摘要：為了克服空調(diào)檢測(cè)系統(tǒng)存在的布線復(fù)雜、溫度采集穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20具有一線總線、可組網(wǎng)的特點(diǎn)，結(jié)合AT89S52單片機(jī)，給出一種用于空調(diào)檢測(cè)系統(tǒng)的高效穩(wěn)定的溫度采集方案，討論了16片DS18B20數(shù)字溫度傳感器硬件連接和程序設(shè)計(jì)。應(yīng)用情況表明，該溫度采集方案具有準(zhǔn)確率高、穩(wěn)定性好、安裝方便等特點(diǎn)，有效提高了空調(diào)檢測(cè)系統(tǒng)的性能。
在空調(diào)生產(chǎn)過(guò)程中，為確保空調(diào)產(chǎn)品的質(zhì)量，空調(diào)制造商在產(chǎn)品出廠前都必須對(duì)空調(diào)進(jìn)行加熱帶、制熱、制冷等環(huán)節(jié)的測(cè)試，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的電壓、功率、輸入管溫、輸出管溫、回氣溫度、排氣溫度等參數(shù)判斷空調(diào)是否合格，其中溫度參數(shù)檢測(cè)是整個(gè)空調(diào)檢測(cè)系統(tǒng)的重要部分。
在傳統(tǒng)的空調(diào)檢測(cè)系統(tǒng)中，溫度采集模塊多以熱電阻、熱電偶為溫度傳感器，溫度模擬信號(hào)必須經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后才能被單片機(jī)處理，使用一段時(shí)間后，系統(tǒng)檢測(cè)到的溫度值往往不夠準(zhǔn)確，同時(shí)由于溫度采集點(diǎn)分布范圍廣，增加了布線難度，也給系統(tǒng)維護(hù)帶來(lái)不便。
本文采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器、AT89S52單片機(jī)，設(shè)計(jì)出適合空調(diào)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度采集模塊，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)16個(gè)采集點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的同步采集和傳輸。
1 系統(tǒng)構(gòu)成
空調(diào)檢測(cè)系統(tǒng)溫度采集模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。溫度采集模塊包括電源子模塊、16路溫度采集子模塊、看門(mén)狗子模塊、報(bào)警子模塊、RS485接口子模塊。微控制器采用Atmel公司的AT89S52，溫度采集采用Dallas公司的數(shù)字溫度傳感器DS18B20。上位機(jī)采用研祥工控機(jī)，監(jiān)控軟件采用Visual Basic 6.0編程。
溫度采集模塊電路板固定在每個(gè)工作站的控制柜里，并將現(xiàn)場(chǎng)采集到的各點(diǎn)溫度值實(shí)時(shí)傳送給上位機(jī)，因此，溫度采集模塊并沒(méi)有集成LCM子模塊和鍵盤(pán)電路。
2 硬件連接
2.1 DS18B20數(shù)字溫度傳感器
DS18B20數(shù)字溫度傳感器溫度測(cè)量范圍為-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃，可實(shí)現(xiàn)9bit~12bit溫度讀取。DS18B20具有一線總線的特點(diǎn)，可以輕松組建溫度采集網(wǎng)絡(luò)，并且體積小、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)用性和可靠性比同類(lèi)產(chǎn)品更高[1]，因此，在軸承測(cè)溫[2]、凍土區(qū)公路路基溫度測(cè)量[3]等場(chǎng)合有著廣泛的應(yīng)用。
DS18B20溫度寄存器中的溫度值以9bit數(shù)據(jù)格式表示，而輸出溫度則是以16bit符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式提供，其中低8bit用補(bǔ)碼表示，第9bit～16bit為擴(kuò)展符號(hào)位�？照{(diào)檢測(cè)系統(tǒng)所需檢測(cè)的溫度值均在0℃以上，這樣，只需讀取緩存9個(gè)字節(jié)的前兩個(gè)字節(jié)即可。
2.2 DS18B20硬件連接
DS18B20器件都有一個(gè)唯一的64bit ROM地址，通過(guò)協(xié)議就能識(shí)別這些序列號(hào)，這樣多個(gè)DS18B20可以掛接在同一條單總線上，構(gòu)成多點(diǎn)溫度采集網(wǎng)絡(luò)。由于DS18B20具有“單總線”的技術(shù)特點(diǎn)，因此可以采用兩種不同的方式連接單片機(jī)。
