温度系统硬件设计

1 采集器设计 本系统由采集器与主控机两部分硬件组成,采集器由核心STC89C52处理模块,DS18B20数字温度传感器、以及485总线模块构成。将采集器单独设计和封装,置于电缆接头上,并紧贴电缆接头,测量电缆接头的绝缘层温度,并将其送至核心处理模块处理,处理

1 采集器设计

       本系统由采集器与主控机两部分硬件组成,采集器由核心STC89C52处理模块,DS18B20数字温度传感器、以及485总线模块构成。将采集器单独设计和封装,置于电缆接头上,并紧贴电缆接头,测量电缆接头的绝缘层温度,并将其送至核心处理模块处理,处理后的数据通过无线发射模块发送出去,传至数据处理终端进行后续的处理与发送。采集器结构如图3.1所示。
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图3.1采集器结构
 

1.1单片机最小系统设计

       本文所设计的系统所设定的重要控制器采用的是STC89C52单片机。这种单片机具有性能高、能源消耗低的优点,是在ATMEL公司中所生产出来的。其具有的微控制器为CMOS8位,存储器方面具有8K,使用中,其可以实现FLASH的编程。STC89C52具有以下标准功能:8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O 口线,看门狗定时器。有一点需要说明的是在本设计中单片机的EA管脚要始终接高电平。因为如果想让单片机能够读取内部程序存储器的数据,只有在EA接高电平时才能实现。当外部的ROM存在时,他会自动先对内部的ROM进行识别,再对外部的ROM进行读取识别。但如果想让单片机直接读取外部ROM,需要管脚EA直接接低电平。 而本设计中的单片机管脚EA不需要接低电平,因为本设计所使用的STC89C52是本身就有内部ROM的,所以管脚EA始终接高电平。
1.主要特性:
(1)STC89C52RC单片机:
(2)8K字节程序存储空间;
(3)512字节数据存储空间;
(4)内带4K字节EEPROM存储空间;
(5)可直接使用串口下载;
AT89C51和STC89C51基本参数都是一样的,主要的区别如下:
(1)AT89C51是12T的模式,STC89C51可以与AT89C51的模式相同,也可以为6T
(2)AT89C51只有128字节的RAM,STC89C51除此之外,有内部1280RAM扩展
(3)AT89C51工作电压为5V,STC89C51可以是3.3V–5V
(4)AT89C51仅仅有4K的内部程序存储空间,STC89C51的存储空间可以达到64K
(5)AT89C51只能通过编程器编程,STC89C51有ISP功能
单片机STC89C52引脚图,及STC89C52各个具体的引脚功能说明:
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图3.2单片机STC89C52

2.管脚说明:
VCC(40引脚):电源电压
VSS(20引脚):接地

P0P0口的高电平在输出时,不是5V,低电平则为零值,这种情况下可以认定为悬空的一个状态。也就是说P0既不能输出高电平,也不鞥提供5V的电流,它需要和与其链接的器件串联起来,共同拉电阻,由电源通过这个上拉电阻给负载提供电流.作用输出口时,每位能驱动8个TTL逻辑电平。

P1:P1口上拉电阻位于其内部的功能,它是一个8 位的I/O 口,并且是双向的。P1 端可以带动起来四个TTL逻辑电平。如果当把P1口当做输入端用时,应该将P1口写上“1”,其输出的电流为IIL,通过位于其内部的上拉端口,把相应的端口拉高。由于在被当做输入端时, P1口被外部拉低,其内部依然存在电阻的缘故,其所输出的电流仍未IIL。

引脚号 功能特性
P1.0 T2(定时器/计数器2外部计数输入),时钟输出
P1.1 T2EX(重装触发和方向控制/定时器/计数器2捕获)

引脚号第二功能
P1.5 MOSI(在线系统编程用)
P1.6 MISO(在线系统编程用)
P1.7 SCK(在线系统编程用)
P2口:P2口作为缓冲器,可以带动四个TTL电平,同样是一个拥有内部的上拉电阻的8位双向I/O 口。可以把P2端口表明“1”的时候,它可以作为输入端口来使用,其内部的电阻会将端口拉高。当它被当做输入的时候,会输出IIL,它由于内部存在内部电阻的缘故,会被外部拉低的引脚影响。
  P3口:P3口作为缓冲器可以带动四个TTL电平,它是一个具有上拉电阻的八位I/O 口,并且是双向的。当把P3端口标记成“1”的时候,其可作为输出端来工作,它的内部上拉电阻会把这个端口提高。所输出的电流为IIL,这都是由于其被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因。
  P3口当做正常使用时的I/O口之外,同时还具有一些其他的复合型的多方面功能:

