基于数字温度传感器的多点温度检测系统文档格式.docx
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anti-jamming.
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题背景1
1.2温度传感器的发展趋势1
1.2.1当今应用领域温度传感器的发展趋势1
1.2.2温度报警系统的发展方向2
1.3本课题研究的主要内容2
第2章单总线温度传感器DS18204
2.1一线总线器件工作原理4
2.1.1一线总线（1-WireBus）技术简介4
2.1.2一线总线工作原理4
2.2一线总线协议介绍5
2.3一线总线智能温度传感器DS1820简介6
2.3.1一线总线工作原理6
2.3.2一线总线工作原理图7
2.3.3一线总线（1-WireBus）技术简介7
2.3.4DS1820的读写时序图8
2.4DS1820在本次设计中的应用9
2.4.1ROM命令代码及其含义9
2.4.2存储器操作命令代码及其含义9
2.4.3温度检测系统原理及程序流程图9
2.5本章小结13
第3章硬件设计14
3.1总体设计14
3.2子站的总体设计15
3.389C51简介18
3.4驱动电路设计18
3.5RS-485总线介绍及MAX1480B原理19
3.5.1RS-485总线介绍19
3.5.2数据通信接口MAX1480B在本设计中的应用20
3.5.3延长传感器总线的研究21
3.6数据的异步串行传送22
3.7VisualBasic的通信控件23
3.8本章小结23
第4章软件设计25
4.1实时数据的采集25
4.2五大模块功能简介26
4.2.1界面显示模块27
4.2.2报警模块28
4.2.3数据通讯模块28
4.2.4网络模块28
4.2.5历史备份模块28
4.3本章小结29
第5章抗干扰设计30
5.1MAX705模块功能简介30
5.1.1“看门狗”工作原理简述30
5.1.2电路掉电检测于掉电保护工作原理30
5.1.3MAX705芯片简介31
5.1.4硬件“看门狗”与掉电监视电路的设计31
5.1.5中断监视程序清单32
5.2电路板的抗干扰性设计32
5.3瞬间高电压设计33
5.4软件限幅滤波设计34
5.5本章小结35
结论36
致谢37
参考文献38
附录A39
附录B44
第1章绪论
1.1课题背景
火力发电厂、变电站及安装有大型电力设备的工矿企业，往往铺设距离长、走向复杂的电力电缆。
这些电缆承受高电压，大电流，长期连续运行，所以特别容易引起温度上升。
尤其是电缆接头位置，电缆走向折弯处，电缆排列密处，由于接触电阻升高，散热不好等种种原因而导致温度较高。
电缆的温度升高若得不到及时发现并妥善处理，过高的温度会导致电缆接头爆炸。
引起电缆火灾这种危及安全运行，造成重大经济损失的恶性事故屡有发生，所以及时准确掌握电力电缆运行中的温度变化，对电力系统的安全运行是极其重要的。
粮食在不适当的温度和储藏条件下会发霉并不断扩散，造成极大的浪费。
据有关资料统计，我国每年因为变质而损失的粮食多达100亿斤。
更严重的是，毒素在霉变的过程中污染大面积的粮食，形成对人民群众身体健康的极大威胁。
可见高水准的粮食存储是关系到国计民生和战略储备的重大问题。
因此，粮食储备部门始终把粮情测控工作放在首位，对温度的测量尤其重视。
为了避免火灾事故的发生，早前普遍采用运行人员定期巡视的做法。
由于工作现场距离长，范围广、电缆之间排列顺序及走向复杂，粮仓现场粉尘污染严重，危害测温人的身体健康，巡视劳动强度很大。
以上因素导致人工定期巡视间隔时间长，事故隐患不能及时发现，同时运行人员在巡视过程当中时有各种事故的发生。
多点温度监测系统，能使工作现场温度变化24小时连续得到监测，温度越限时系统能及时报警，指出发热点位置，使运行人员不必再出入工作现场，在控制室内便可以了解各测点的温度变化，随时处理可能引起火灾的事故隐患，彻底防止电力电缆火灾，为电力系统安全运行提供保障。
1.2温度传感器的发展趋势
1.2.1当今应用领域温度传感器的发展趋势
温度监控、报警系统如今已经广泛应用于人类生产、生活的各个领域。
如家电、汽车、材料、电力电子、工业生产等。
在半导体集成电路芯片和数字技术没有广泛运用的过去，实现对温度的测量和监控，只能依赖于对温敏电子元器件的模拟物理量进行测量，进而转换为直观的测量结果。
从硬件电路设计方面来说，开发起来很麻烦，费工费时。
抗干扰的问题也较突出。
由于体积相对大一些，使用起来也不是很方便。
