基于DS18B20的糧食無線檢溫系統(tǒng)的設計

裴勇+袁家厚+劉洋

摘要：介紹基于DS18B20的糧倉無線檢溫系統(tǒng)的硬件與軟件設計。該測溫系統(tǒng)以單片機STC89C58RD為控制核心，采用模塊化設計，結構簡單、運行可靠、滿足精度要求，具有較高的性價比，適宜在糧倉溫度檢測中應用推廣。

關鍵詞：無線檢溫系統(tǒng)；模塊化結構；硬件；軟件

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）12-0014-04

糧食溫度檢測是糧食日常保管的重要環(huán)節(jié)。現(xiàn)有糧食檢溫系統(tǒng)復雜，接點連線多，安裝調試困難，急需一種廉價、穩(wěn)定、可靠、高質、簡單易用的檢溫系統(tǒng)，以徹底解決糧庫的檢溫難題。為此，采用單總線數(shù)字測溫元件，設計一種簡單實用的測溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)接線少，組合方便，并可把檢溫結果實時地傳送到遠端的計算機中進行處理和打印。

1 系統(tǒng)結構及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

該測溫系統(tǒng)主要由測溫電纜（含傳感器）、測溫終端和微機組成。系統(tǒng)結構框圖如圖 1所示。

1.2 工作原理

控制室由計算機經(jīng)USB-RS485轉換器通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)器向現(xiàn)場發(fā)布命令，由現(xiàn)場的無線數(shù)據(jù)收發(fā)器傳送給單片機，單片機接到命令后進行處理。單片機與測溫元件DS18B20進行雙向通訊，可以進行溫度的單點檢測、單線纜檢測、單倉檢測與全部檢測，也可以進行狀態(tài)傳輸、數(shù)據(jù)維護等，現(xiàn)場的各個終端都具有各自獨立的地址。傳輸方式更加靈活，在不便于施工架線或儲糧現(xiàn)場與管理部門距離較遠時，可以使用無線數(shù)據(jù)傳輸方式，若干個終端電路共用一個RS485無線模塊。

2 硬件設計

該測溫系統(tǒng)的所有元件均采用耐-40 ℃低溫的元件，各電路均采用模塊化設計。檢測裝置在保證功能可靠的前提下，盡量利用單片機本身的資源，以軟代硬。單片機處理電路選用STC89C58RD，其最高時鐘頻率可達85 MHz，60 Kflash存儲器，1 280 Byte RAM，16 K E2PROM，4 kV ESD保護，在系統(tǒng)可編程，這些特點決定了幾乎不需要額外擴展接口電路，就可以完全滿足要求。該系統(tǒng)采用11.059 2 MHz的系統(tǒng)時鐘，這樣可充分發(fā)揮STC89C58RD的資源優(yōu)勢，降低成本。

2.1 主電路

實際現(xiàn)場中各終端可能相距較遠，因此采用RS485標準通信，采用光電耦合器與單片機系統(tǒng)進行隔離，以保證通訊的可靠性。為降低成本，現(xiàn)場的若干個單元電路共用一個RS485無線模塊。為防止現(xiàn)場各種干擾造成通訊差錯，在數(shù)據(jù)傳輸過程中使用CRC校驗，以便在通訊錯誤發(fā)生時能夠及時發(fā)現(xiàn)并予以更正。

2.2 傳感器模塊

溫度傳感器采用Maxim公司的1-wire數(shù)字測溫元件DS18B20，克服了引線長短不同造成的測量誤差，并且使應用設計上省略了信號調理、A/D轉換、濾波等電路，一致性好，無需調試。其特點是：1） 可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍3.0～5.5 V； 2） 測溫范圍

-55.0～125.0 ℃，在-10.0～85.0 ℃時精度為±0.5 ℃；3） 可編程的分辨率為9～12位，12位分辨率時可在750 ms內(nèi)把溫度值轉換為數(shù)字；4） 每一個元件都具有全球唯一的64位序列號。

DS18B20的外形及引腳說明如圖2所示，其內(nèi)部結構如圖3所示。DS18B20接線少，只用3根引線就可以掛接十幾個測溫元件，通過序列號對這十幾個測溫元件準確完整無誤地管理，能夠分辨出每個測溫點的位置。

檢測電路如圖4所示。U2是具有光電隔離的RS485模塊，采用隔離電源以減少干擾，直接連在通訊總線上或者連接在無線通訊模塊上。P0，P2口外接16路檢溫電纜，傳輸距離為50 m，每根電纜可掛接20個DS18B20。SW1為8位地址選設置開關。

3 軟件設計

該測溫系統(tǒng)的應用程序在結構上與硬件配置相適應，采用模塊化結構。主程序調用不同的子程序組成完整的系統(tǒng)程序。計算機管理程序以VB編寫，具有檢測、查詢、管理、打印功能。

檢測終端電路由初始化程序、主程序、DS18B20單字節(jié)讀寫子程序、序列號匹配子程序、通訊子程序、數(shù)據(jù)校驗子程序、故障代碼處理子程序等構成，能完成單點檢測、單線纜檢測、單倉檢測、巡回采集等。終端電路主程序框圖如圖 5 所示。

在各種子程序設計中，單總線器件DS18B20難度較大，時序配合嚴密，否則極易造成通訊失敗，下面給出了調試通過的DS18B20單字節(jié)讀/寫子程序及延時子程序清單。

4 系統(tǒng)運行可靠性

為了保證系統(tǒng)的可靠運行，必須采取有效的抗干擾措施。在硬件方面，將測量與控制電路電源分開，采用光電耦合器隔離。在軟件方面，采用程序陷阱技術、CRC校驗、程序冗余技術和看門狗技術（watchdog），保證當程序跑飛時能有效復位。

5 系統(tǒng)實際運行情況

某糧倉有5根電纜，每根電纜10個測溫點，檢測結果見表1。

由表1的檢測結果可以看出，同一電纜的溫度環(huán)境基本相同，重復性相當好。

目前該測溫系統(tǒng)已投入應用，工作溫度為-35.0～70.0 ℃，在-30.0～70.0 ℃的范圍內(nèi)無修正時精度可達±0.5 ℃。實際使用結果表明，該系統(tǒng)抗干擾性強，檢溫精度高，溫度反應靈敏。

6 結語

可靠有效的糧食溫度監(jiān)測是安全儲糧的關鍵。本文研發(fā)的測溫系統(tǒng)，以數(shù)字測檢溫元件取代模擬測溫元件，將常見的主機—分機—分線器的3級結構簡化為單級結構并行檢測終端，軟硬件均采用模塊化結構，簡單可靠，數(shù)據(jù)傳輸方式靈活，安裝調試方便，具有較高的性價比，能滿足生產(chǎn)實際要求。