储油罐实时监测系统的设计与实现(编辑修改稿)

储油罐实时监测系统的设计与实现(编辑修改稿)内容摘要：

况下我们采用的是 TO－ 92 封装的 DS18B20， 如 图。 图 DS18B20 封装 由于 DS18B20 采用的是 1－ Wire 总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对 51 单片机来说，跟 I2C 总线设备一样，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对 DS18B20 芯片的访问。 DS18B20 是在一根 I/O 线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。 DS18B20 有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。 该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序，如图 所示。 所有时 序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。 而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。 数据和命令的传输都是低位在先。 图 DS18B20 的复位时序 长治学院学士学位论文 13 图 DS18B20 的读时序 DS18B20 的读时序分为读 0 时序和读 1 时序两个过程。 对于 DS18B20 的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在 15us 之内就得释放单总线，以让 DS18B20 把数据传输到单总线上。 DS18B20 在完成一个读时序过程，至少需要 60us才能完成。 图 DS18B20 的写时序 DS18B20 的写时序仍然分为写 0 时序和写 1 时序两个过程。 对于 DS18B20 写 0 时序和写 1 时序的要求不同，当要写 0 时序时，单总线要被拉低至少 60us，保证 DS18B20 能够在 15us 到 45us 之间能够正确地采样 IO 总线上的 “0”电平，当要写 1 时序时，单总线被拉低之后，在 15us 之内就得释放单总线。 在本系统中， DS18B20 的 2 引脚 DQ与主控器 STC90C516RD+ 的 P2^3 引脚相连，这条 I/O线上只挂载了一个 DS18B20，所以在操作时不 必去理会 DS18B20的 ROM编码，在单器件的情况下，为了节省时间则可以选择跳跃 ROM 指令（ define jump_ROM 长治学院学士学位论文 14 0xCC），即向 DS18B20 写入指令： 0xCC。 如过多芯片挂载使用此指令将会出现数据冲突，出现错误。 对 DS18B20 的整体操作如下： ； ROM 指令： 0xcc； ： 0x44； ； ROM 指令： 0xcc； ： 0xbe； ； ； 最后将读到的温度数据以十进制的表示方法返回给主调函数。 串口数 据发送模块 串口数据发送模块的主要功能是将温度，压力等数据用串口发送给上位机，实现对储油罐的远端检测功能。 在本系统中采用的串口数据通信芯片是 MAX485。 PC 机一般接收的 RS232 电平，不识别 RS485 的电平信号，所以在接收端需要将 RS485 电平转换为 RS232 电平。 利用 MAX485 的主要原因是它的有效传输距离能达到 1500m，而普通 RS232 电平信号的有效距离最多也超不过 20m。 在一个大型的炼油厂，储油罐与上位机的距离不可能在 20m之内， RS232 电平无法满足长距离传输数据的功能。 操作单片机发送串口 数据时，要利用定时器来设置波特率。 主要的操作步骤： 选择好工作方式，设置好串口的相应的寄存器，设置好定时器的寄存器，将要发送的数据放入串口缓存区。 串口发送的数据顺序是： 0x00， 0xff，油罐编号，温度，底端压力，上端压力； 其中 0x00,和 0xff是数据校验标志，当上位机收到一个数组后，先判断第一位是 0x00,且第二位是 0xff 后，就知道从第三位开始就是编号，温度，压力这些有效数据了，因为事先知道数据长度，就不用结束标志位了。 长治学院学士学位论文 15 向上位机发送的数据是源源不断的发送上去，每秒钟能发好几次，上位机再选择性的 接收数据并做出相应的处理。 在 windows 下使用串口调试工具，收到的数据如图 所示。 图 串口调试工具 用串口调试工具查看串口数据时，这些数据是以十六进制显示的，而且是一连串的数据，不知道它们代表的是什么意思。 用一定的方法将这些数据解析完毕后，我们就可以很清楚的理解他们的意思了，在 linux平台的终端中，显示解析后的数据如图 ： 图 linux平台的终端 数据 长治学院学士学位论文 16 显示模块 显示模块的功能是：将各传感器检测到的值经其他相应功能模块处理之后，以数值的形式显示在数码管上。 相对而言，显示模块在本系统中是一个比较简单的模块，硬件上由一个八位的八段数码管、一个 38 译码器（ 74H138）和一个锁存器（ 74H373）构成 ，如图 所示。 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .0 /T 21P 1 .1 /T 2 E X2P 1 .2 /E C I3P 1 .3 /C E X 04P 1 .4 /C E X 15P 1 .5 /C E X 26P 1 .6 /C E X 37P 1 .7 /C E X 48P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 / R D17P 3 . 