目前，国际上的温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化的方向飞速发展。
如今，随着数字温度传感器的诞生，曾经令人眼花缭乱的电路、密密麻麻焊接在一起的元器件，如今己经被一个小小的、毫不起眼的数字传感器代替了。
MAXIM,DALLAS（己被MAXIM收购）等世界上有实力的公司根据不同应用领域的不同需求推出了多款产品，性能良好、价格低廉。
使得我们对数字温度传感器有了足够的选择。
1.2.2温度报警系统的发展方向
由于温度传感器逐渐向着数字化、智能化的方向发展，目前基于温度探测的监控或者报警系统也产生了深刻的变化。
电路设计得更简单，也部分简化了软件的编写。
另外，无论是响应速度、系统运行周期、抗干扰能力、支持总线功能等等指标，都大大优于传统的、基于模拟传感器的测温系统。
在人类的生产生活、科学探索、国防军事、防灾抗灾活动中，测温系统广泛应用，其工作环境也就更加复杂多样。
为应对各种环境，传感器的设计也呈现多样化。
但有一点是共通的，那就是数字化和智能化的发展趋势。
各个国际知名的供货厂商不遗余力的开发出传输距离更长，总线组网能力更强，数据传输更快速、更准确，温度测量范围更大、更精确，测量精度更高，更经久耐用，功能更强，应用开发更便捷，同时也更便宜的传感器。
很多厂商还开发出独特的通信协议，使得智能化传感器能不经过外设的接口电路直接连接在总线或是网络上，又使得很多不同种类的电子器件能以相同的协议进行通讯。
而且在很多应用领域中，基于温度探测的监控和报警系统已经不仅仅是一个独立的系统，更多的时候是某个更大的监控系统的一个组成部分。
有时跟上位机相连，有时又和PC机连接，甚至可能连接在互联网上以实现远程监测、控制和访问。
数字化、智能化的传感器集采样、A/D转换、电平兼容、总线地址、报警、数据双向通信、接口协议众多功能于一身。
这为其广泛应用于各种不同的环境提供了便捷的条件。
总而言之，数字化、智能化传感器的出现和广泛使用，已经成为温度监控、报警系统的一个发展潮流和趋势。
随着时间的流逝，这种技术将发展得更加完善，应用前景也会更加广阔。
1.3本课题研究的主要内容
针对本项目的特点，本课题做了以下工作：
1.合理选择测点安装位置
国内外有关专家认为同样的传感器安装在不同的地方，其采集到的数据也会因当时环境的影响而使精度受到影响。
这就要求我们实时实地对测点位置进行考察。
经过反复实验，最终确定一个确实可行的安装方案。
同时又对一个测点更换不同的传感器，再对比所得到的数据，了解传感器的好坏。
从合理、经济、精度三个方面来选择适合自己项目的传感器。
2.智能型数据采集模块的开发
从国内外发展趋势来看，利用高档通用微机与多单片机系统的通讯技术已经越来越被人们认可。
单片机智能型在线测试系统在工业、科研、教学、实验等领域都得到了广泛应用。
在一个规模较大、计算、管理较复杂的系统中，采用多台单片机作为下位机是一个比较好的选择。
本项目采用美国美信集成产品公司（MAX）最新技术生产的先进数据采集技术器件，组成智能型终端检测设备子站，将温度检测、数据转换、测点寻址、数据发送在测点处同时完成，也便于管理。
而单片机在设计过程中不但要考虑从测点处采集的温度数值的转换，还要考虑与上位机的通信要求。
MCS系列单片机的串行口有四个工作模式，其中有两个模式是专门为多机通讯而设计的，本次设计采用89C51为单片机开发核心。
3.抗干扰性设计
由于本项目PC机与现场测点位置距离较远，所以抗干扰性设计是十分重要的。
干扰严重时，可使信号延迟或失真。
所以必须从传感器到主机分别进行抗干扰性设计，尤其是单片机电路板的设计上，要充分考虑抗电磁干扰问题和系统可靠性的要求。
在进行单片机应用产品的开发过程中，我们经常会碰到一个很棘手的问题，即在实验室环境下系统运行很正常，但安装在工作现场却出现一些不规律、不正常的现象。
究其原因主要是系统的抗干扰设计不全面，导致应用系统的工作不可靠，所以本次设计从单片机的软件和硬件两个方面来探讨一些提高应用系统抗干扰的方法，在系统的应用中取得良好的效果，基本上解决了令人头痛的干扰问题。
4.总线问题
PC机提供的串行口通讯标准是RS-232C，该标准以电平表示逻辑值，所以传送距离只能限制在25米以内，所能控制的下位机个数不能太多。
其可靠性也往往不能满足实时控制的工业环境要求。
希望采用更可靠性能更高的RS-485接口标准，采用PC机内置式RS-485接口卡安插在PC机的总线扩展槽上，其接受PC总线的控制。
设置成与MCS系列单片机多机通讯所必须的帧格式，在串行口输出端加接一片MAX485接口芯片，就能直接以RS-485接口标准与下位机通讯。
可靠性高，传输距离远，能控制多达32个下位机，而并不占用PC机配置的标准串行口资源。