引脚号 复用功能
P3.0 RXD(串行输入口)
P3.1 TXD(串行输出口)
P3.2 (外部中断0)
P3.3 (外部中断1)
P3.4 T0(定时器0的外部输入)
P3.5 T1(定时器1的外部输入)
P3.6 (外部数据存储器写选通)
P3.7 (外部数据存储气读选通)

RST——复位输入。在振荡器处于正常的工作状态的时候,单片机将被复位,这都是由于RST引脚出现大于两个机器周期。
  ALE/PROG——在对于外部服务器或者相应的程序进行登录的时候,ALE(地址锁存允许)会将其8位字符进行锁定,这个时候,输出脉冲占了主导的地位。在通常的时候,ALE会继续输出稳定持续的脉冲,频率是以时钟振荡为频率的1/6。所以,在这个基础上,它可以被使用在多个方面,包括定时或者是输出时钟的功能上。但是需要特别重视的一点事,每次登陆外部服务器进行数据的读取时,会自动的越过一个ALE脉冲。

3.振荡器特性:
    XTAL1式反向放大器的输入端,而输出端是XTAL2。石晶振荡和陶瓷振荡在选择反向放大器时,都可以采用这种方式,并且可以作为内振荡器。本设计的晶振电路比较简单,只有3个器件,一个12Hz的晶振外加二个20PF的普通电容组成,晶振两端分别与单片机的XTAL1和XTAL2口相接。
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4.复位电路:
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1.2温度传感器电路设计
       本文所设计的系统中,DS18B20是系统中所使用的温度测量专用的温度传感器原件。这个器件是在Dallas公司中生产。系统中所有用到的芯片是采用了DS18B20a 。DALLAS公司所生产的这种温度传感器在引脚方面,具有独特的特点,为3个引脚。DS18B20可以扩展到16位的数字量的方式来对温度进行测量,并且温度的精准度可以达到分辨率0. 0625℃ ,在正常工作时,电源可以使用寄生电源、也可以采用远程的远端引入的方式。它具有多种独特的优点,包括它可以节约大量的逻辑电路以及相应的引线,因为只有拥有一根端口,多个DS18B20和CPU连接起来,建立相应的数据通信,因此,这样连接的结果就是,所占用了十分少量的CPU,方面了系统的运行。
    DS18B20支持“一线总线”接口,测量温度范围为-55℃~+125℃,在-10℃~+85℃范围内,精度为土0.5℃。系统的方面存在着诸多的干扰因素,通过现场测量的方式,数字方式传输,可以将这些多种因素进行相应的控制,在测温度方面,可以有效的抗干扰,尤其体现在恶劣的环境之下,比如设备过程控制、具体的温度控制、消费类的电子产品的温度测试等等多方面。
1.  DS18B20有4个主要的数据部件:
(1)64位激光ROM,其分别为8位CRC, 48位序列号和8位家族代码(28H)组成。
(2)温度灵敏元件。
(3)非易失性是其重要的特点,温度报警触发器TH和TL,在软件的设置方面,用户可以根据自身的需要,对上限下限进行个性化的设置,以满足需求。
(4)配置寄存器:配置寄存器作为第五个字节被保存在了高速暂存存储器上面。DS18B20在具体的温度实时监测上,会根据寄存器中的分辨率来分析设置,会把所测量的温度转变为相应的精度方面的值,所提及的配置寄存器,其自身的结构如表3. 1所示。

 
TM
 
R1
 
R0
 
1
 
1
 
1
 
1
 
1

 
             表3. 1 DS18B20配置寄存器结构图
    TM:测试模式标志位,它的值一直都是零,由于它是在出厂时就被设定了并存在寄存器中。R0, R1:温度计分辨率设置位。可以更改R0和R1的数值来获得用户所需求的合适的分辨率。分辨率与配置寄存器之间见表3. 1:
表3. 2配置寄存器与分辨率关系表