(1)單端口并聯(lián)連接：所有DS18B20均連接在同一條總線上，然后再連接到單片機(jī)的某個(gè)I/O端口。這種連接方式具有硬件開(kāi)銷(xiāo)小的優(yōu)點(diǎn)，理論上一根總線可以掛接256個(gè)DS18B20，但若連接的數(shù)字傳感器數(shù)量較多，單片機(jī)需要花較多的時(shí)間才能獲得每個(gè)傳感器的序列號(hào)，會(huì)降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)使得軟件編程變得復(fù)雜。
(2)多端口并行連接：每個(gè)DS18B20獨(dú)占單片機(jī)某個(gè)I/O端口。這種并行連接方式使得單片機(jī)能夠?qū)λ械臄?shù)字傳感器進(jìn)行并行操作，同一時(shí)間能實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸入輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度數(shù)據(jù)的快速讀取，從而提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)也使得軟件編程變得簡(jiǎn)單，縮短了項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)周期。這種連接方式的缺點(diǎn)是硬件開(kāi)銷(xiāo)比較大。
根據(jù)空調(diào)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際需要，系統(tǒng)使用16片DS18B20構(gòu)成小型溫度數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合單端口并聯(lián)連接和多端口并行連接的連接特點(diǎn)，每個(gè)I/O端口連接兩片DS18B20，共使用8個(gè)I/O端口，單片機(jī)與16片DS18B20連接框圖如圖2所示。DS18B20芯片的DQ端和單片機(jī)的I/O端口相連，并接上一個(gè)4.3kΩ的上拉電阻，芯片的GND端接地線，VDD端接5V電源線。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8bit微控制器，具有8KB Flash，256B RAM，32bit I/O口線，3個(gè)16bit定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，其資源性能可以滿(mǎn)足空調(diào)檢測(cè)系統(tǒng)溫度采集的需要。
單片機(jī)需要通過(guò)接口電路實(shí)現(xiàn)與DS18B20的連接，接口電路圖如圖3所示。J1是接線端子臺(tái)， DS18B20通過(guò)三芯電纜連接到J1；二極管IN4148實(shí)現(xiàn)電壓鉗位；RWDS1和單片機(jī)AT89S52的一個(gè)I/O端口相連；16片DS18B20通過(guò)J1~J8與溫度采集模塊連接。
3 程序設(shè)計(jì)
3.1 DS18B20溫度采集
DS18B20溫度采集基本流程：?jiǎn)纹瑱C(jī)發(fā)出復(fù)位脈沖，當(dāng)信號(hào)線上的DS18B20發(fā)出存在脈沖后，即完成DS18B20的初始化工作；單片機(jī)檢測(cè)到存在脈沖，便發(fā)起ROM操作命令；發(fā)送內(nèi)存操作指令，啟動(dòng)DS18B20溫度轉(zhuǎn)換；延時(shí)2μs等待溫度轉(zhuǎn)換完成；發(fā)出匹配ROM命令后緊接著發(fā)送片內(nèi)ROM序列號(hào)；讀取序列號(hào)對(duì)應(yīng)的DS18B20暫存器，從而讀出溫度值；讀完一個(gè)DS18B20溫度值后，接著轉(zhuǎn)向下一個(gè)DS18B20的操作。這樣的操作循環(huán)進(jìn)行，從而完成對(duì)所有DS18B20溫度值的讀取。溫度采集基本流程圖[1]如圖4所示。
DS18B20作為智能集成溫度傳感器，其智能化實(shí)現(xiàn)要以高質(zhì)量代碼作保障。因?yàn)樽x取每一個(gè)DS18B20都需要匹配序列號(hào)，復(fù)位、讀、寫(xiě)操作都需要針對(duì)不同的I/O口，所以，16片DS18B20經(jīng)單片機(jī)8個(gè)I/O口接入，需要定義對(duì)應(yīng)8個(gè)I/O口的變量：18b20_0~18b20_7、18b20_0定義語(yǔ)句表示如下：“sbit 18b20_0=P1^0;”；需要定義8個(gè)復(fù)位(初始化)函數(shù)：void re18b20_0()~void re18b20_7()；需要定義8個(gè)寫(xiě)函數(shù)：void wr18b20_0(uchar ml)~void wr18b20_7(uchar ml)；需要定義8個(gè)讀函數(shù)：void rd18b20_0()~void rd18b20_7()。對(duì)于單個(gè)I/O口(如P1.0)，單片機(jī)在發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令后，發(fā)送匹配命令wr18b20_0(0x55)；連續(xù)調(diào)用8次寫(xiě)函數(shù)發(fā)送序列號(hào)；發(fā)送讀溫度暫存器命令wr18b20_0(0xbe)；調(diào)用讀函數(shù)rd18b20_0()讀取溫度低8 bit；經(jīng)溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)處理后，將溫度整數(shù)部分保存在wd[0]，小數(shù)部分保存到wd[1]。讀取另外一片DS18B20，其溫度值的整數(shù)和小數(shù)部分分別保存到wd[2]、wd[3]。讀取P1.1端口，溫度讀取過(guò)程相同。所有傳感器的溫度值都保存到wd數(shù)組中，最后由單片機(jī)AT89S52按照Modbus協(xié)議發(fā)送給上位機(jī)。