在子站的设计上也加上一块RS-485收发器MAX485芯片，这样就可以相互以RS-485接口标准进行通讯。
5.PC机设计部分
PC机采用VB编程。
目前，VB已成为WINDOWS系统开发的主要语言，以其高效、简单易学、功能强大的特点越来越为广大程序设计人员所青睐。
VB支持面向对象的程序设计，具有结构化的事件驱动编程模式并可以使用无限扩增的控件，而且可以十分简便的做出很好的人机界面。
在标准串口方面，VB提供具有强大功能的通信控件MSCOMM，文件名为MSCOMM.VBX,该控制可以发送和接收，对串口状态和串口通信的信息格式和协议进行设置。
这是一个标准的十位串口通信，包括8位标准数据和数据的起始位和停止位。
在发送或接收数据过程中触发OnComm事件，通过编程访问CommEvent事件属性了解通信事件的类型，分别进行各自的处理，每个通信控件对应一个串口，可以设计多个通信控件来访问多个通信口。
本系统上位机由一台微机组成，软件采用VB编程，做出十分直观的人机界面。
并通过串行口将所需要的各种预置信号传给单片机系统。
同时，现场实测信号经过线性光电隔离器送到PC机内，如此设计界面，直观而且有利于对现场信号进行实时监测。
对监测人员来说，人机界面良好、简单易懂、容易操作、而且包含限值报警、定时信息存储、统计报表打印、数据图形化等功能。
6.网络通讯设计
在电力电缆实时监测系统中，要根据电力系统计算机网络发展的需要，系统要有联网功能，使系统形成服务器－客户模式。
在网络上任何一台安装有客户程序的计算机都可访问服务器上的实时数据，实现数据共享，使系统的功能得以充分发挥。
第2章单总线温度传感器DS1820
2.1一线总线器件工作原理
2.1.1一线总线（1-WireBus）技术简介
目前，常用的微机与外设串行总线主要有我们熟知的I2C总线，SPI总线，SCI总线等等。
其中I2C总线是以同步串行2线方式进行通信（一条时钟线，一条数据线），SPI总线是以同步串行3线方式进行通信（一条时钟线，一条数据输入线，一条数据输出线），SCI总线是以异步方式进行通信（一条数据输入线，一条数据输出线）。
这些总线至少需要有两条或两条以上的信号线。
近年来，美国的达拉斯半导体公司（DALLASSEMICONDUCTOR）推出了一线总线（1-WireBus）技术[7][8]，与上述的总线不同，它采用单根信号线，既传输时钟，又传输数据，而且数据传输是双向的，其具有线路简单，减少硬件开销，成本低廉，便于总线的扩展和维护等优点。
一线总线适用于单个主机系统，能够控制一个或多个从机设备，如图2-1。
主机可以是微控制器，从机则是一线总线器件。
它们之间的数据交换只通过一条信号线。
当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作;
当有多个从机设备时，则系统按多节点系统操作。
图2-1单主机多节点结构示意图
2.1.2一线总线工作原理
顾名思义，一线总线只有一根数据线，系统中的数据交换、控制都在这根线上完成。
设备（主机或从机）通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，这样允许设备不发送数据时释放总线，以便其他设备使用。
其内部等效电路图如下图2-2所示。
图2-2一线总线硬件接口示意图
2.2一线总线协议介绍
一线总线系统网络的主机和从机之闯，遵循一线总线协议进行通信。
目前大多数传感器系统是采用放大、传输、数模变换这种处理模式。
这种模式中传输的方式采用并口或采用串口，这两种方式一般要占用数根数据/控制线，限制了单片机使用功能的扩展。
一线总线协议就解决了这种问题。
数字式传感器的核心之一就是采用什么协议能最大限度的高速安全的传输数据，另外就是如何更好的节省硬件资源。
一线总线协议通过一根总线实现主设备对从设备的控制（主设备往往是微控器等），一线总线器件在采用这种工作方式时就充当着从设备的作用。
由于只有一根线，并且没有译码功能，所以这些器件是一线总线系统唯一的从设备，所有的数据和命令都在这根总线上传送，数据和命令字节传送顺序是从低位到高位。
为了使其它的设备也能使用这根线，一线总线协议通过一个三态门转换传输状态，使得每一个设备在不传送数据时空出该数据线给其它设备。
因为一线总线在外部有一个上拉电阻，所以在总线空闲时是高电平。
为保证信号的完整性，一线总线协议定义了以下几种信号：
复位脉冲、存在脉冲、读写0或1，除存在脉冲外，其它的信号均由主设备发出。
图2-3一线总线器件接口结构示意图