 
R0
 
R1
 
温度计分辨率/bit
 
最大转换时间/us
 
0
 
0
 
9
 
93.75
 
0
 
1
 
10
 
187.5
 
1
 
0
 
11
 
375
 
1
 
1
 
12
 
750

 
2.高速暂存存储器
       见表3.3所表示的数据,高速暂存存储器在组成方面,具体是由9个字节所构成。温度进行转换的相应命令被发出以后,最终得出的温度值会被保存在服务器的第0和第1字节,并且通过二进制的记录方式进行存储。数据读取方面,可以通过单线的接口进行,在期间必须谨记的是,温度方面的高位在后面,低位在前方。对于相应的温度在进行计算时,要考虑相应规则:当符号位S=0时,十进制会替换二进制的记录方式;当S=1时,原码会替换补码,在这个基础上才能进行对应的十进制的计算工作。
 

温度低位 温度高位 TH TL 配置 保留 保留 保留 8位CRC

 
表3. 3 DS18B20存储器映像图
 
3.使用DS18B20需要注意的问题:
      (1) DS18B20是前文提到的一个典型的温度传感器,这其中涉及到了很繁琐的编程工作,DS18B20的硬件构成很简易,但是对其进行相应程序编程的工作室,必须考虑到传感器芯片数据手册里面,所提出的一些具体要求来进行编程,比如当读取写入编程文件时,过程一定要严格,尤其指出,在对DS18B20进行测温的分辨率比对时,其对于时序参数以及电气方面的若干参数,也要求非常高。
      (2)在测温工作中,必须具有提前意识,对于一个大型的测温项目进行时,需要对很多个测温点进行测温,这是为了防止传感器出错的情况发生,防患未然,在这个基础上在对于DS18B20序列号进行自动排序,将后期的修复工作降至最低,增加工作效率,减少重复劳动。
      (3)在测温工作种,对于电缆的选择上要慎重,其屏蔽层在源端单点接地。比如建议选屏蔽4芯双绞线,一组可以和VCC、地线进行对接,另外一组可与与信号线进行对接。DS18B20还具有其他的一些严格要求,比如对待两线与三线制上,都具有不同的要求,两线制要与VCC个GND进行对接,焊牢固在三线制时,要把其设备进行严格的焊牢固工作。如果在这期间VCC未成功对接,会发生只有85. 0℃的温度值。
      (4)当实际的工作种,必须注意的是单线的驱动力,在上面不应该挂上过多的DS18B20,互相之间的距离也应特别注意,一定要了解最远的距离是多少,然后再进行设计安装工作。接线的拓扑结构方面,也不要死脑筋,要根据现场的实际进行操作。
本设计中,温度传感器DS18B20的原理图设计如图3.4所示。
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图3.4 DS18B20原理图设计

