基于单片机的粮仓测控系统

基于单片机的粮仓测控系统内容摘要：

0 内部结 构主要由六部分组成：电源电路、 64 位光刻 ROM 及 1wire 接口、温度传感器、非易失性温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器和 CRC 校验码产生器。 其内部结构如图 33 所示。 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 13 64位ROM 和单线接口存储器和逻辑控制器 高 速 缓 存存储器温度灵敏元件低温触发器TL高温触发器TH配置存储器8位 CRC生 成器电源检测VDQGNDVDD 图 33DSl8B20 的方框图 The block diagram DSl8820 64 位光刻 ROM 的排列是：开始 8 位（ 28H）是产品类型标号，接着的 48 位是该 DS18B20自身的序列号，最后 8 位是前面 56 位的循环 冗余 校验码 （ CRC=X8+X5+X4+1）。 光刻 ROM的作用是使每一个 DS18B20 都各不相同，这样就可 以实现一根总线上挂接多个 DS18B20的目的 [14]。 DS18B20 高速存储器包含了 9 个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。 第三个和第四个字节是 TH、 TL的易失性拷贝，第五个字节是配置寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。 第六、七、八个字节用于内部计算。 第九个字节是冗余校验字节。 其中，配置寄存器的内容如下： ―TM R1 R0 1 1 1 1 1‖低 5 位一直都是 1， TM 是测试模式位，用于设置 DS18B20 在工作模式还是在测试 模式。 在 DS18B20 出厂时该位被设置为 0，用户不要去改动。 R1 和 R0 用来设置分辨率，如表 31 所示：（ DS18B20 出厂时被设置为 12 位）。 表 31 分辨率设置表 resolution setting table R1 R0 分辨率 温度最大转换时间 0 0 9 位 0 1 10 位 1 0 11 位 375ms 1 1 12 位 750ms 高阳： 基于单片机的粮仓测控系统设计 14 DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量，以 12 位转化为例：用 16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供， 以 0. 0625℃ /LSB[16]形式表达，其中 S 为符号位。 如下表 32所示。 表 32 12 位的温度转化形式表 Tab. 32 12 temperature conversion table form bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0 LS Byte 23 22 21 20 21 22 23 24 bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8 MS Byte S S S S S 26 25 24 这是 12 位转化后得到的 12 位数据，存储在 DS18B20 的两个 8 比特的 RAM 中，二进制中的前面 5 位是符号位，如果测得的温 度大于 0，这 5 位为 0，只要将测到的数值乘于0. 0625 即可得到实际温度；如果温度小于 0，这 5 位为 1，测到的数值需要取反加 1 再乘于 0. 0625 即可得到实际温度。 根据 DS18B20 的通讯协议 ， 主机控制 DS18B20 完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对 DS18B20 进行复位，复位成功后发送一条 ROM 指令， 最后发送 RAM指令，这样才能对 DS18B20 进行预定的操作。 复位要求主 CPU 将数据线下拉 500 微秒，然后释放， DS18B20 收到信号后等待 16～ 60 微秒左右，后发出 60～ 240 微秒的存在低脉冲 ，主 CPU 收到此信号表示复位成功。 该 DSl8B20 的通信经过一个单线接口，在单线接口情况下，在 ROM 操作未建立之前不能使用存贮器和控制操作。 主机必须首先提供五种 ROM 操作命令之一： 1） Read ROM（读 ROM）； 2） Match ROM（符合 ROM）； 3） Search ROM（搜索）； 4） Skip ROM（跳过 ROM）； 5） Alarm Search（告警搜索）。 这些命令对每一器件的 64 位激光 ROM 部分进行操作。 如果在单线上有许多器件，那么可以挑选出一个特定的器件，并给总线上的主机指示存在多少器 件及其类型。 在成功地执行了 ROM 操作序列之后可使用存贮器和控制操作然后主机可以提供六 种存贮器和控制操作命令之一。 一个操作命令指示 DS18B20 完成温度测量。 该测量结果将放入 DS18B20 高速缓存存辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 15 储器，通过发出读缓存存储器内容的存储器操作指令可以读出此结果。 每一温度报警触发器 TH 和 TL构成一个字节的 EEPROM。 如果不对 DS18B20 施加报警搜索命令，这些存储器可用作通用用户存储器，使用存储器操作命令可以写 TH 和 TL。 对这些寄存器的读访问通过存储器，所有数据均以最低有效位在前的方式被读写。 寄 生电源 图 34 所示 为 寄生电源电路。 当 I/O 或 VDD 引脚为高电平时，这个电路便取得电源只要符合指定的定时和电压要求， I/O 将提供足够的功率。 寄生电源的优点是双重的：（ 1）利用此引脚，远程温度检测无需本地电源；（ 2）缺少正常电源条件下也可以读 ROM。 