC机的人机界面和单片机的通信用VB编程。

    2·1　硬件组成

    系统的整体组成如图1。

    上位PC机主要功能是通过RS232接口与单片机通信,控制单片机读取温度值,并且实时的记录读取的通道编号,DS18B20编号,温度值,时间。可以作为原始资料的积累,用于将来的数据分析。当单片机检测到异常的储粮温度时,送信号到PC机和报警电路,有声光报警,提醒工作人员。

    单片机的测控板和驱动端口连接如图2所示,因为每一路的电路结构都是相同,图中只画出一路。

    “一线总线”通信协议通过AT89S51单片机的3个通用IO引脚产生。建立可靠“一线总线”网络必须提供正确的时序和适当的输出电压摆率。单片机发送信号的时序不正确会导致与温度传感器DS18B20器件之间的通信间断或完全失败。输出电压摆率若不加以控制将严重限制网络的长度。图2所示的驱动接口作用就是控制电压摆率,与软件配合,在总线网络的传输长度达到500米时,总线的时序仍然能满足规范要求。

    “一线总线”的总线有四种基本操作:复位、写1位、写0位和读位操作,字节传输可以通过多次调用位操作来实现。当总线为空闲时为高电平,P0·1和P0·3引脚都置成输入状态。单片机向总线写1的过程是置P0·1为高电平,上拉驱动的BSS84场效应管导通,单总线被拉成高电平,然后根据总线操作要求延时。单片机向单总线写0的过程是置P0·3引脚为高电平,使下拉驱动的2N7002场效应管导通,单总线拉成低电平。任何时候两个场效应管最多只允许其中一个导通。当单片机读取挂接在单总线上的DS18B20温度传感器的数据时,P0·1口和P0·3口都置成输入状态,释放总线。单片机读取数据的过程如下,DS18B20向单总线写1时,将拉总线的电平向+5V拉,单片机的P0·2引脚始终监视着总线的电平情况,当总线电平被传感器拉高超过1·4V时比较器LM324输出高电平,单片机P0·2引脚检测到高电平,则马上置P0·1引脚高电平,上拉驱动使BSS84场效应管导通,加快单总线被拉成高电平的速度,然后延时一段时间,置P0·1为输入状态,再次读取P0·2引脚的电平,两次读取的结果一致,则读取的数据作为一个有效bit保存。DS18B20向1-Wire总线写0时,将拉总线的电平向低电平拉,当总线电平低于1·4V时,比较器输出低电平,P0·2引脚检测到低电平时,置P0·3引脚为高电平,使下拉驱动的2N7002场效应管导通,加快总线的下拉速度,然后延时一段时间,置P0·3为输入状态,再次读取P0·2引脚的电平,两次读取的结果一致,则作为一位有效位保存。另外单总线操作时序的精度要达求到1us,所以单片机的选型上既要价格便宜,又要速度快,编程容易,我们选用了ATMEL公司的AT89S51单片机。AT89S51兼容MCS51微控制器,4K字节FLASH存贮器支持在系统编程4·0V到5·5V,全静态时钟0Hz到33MHz,,32个可编程IO口,2/3个16位定时/计数器,6/8个中断源,全双工UART,低功耗支持Idle和Power-do式,Power down模式支持中断唤醒,看门狗定时器,双数据指针,上电复位标志。在实际的应用中,时钟频率采用24M晶振。单指令时钟周期0·5μs,能满足单总线读写和延时的时序精度要求。