1.3 485通讯总线设计

       本设计中,温度采集节点与数据处理终端采用RS-485总线通讯。RS-485总线通讯是采用一种串行总线通讯方式。串行通讯方式是数据通讯方式的一种,它主要是针对与并行通讯提出来的。串行通讯主要是将传输数据一位一位的进行顺序传输的,主要的串行通讯方式包括两种,即同步和异步。串行通讯相比于并行通讯方式来说,它所需要的硬件电路少,最少的情况下能通过两根线实现数据的传输,从而大大节约了接口的使用。
       常用的串口标准有RS-232C, RS-422, RS-485标准接口。下面对这三种接口进行详细介绍。首先是RS-232C接口,该接口标准是在1969年首次公布的协议,主要是X研发出来的。它适用于传输数率在0^-20 OOObit/s范围内的通信。对于现在来说,RS-232C技术已经非常成熟,广泛应用于工控以及计算机行业,并且对于现在的微处理器来说,内部基本上都集成着该接口。
       每种接口方式都会有相应的优点和缺点,对于RS232C的缺点存在也毫不例外,它的缺点主要表现在以下3个方面:
    (1)对于RS232C接口来说,它的的相应电平值较高,为正负12伏,而对于电路中的y8iban芯片,它们的工作电压是3.3V或者5V,如果直接相连的,会直接损坏芯片,所以在与一般的芯片相连时需要添加一定的电平转换芯片。
    (2)对于PC系统来说,串口的应用还是非常多的,但是在系统中却不能为串口分配不同的终端号,所以,对于大多数的MCU来说,一般外部接口只分布一个通讯串口。
    (3)对于抗干扰性来说,RS232C并不占优势,因为它在信息的传输过程中是使用的收发复用,并且使用的数据传输方式是共地传输,很容易产生共模干扰;另外还有一个缺点是RS232C传输距离非常短,实际的传输过程中最大距离才约为50米。
       1977年EIA重新推出的RS-449,除了保留与RS-232C兼容的特性外,还加高了传输速度,并且大大提高了数据传输的距离。与RS-449同时推出的还有RS-422和RS-423,它们是RS-449的标准子集。另外,还推出了RS-485.它是RS-422的变形。而RS-422, RS-423都是全双工的,而RS-485为半双工的。对于相应的信号传输来说,一般使用的是差分传输,也可以称之为平衡传输。该传输方式在多站点的应用中发挥了一定的优势,它可以实现远距离的传输,并且大大节约了信号线的布置。
       1.RS-485标准总线接口及其性能
       对于RS-485总线来说,它主要的硬件设施是双绞线。一对双绞线分别命名为A和B,A、B之间的电压差即为所发送的电平,但是对于数字电路来说,电平只有“1”和“0”,所以对于RS-485来说进行了电平的规定,规定压差在2到6V之间,就认定为是“1”,压差在-6到-2V之间,认定是“0”。除了A、B两条线之外,RS-485还有一条信号线,我们称之为使能端,它主要是用来使能发送端的切断和连接的,即当使能端有效时,发送端处于高阻态,不能进行数据传输。
       2. RS-485在计算机中属于非常常见的,它的特点主要表现在以下3个方面:
       (1) RS-485的数据最高传输速率为10Mbps ;
       (2) 由于RS-485接口内部的电气结构,使得信号在传输的过程中能够大大降低共模干扰。
       (3) RS-485最大的有效通信距离为1219M,最大传输速度每秒可达到10Mb,传输速度与传输距离成反比,在传输速率最低的情况下,它的传输距离能达到最大,如果想要实现更远距离的传输,可以在中间添加485中继器。对于RS-485总线来说,它可以挂载多个设备,最高可达32个,能够非常方便的实现组网功能,更方便的实现多点传输。
       3. RS-485总线己成为一种比较广泛的通信总线,它的应用如下:
RS-485总线优点能够在一对双绞线上进行双向传输通信,并支持多点通信【刘涛2002】具有抑制噪声、传输距离远、速率高的优点,这些优点是RS-485通讯所特有的,其余总线方式无法比拟。由于这些优点的存在,所以RS-485总线的应用范围是非常广泛的【陈玉堂2010】,比如说现在常用的场合有汽车电子、楼宇自动化、智能设备等等。另外RS-485标准只涉及了接口的电气特性,大大降低了设计的复杂性,用户可以很方便的自主建立内部协议。
RS-232接口能点对点通信,它的通信距离有效范围是30-60米左右,RS-232通信速度比较慢,由于该传输方式的硬件较少,并且是采用的对滴电压,如果说距离过远,则或出现传输误差【佃松宜等2011】。
       上述已经介绍过RS-485总线可以同时挂载32个设备,并且传输距离远,速率高,抗干扰强,所以对于远距离的信号传输来说,RS-485传输方式是不二之选。

1.4 电源模块设计

       本设计中,根据各个器件的芯片手册可知,系统需要5V电压作为电源电压,因此如何产生稳定可靠,是本系统电源设计的关键。整个系统由下图3.6所示电源供电路向单片机及其他所有外围电路供电,为了保证各个模块正常工作,提供5V的直流电源进行供电,为了便于室外环境中工作,本文采用最常用的电压220V交流电作为电源输人端。采用了220V交流电变为5V的直流电源方案来为采集器和主控机中的各个元器件进行供电。从下面的电路图中我们可以看出,内部包含了变压、整流、滤波、稳压等多个环节。输入电源是220V交流,首先通过相应的变压器,可以将220V交流转变成9V的交流,然后通过全波整流电路,将其转变成相应的脉动直流,并由电容C1、C2滤波后,来抵消电路的电感效应,之后送入集成稳压器LM7805,电容C2、C3作为输出段滤波电容,来缓冲负载突变,可以进行进一步的提高电压输出的稳定性。最后的到+5V的直流工作电源,来给系统中单片机以及其他所有外围电路供电。

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