基于数字温度传感器DS18820的温度采集系统设计

　　一、系统概述
　　
　　本设计运用主从分布式思想，由一台上位机(PC微型计算机)和，下位机及无线温度传感器组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统。该系统采用RS-232串行通讯标准，通过上位机(PC)控制下位机（单片机）进行现场温度采集。温度值通过无线数传模块发送到主控PC进行数据处理，实时显示当前各点的温度值，对各点进行控制。下位机采用的是单片机基于数字温度传感器DS18820的温度采集系统。
　　
　　二、设计方案
　　
　　1．温度传感器部分
　　
　　采用数字数字温度传感器DS18820测量温度，输出信号全数字化，便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理性能很稳定，线性较好。在0℃～100℃时，最大线性偏差小于1℃。DS18820的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS1820和微控制器AT89C2051构成的无线温度传感器，它直接输出温度的数字信号，可直接向计算机无线传输数据。这样，测温系统的结构就比较简单，体积也不大，可以非常容易实现多点测量，轻松的组建传感器网络。使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。而且集成块的使用，可有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。
　　
　　2．主控制部分

　　采用AT89C2051八位单片机实现。单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便。
　　
　　为避免传统温度测温系统测温点少，系统兼容性及扩展性较差的缺点，本系统运用分布式通讯的思想，设计一种可以用于大规模多点温度测量的巡回检测系统。该系统采用的是RS-232串行通讯的标准，通过无线温度传感器进行现场的温度采集，将温度数据无线传输至上位机进行数据处理，具有巡检速度快、扩展性好、成本低的特点。实际采用电路方案如下图所示。

　　三、单元电路设计
　　
　　1．无线温度传感器设计
　　
　　无线温度传感器主要包括数字温度传感器DS18820、AT89C2051单片机和STR-30无线数传模块，其硬件电路如下图所示。

　　
　　2．温度传感器
　　
　　数字温度传感器DS18820具有3引脚TO -92小体积封装形式。测温分辨率可达0.0625℃．被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。CPU只需一根端口线就能与诸多DS18820通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。
　　
　　DS18820支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55℃~+125℃．在-10℃~+85℃范围内，精度为±0.5℃。
　　
　　现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。与DS1820的通信经过一个单线接口。在单线接口情况下，在ROM操作未定建立之前不能使用存贮器和控制操作。主机必须首先提供5种ROM操作命令之一:1）ReadROM(读ROM)；2)Match ROM(符合ROM)；3）Search ROM(搜索ROM)；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6种存贮器和控制操作命令之一。一个控制操作命令指示DS1820完成温度测量。该测量的结果将放入DS1820的高速暂存（便笺式）存贮器(Scratch-pad memory)，通过发出读暂存存储器内容的存储器操作命令可以读出此结果。每一温度告警触发器TH和孔构成一个字节的EEPROM，如果不对DS1820施加告警搜索命令，这些寄存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便笺存储器，所有数据均以最低有效位在前的方式被读写。
　　
　　数字温度传感器DS18820具有如下特性：采用1一Wire总线接口，可以方便实现多点测温。与主机连接方便，除5 kΩ的总线上拉电阻外无须其他额外器件。
　　
　　电源电压范围3.OV～5.5V，与3.3V和5V数字系统均可很好地兼容。测量范围为-55℃叶125℃，分辨率为9—12位可编程。通过编程可设嚣温度报警上下限，设置值掉电不丢失。内部集成了用于器件寻址的64bit光刻ROM编码。温度传感器DS18820的输出端一般要加一个上拉电阻，这个电阻通常取4.7kΩ，其作用是若温度传感器开路或没接时，能起到上拉作用，使之为高电平，使后续电路保护。电路图如下图所示。

　　3．STR-30无线数传模块
　　
　　STR-30型无线模块支持1200bps、2400hps等多种接口波特率，也可根据用户需求提供其他非标准接口波特率。最大发射功率lOmW。ISM频段，无需申请频点。载频频率433MHz，也可提供868/915MHz载频。高抗干扰能力和低误码率，基于GFSK的调制方式，采用高效前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力，在信道误码率为10-3时，可得到实际误码率10-6～10-7。传输距离远，在视距情况下，天线高度>2m，可靠传输距离可达800m(BER=10-3/1200bps)。多信道，STR-30标准配置提供8个信道，如果用户需要，可扩展到16/32信道。满足用户多种通信组合方式。
　　
　　STR-30提供两个串口3种接口方式．COM1为TTL电平UART接口。
　　
　　COM2由用户自定义为标准的RS-232/RS-485口佣户只需要拔插1位短路器再上电即可定义）。较大的数据缓冲区，接口波特率为1200/2400/4800/9600/19200/38400bps．格式为8N1/8EI用户自定义，可传输无限长的数据帧，用户编程更灵活。
　　
　　STR-30型微功率无线数传模块提供标准RS-232、RS-485和UART(TTL电平)3种接口方式，可与计算机、用户的RS-485设备、单片机或其他UART器件直接连接使用。使用STR-30之前，可根据自己的需要进行简单配置，以确定信道、接口方式和数据格式。STR-30的右上角有一组5位的短路跳线组(JP2)，分别定义为ABCDE，假设跳线开路（不插短路器）为状态1，跳线短路（插入短路器）为状态0，则配置方法如下：
　　
　　信道配置：JP2的ABC三位跳线提供8种选择，用户可以通过ABC3位跳线选择使用0～7号信道，在1个通信小网中，只要ABC的跳线方式相同，就可相互通信。
　　
　　接口方式选择：STR-30提供两个串口，COM1(JP1的PIN3、Pin4)固定为rrrL电平的UART串行口：COM2(JPI的Pin6、Pin7)可通过JP2的D位来选择接口方式：
　　
　　D=1（不插短路器）COM2=RS-485D：0（插入短路器）COM2=RS-232STR-30的通信信道是半双工的，最适合点对多点的通信方式，这种方式首先需要设1个主站，其余为从站，所有站都编一个唯一的地址。通信的协调完全由主站控制，主站采用带地址码的数据帧发送数据或命令，从站全部都接收，并将接收到的地址码与本地地址码比较，不同则将数据全部丢掉，不做任何响应；地址码相同，则证明数据是给本地的，从站根据传过来的数据或命令进行不同的响应，将响应的数据发送回去。这些工作都需要上层协议来完成，并可保证在任何一个瞬间，通信网中只有一个电台处于发送状态，以免相互干扰。
　　
　　4．看门狗电路
　　
　　本设计为单片机电路添加一个外部看门狗电路（如下图所示）。定时查询单片机的工作状态，一旦发现异常即对单片机延时重启，以保证系统安全可靠的运行。

　　
　　NE56604能为多种微处理器和逻辑系统提供复位信号，其门限电平为4.2V。在电源突然掉电或电源电压下降到低于门限电平时，NE56604将产生精确的复位信号。NE56604内置一个看门狗定时器，用于监控微处理器，以确保微处理器的正常运行。看门狗能产生一个系统复位信号用来终止任何由于微处理器故障而引发的不正常的系统操作。
　　
　　NE56604的看门狗的监控周期为100ms（典型值）。
　　
　　特性：正负双逻辑输出的有效复位信号，精准的门限电平监测，上电复位内部延时。可利用外部电阻调节的内部看门狗定时器。看门狗定时器的监控周期为100ms典型值。VCC=O.8VDC时产生有效的复位信号典型值，仅需很少的外围元件。

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