3.2 程序編寫(xiě)需要注意以下幾點(diǎn)
(1)單片機(jī)采用C51編程，代碼功能模塊清晰，可讀性強(qiáng)。從本應(yīng)用狀況來(lái)看，其實(shí)時(shí)性能得到保證，因此，匯編語(yǔ)言不一定是最好的選擇。
(2)空調(diào)檢測(cè)系統(tǒng)所采集的溫度均在0℃以上，并且上位機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警功能，因此，讀函數(shù)讀取RAM寄存器只需讀取前兩個(gè)字節(jié)。
(3)單片機(jī)和上位機(jī)軟件通信采用Modbus協(xié)議的RTU模式，因此，溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)實(shí)現(xiàn)的功能就是將溫度低字節(jié)轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，并保存到數(shù)組里。
4 應(yīng)用分析
空調(diào)檢測(cè)是在一個(gè)溫濕度變化復(fù)雜、干擾源多的空調(diào)檢測(cè)房里進(jìn)行，空調(diào)檢測(cè)系統(tǒng)包括1#~6#工作站，每個(gè)工作站均配有5臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)機(jī)。定頻、變頻一拖一、一拖多等機(jī)型的室外機(jī)由生產(chǎn)線運(yùn)送到各站臺(tái)，電源線、信號(hào)線等連接完畢后，即可掃描條碼進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)過(guò)程中，上位機(jī)軟件能實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度、壓力等參數(shù)，檢測(cè)完畢，系統(tǒng)自動(dòng)存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)，如果參數(shù)不合格，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
基于空調(diào)檢測(cè)環(huán)境溫濕度變化復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)狀況，數(shù)字溫度傳感器DS18B20需要采用不銹鋼外殼封裝，以達(dá)到防水防潮目的。DS18B20溫度采集點(diǎn)主要分布在室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口和盤(pán)管。測(cè)量壓縮機(jī)排氣管溫度時(shí)，不銹鋼封裝的DS18B20需要嵌入固定到金屬夾里面，通過(guò)這樣測(cè)量方式得到的是排氣管表面溫度，需要利用上位機(jī)軟件進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理，才能得到排氣管的實(shí)際溫度。
上位機(jī)監(jiān)控軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，軟件分為數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)管理、用戶(hù)管理模塊，并將各模塊的實(shí)現(xiàn)代碼封裝成模塊和類(lèi)模塊。需要注意的是：為了方便對(duì)DS18B20數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行安裝、測(cè)試和維護(hù)，監(jiān)控軟件應(yīng)該有針對(duì)連接溫度傳感器的I/O端口，以及I/O端口上的溫度傳感器的測(cè)試界面。上位機(jī)監(jiān)控界面溫度顯示區(qū)如圖5所示，圖中顯示的是某機(jī)型在制冷期間某時(shí)刻溫度值，圖中排氣溫度1和排氣溫度2為壓縮機(jī)管溫。
采用DS18B20的溫度采集模塊已應(yīng)用到某大型空調(diào)生產(chǎn)廠的空調(diào)檢測(cè)系統(tǒng)中，溫度采集的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性均滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求。數(shù)字溫度傳感器DS18B20和單片機(jī)AT89S52組成的溫度采集模塊，能同時(shí)滿(mǎn)足成本和技術(shù)的要求，對(duì)組建多點(diǎn)溫度采集網(wǎng)絡(luò)具有一定的借鑒意義。
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