基于DS18B20的远程粮仓温控系统

1 引言

粮食温度检测是储备库中防止粮食霉烂、保质存放的重要环节。对于一个农业大国来讲，粮食生产、需求与储备量都很大。大量粮食在储备的过程中常因粮食湿度过大而升温发热，导致粮食大量腐烂变质，给国家带来巨大损失。所以粮仓监控系统中温度测量是整个系统的主要功能之一。

本文介绍一种以单线数字温度传感器DS18B20为温度敏感元件的粮仓温控系统，系统以微型计算机为上位机， 89C51单片机为检测分机，DS18B20数字温度传感器直接与分机连接，分机与测温主机通过RS-485总线网进行通信，系统所有操作通过菜单命令完成。本文主要围绕下位机数据采集部分进行论述，并结合粮仓监控系统，对DSl8B20的这种单总线技术及其在本系统中的具体应用进行了讨论。

2 系统硬件设计

2.1 系统的总体设计

整个系统从结构上可分为三层：由微型计算机构成上位机——用户监控层，51 单片机系统分别构成测温主机——控制层和分机——温度数据采集层。上位机通过串行口与测温主机交换数据。测温主机与多台分机采用主从分布式结构。系统组成结构如图1 所示，测温主机与上位机通过RS-232 总线连接，测温分机与主机通过RS-485 总线连接。一台主机最多可管理64 台分机，一台分机可以测试大约1000 个温度点。本设计适用于中小型粮库。

 

图1 系统结构图

2.2 温度数据采集模块的设计

DS18B20是美国DALLAS公司生产的数字温度传感器芯片，具有结构简单、体积小、功耗小、抗干扰能力强、使用方便等优点。可以在三根线上同时并联多个温度传感器，每台分机上可以连接多根电缆，每根电缆上可以并联几十个点，构成串行总线工作方式。由于18B20芯片送出的温度信号是数字信号，因此简化了A/D转换的设计，提高了测量效率和精度；并且芯片的ROM中存有其唯一标识码，即不存在相同标识码的DS18B20，特别适合与微处理芯片构成多点温度测控系统。

每台测温分机的P0～P3 口分别可接N 个DS18B20 传感器(N<40)。上位机控制每台分机工作，实现多点测温。采集到的温度数据通过RS-485 通信总线连成的总线型网络进行传输，测温分机接收到DS18B20 所传送的温度数据，并将这些数据进行简单的处理发往上位机。主程序实现对DS18B20 的实时数据采集，将结果存贮于单片机的RAM 区。中断服务程序实现测温分机与上位机的通信。

测温分机按照上位机的命令来完成温度数据采集和发送工作。其先将采集的数据存放于外部存储器SRAM中，当收到上位机的上传数据命令时，由发送子程序将数据进行简单处理后通过串口TXD端送出。在测温主机的配合下，数据上传到上位机并在上位机的监控界面显示给用户。

2.3 RS-485总线在温控系统中的设计

在系统中用51单片机构成主从分布式测控系统, 具有价格低、控制功能强等许多特点。然而在应用中，测温主机与各粮仓相距较远，距离从几十米到几千米不等。对此远程粮仓，系统采用RS-485总线实现数据的远程传输。进行串行通信的主机与分机的RS-485接口电路如图2.3所示。该电路以MAX485芯片为核心器件进行半双工通信，具有通信功能强、可靠性高、程序设计简单等特点。

 

图2 典型RS-485(半双工)通信网

在使用RS-485接口时，对于特定的传输线径，从发生器到负载，其数据信号传输所允许的最大电缆长度是数据信号速率的函数，这个长度主要是受信号失真及噪声等影响所限制。当数据信号速率降低到90Kbit/S以下时，假定最大允许的信号损失为6dBV时，则电缆长度被限制在1200M。实际上，在实用时是完全可以取得比它大的电缆长度。当使用不同线径的电缆时，取得的最大电缆长度是不相同的。例如：当数据信号速率为600Kbit/S时，采用24AWG电缆，计算可知最大电缆长度是200m，若采用19AWG，电缆则电缆长度将大于200m；若采用28AWG电缆，则电缆长度只能小于200m。

RS-485总线是半双工方式，即总线上某一时刻不能同时出现发送和接收的情况。此方式用于多站互连时，可节省信号线，方便地实现RS-485的多点通信功能。考虑到中小型仓库地理位置特点，系统采用较低的接收、发送波特率，以换取更远距离的传送，此设计完全可以满足系统需求?/p>

3 软件设计

3.1 系统软件的工作流程

DS18B20 以单总线协议工作，测温分机首先发送复位脉冲命令，使信号线上所有的DS18B20 芯片都被复位，接着发送ROM 操作命令，使序列号编码匹配的DS18B20 被激活进入接收内存访问命令状态；内存访问命令完成温度转换、温度读取等工作(单总线在ROM 命令发送之前存储命令和控制命令不起作用)。DS18B20 工作流程见图3 所示。

 

图3 DS18B20 工作流程图

系统以ROM 命令和存储器命令的形式对DS18B20 操作。ROM 操作命令均为8 位，命令代码分别为：读ROM(0x33H)、匹配ROM(0x55H)、跳过ROM(0xCCH) 、搜索ROM(0xF0H) 和告警搜索(0xECH) 命令；存储器操作命令为：写暂存存储器(0x4EH) 、读暂存存储器(0xBEH)、复制暂存存储器(0x48H)、温度变换(0x44H)、重新调出EERAM(0xB8H)以及读电源供电方式(0xB4H)命令。其对时序及电特性参数要求较高，必须严格按照它的时序要求去操作。DS18B20 的数据读写由测温分机来完成，包括初始化、读数据和写数据。

系统软件采用模块化程序设计，主从式结构通信方式。规定总线上有一个测温主机和64台分机，分机地址唯一。初始化完成后各分机均处于监听状态，采用中断方式工作，测温分机接受上位机命令，向DS18B20发出地址匹配命令帧，进入等待状态，每一帧数据位都对应着不同意义，若地址匹配成功则进行响应分机，否则继续等待，直到等待超时而重发命令。温度采集模块负责数据的采集工作。

当缓冲区有数据时产生中断，程序转向中断服务子程序入口，中断子程序如下：