如上图2-3示，RX和TX分别是内部数据的发送和接收端，外界的环境量变化引起敏感膜的变化，产生的电信号被编码成数字量，存储在专用寄存器当中，经由DQ端读入到单片机当中。
主设备给低电平并保持480us就空出总线并进入接收模式RX。
此时上拉电阻器使总线为高电平，即空闲状态。
一旦一线总线器件检测到这一上升沿，就会等待15-60us，并给出存在脉冲使总线保持60-240us的低电平。
而写操作均在读、写时隙之间进行，在每个时隙中，系统只传送一个二进制位。
1-Wire协议定义的几种信号类型:
复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1时序，组成了所有总线上传输的信号。
也就是说，所有的一线总线命令序列（初始化、ROM命令、功能命令）都是由这些基本的信号类型组成的。
这些信号，除了应答脉冲外，都是由主机发出，并且发送的所有命令和数据都是字节的低位在前。
另外，初始化时序同时包括主机发出的复位脉冲和从机发出的应答脉冲。
主机通过拉低一线总线至少480us，以产生TX复位脉冲;
然后主机释放总线，并进入RX接收模式。
当主机释放总线时，总线由低电平跳变为高电平时产生一个上升沿，一线总线器件检测到这个上升沿后，延时15-60us，接着一线总线器件通过拉低总线60-240us，以产生应答脉冲。
主机接收到从机应答脉冲后，说明有一线总线器件在线，然后主机就可以开始对从机进行ROM命令和功能命令操作。
综上所述，在一线总线上进行数据传输时，一线总线器件和主机之间必须遵循严格的读时序和写1、写0时序。
在每一个时序中，总线只能传输一位数据。
所有的读、写时序至少需要60us，且每两个独立的时序之间至少需要1us的恢复时间。
读、写时序均起始于主机拉低总线。
在写时序中，主机拉低总线后，在l5us之内释放总线，向一线总线器件写1；
若主机拉低总线后，保持至少60us的低电平，则向一线总线器件写0。
一线总线器件仅在主机发出读时序时才向主机传输数据，所以，当主机向一线总线器件发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便一线总线器件能传输数据。
在主机发出读时序之后，一线总线器件才开始在总线上发送0或1，若一线总线器件发送1，则保持总线高电平，若发送0，则拉低总线。
一线总线器件发送数据之后，保持有效时间15us，因而，主机在读时序期间必须释放总线，并且必须在15us之内采样，从而接收到从机发送的一位数据。
2.3一线总线智能温度传感器DS1820简介
2.3.1一线总线工作原理
单线接口仅需一根线与MCU联接
需外围元件
由总线提供电源
测温范围-55℃-+125℃，精度为0.5℃
九位温度读数
A/D转换时间为200ms
用户自设定温度报警上、下限，其值是非易失性的
报警搜索命令可识别哪片DS1820温度超限
2.3.2一线总线工作原理图
DS1820的引脚见图2-4所示：
图2-4DS1820的引脚示意图
GND：
地
DQ：
数据输入/输出（单线接口，可作寄生供电）
VDD：
可选电源引脚
2.3.3一线总线（1-WireBus）技术简介
本设计采用了美国DALLAS公司最新的数字式温度传感DS1820DS1820内部结构如图2-5所示：
图2-5DS1820内部结构图
DS1820数字式温度传感器是新一代半导体集成传感器，它充分利用了大规模集成电路技术，把多项功能集中于一体，克服了传统式温度传感器所存在的问题。
DS1820的主要功能部件包括：
温度检测电路；
A/D转换电路；
只读存储器ROM:
随机存储器RAM：
电可擦除E2PROM；
串行通信口等。
DS1820的主要功能如下：
首先由温度检测电路将被测点的温度值检测并输入进来，由于DS1820采用了先进的差分对管线性化技术，克服了传感器在检测信号进入到半导体的非线性工作区后，所带来的非线性失真，大大提高了测量范围和精度。
DS1820的测量范围－55℃～+125℃，测量精度为士0.5℃。
温度值由模数转换电路将模拟量转换成两字节8位数字量，其中第一字节8位数字量是温度绝对值，正值以二进制原码形式表示，负值以二进制补码形式表示。
第二字节存放正负温度标识码，其中Ox00H代表正温度值，OxFFH代表负温度值。
除了模数转换电路使用了两字节RAM存储单元外，DS1820内部还含有7字节的RAM存储单元，如图2-6所示。
各存储单元定义如下：
D6，D7：
利用这两个单元中的数据，可以对A/D转换的数字温度值进行修正，使转换精度得以提高。
经修正后，最高精度可达士0.1℃
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