6 / W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 / A 821P 2 .1 / A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C51 RD 2A1B2C3E16E24E35Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77U37 4 HC 1 3 8X1CR Y S T A LC11nFC21nFR12 4 0 kD03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE11U27 4 L S 3 7 3 图 显示电路 锁存器的输入端接单片机的 P0 口，将 P0 输出的电平保存起来，防止其跳变。 输出端接数码显示管的段选信号。 38 译码器输入端接单片机 三端， 8 个输出端分别接 8 位数码管上的位选信号。 位选的电平逻辑可参考 38 译码器的真值表，在此不再赘述。 特别强调的是，在操作单片机给 三端赋值时，应只给这三个端口赋值，尽量不要采用 “P2 = XXX”的形式。 这样虽然可以改变这三个端口的值，达到操作38 译码器的效果，但同时也改变了 P2 口其他五个端口的值，这就意味着对显示模块的操作可能会导致其他与 P2 口相连模块的功能产生错误。 可以这样赋值 ： P2^0 = X； 长治学院学士学位论文 17 P2^1= X； P2^2= X。 但这种赋值方式在这三个端口值不断变化的情况下，较为繁琐，所以利用 C 语言按位与，按位或，左右位移等方法较为简便，例如： P2 amp。 = 0xf8。 /*给 P2口赋位选值前，先将 p2 与（ 1111 1000） 逻辑与，将 P2^0,P2^1,P2^2 清零，从而不影 响其他位原来的电平 */ P2 |= weitable[w]。 /*将位选信号放进 P2 口的低三位，只改 变 P2口低三位的值，不影响其他位 */ 显示模块的程序代码中对外提供一个接口： display(d , w)函数。 其中 d 是段选参数，作用是显示什么数字； w 是位选信号，作用是在那一位上显示。 调用起来相当方便。 显示的方法是动态扫描显示，即每次只能在数码管的某一位上显示一 个数字，显示完当前数字之后立即显示下一位数字，当中间间隔小于 20m时，由于人体视觉有一定的滞留时间，所以无法察觉闪烁感，视觉效果与多位同时显示一致。 长治学院学士学位论文 18 4 系统设计之上位机部分 上位机可以是 x86 平台的计算机，也可以是 32 位 ARM 嵌入式设备。 一般对几十个储油罐进行监测，系统的资源消耗不会很大，也可以说是轻而易举一件事儿。 通的 PC功耗一般都超过 150W，对储油罐的监测是永不间断的，这种电能的消耗累计起来将是一个很大的量，粗略计算一下每天会消耗 电能 3 千瓦时 ，一年下来就是一千多 千瓦时。 但是用嵌入式设备制作一个专门 针对储油罐 的 监测系统，功耗一般不会超过 10W，同样能完成 PC 所能实现的 监测 功能， 但 功耗比 PC 低的多。 以下将简单对这两种方式做一简要的说明。 PC端软件 软件运行平台： Linux for x86 32 位 软件开发平台： Red Hat Enterprise Linux 5 Qt for linux 上位机 PC 端软件是在 linux操作系统下编译开发的，也是要运行在 linux 32 位平台上。 开发软件是 ， Qt 是一个 1991 年由奇趣科技开发的跨平台 C++图形用户界面应用程序 开发框架， 2020 年，奇趣科技被诺基亚公司收购， QT 也因此成为 诺基亚 旗下的编程语言工具，我们熟知的塞班操作系统的图形界面就是用 Qt 写的。 因为 Qt是跨平台程序开发软件，所以将源代码做极小量的修改，就可以在 Windows 平台下运行了。 选择 linux操作系统的原因是它很稳定，而且是免费的，绝大多数大型 IT 公司的服务器都采用的是 linux操作系统，甚至就连微软也采用了大量的 linux系统的服务器。 作为工业监测的设备，稳定性是相当重要的，通常情况下 linux操作系统开机一年都不会出现任何问题，完全能满足连续监测的任务。 整个图形化界面的源代码由以下文件组成见图。 长治学院学士学位论文 19 图 文件组织 其中 images 目录内是软件内的一些图片， ；； ； 这四个文件是第三方为 Qt封装的一个串口通讯的类，。 两个文件是我自己写的数据处理和图像化界面文件。 对串口的设置代码如下： myCom = new Posix_QextSerialPort(/dev/ttyS0,QextSerialBase::Polling)。 myCom open(QIODevice::ReadWrite)。 myComsetBaudRate(BAUD9600)。 myComsetDataBits(DATA_8)。 myComsetParity(PAR_NONE)。 myComsetStopBits(STOP_1)。 myComsetFlowControl(FLOW_OFF)。 myComsetTimeout(10)。 readTimer = new QTimer(this)。 readTimerstart(1000)。 connect(readTimer,SIGNAL(timeout()),this,SLOT(readMyCom()))。 } 长治学院学士学位论文 20 这种接收方式相当于单片机的串口 工作 方式 2，就实现了 上位机 与下位机的串口通讯。 软件开启 界 面 与 软件 界 面 如图 和 所示： 图 软件开启界面 图 操作界面 长治学院学士学位论文 21 这是一个简单的监测界面，出于实验和整体界面布局美观的考虑，暂时只设计了对四个储油罐监测的位置，若用于工业监测时，在程序中很容易增加几十个监测位置。 由于本人能力有限，暂时不能对该软件做出太多的功能。 但 是 Qt 是一个很强大的东西，可以建立一个数据库，对储油量，温度，。