为了使 DSl8820 能完成准确的温度变换，当温度变换发生时 I/O 线上必须提供足够的功率。 因为 DSl8B20 的工作电流高达 lmA， 5K 的上拉电阻将使 I/O 线没有足够的驱动能力。 如果几个 DSl8B20 在同一条 I/O 线上而且企图同时变换。 那么这一问题将变得特别尖锐。 向 DSl8B20 供电的 另 一种方法是通过使用连接到 VDD 引脚的外部电源。 这种方法的优点是在 I/O 线上不要求强的上拉。 总线上主机不需向上连接便在温度变换期间使线保持高电平。 这就允许在变换时间内其它数据在单线上传送。 此外，在单线总线上可以放置任何数目的 DSl8B20，而且如果它们都使用外部电源 ， 那么通过发出跳过（ Skip） ROM 命令和接着发出变换（ Conver） T 命令，可以同时完成温度变换。 注意只要外部电源处于工作状态， GND（地）引脚不可悬空。 AT8 9S52DS18B20DS18B20DS18B20VCCGND VDDGND VDDGND VDDI/OI/OI/O 图 34 使用 VDD 提供温度变换所需电流 VDD for the use of current temperature is needed 高阳： 基于单片机的粮仓测控系统设计 16 在总线上主机不知道总线上 DSl8B20 是寄生电源供电还是外部 VDD 供电的情况下，在 DS18B20 内采取了措施来通知采用的供电方案。 总线上主机通过发出跳过（ Skip） ROM的操作约定。 然后发出读电源命令，可以决定是否有需要强上拉的 DSl8B20 在总线上。 在此命令发出后，主机接着发出读时间片 ， 如果是寄生供电， DS18B20 将在单线总线上送回 “ 0” ， 如果由 VDD 引脚供电，它将送回 1。 如果主机接收到一个 “ 0” ，它知道它必须 在温度变换期间在 I/O 线上提供一个强的上拉。 由此可见，采用 DSl8B20 温度传感器的粮情测控系统的测温电缆与传统的热敏电阻测温电缆不相同，该测温电缆一根导线可以连接多个 DSl8B20 温度传感器。 最大的特点是可以利用数据线供电，在测温电缆中只放置两根平行的细钢丝绳即可连接多个 DSl8B20 温度传感器，这样不仅使测温电缆的制造简便，成本下降，而且提高了测温电缆的抗拉强度、便于温度传感器的更换。 正是这些特点使得采用 DSl8B20 温度传感器的粮情检测系统更适用于高大粮仓（诸如浅圆仓、立筒仓）的应用环境，可以解决高 大粮仓在不需重新安装测温电缆的情况下更换测温电缆内部的温度传感器以及改变温度传感器相对位置。 湿度检测电路设计 HS1100/HS1101 湿度传感器介绍 测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。 电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化进行湿度测量的。 HS1100/HS1101 基于独特工艺设计的电容元件 ， 这些相对湿度传感器可以大批量生产。 可 以应用于办公自动化、车厢内空气质量控制、家电、 工业控制系统等。 在需要湿度补偿的场合他也可以得到很大的应用。 HS1100/HS1101 湿度传感器特点：不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结，由顶端接触 （ HS1100） 和侧面接触 （ HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路， 适用 于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。 HS1100/HS1101 湿度传感器特点： 1）精度较高； 2）温度系数为 pF/℃ ； 3）其相对湿度在 1%~100%RH 范围内； 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 17 4）电容量由 16pF 变到 200pF； 5）其误差不大于 177。 2%RH； 6）响应时间小于 5S； 7）可靠性高、稳定、响应速度快； 8）适用于线性电压输出和频率输出两种电路。 图 35HS1101 实物图 Fig. 35 HS1101 physical figure HS1100/HS1101 湿度传感器相对湿度在 1%~100%RH 范围内；电容量由 16pF 变到200pF， 其误差不大于  2%RH；响应时间小于 5s；温度系统为 ℃。 可 见其精度是较高的。 其湿度 电容响应曲线如图 36 所示。 图 36HS1101 湿度－电容响应曲线 HS1101 humidityCapacitance response curve 200 190 180 170 电容 F 10 20 30 40 50 60 70 80 相对湿度 % 高阳： 基于单片机的粮仓测控系统设计 18 湿度测量电路 HS1100/HS1101 电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其容量随着所测空气湿度的增大而增大。 如何将电容的变化量准确地转为计算机易于接受的信号，常有两种方法：一是将该湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再 A/D 转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于 555 振荡电路中，将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集。 频率输出的 555 测量振荡电路如图 37 所示。 集成定时器 555 芯片外接电阻 Rl， R3与湿敏电容 C，构成了对 C 的充电回路。 7 端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了。