基于DS18B20的MOA溫度遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計介紹|壹芯微

金屬氧化物避雷器(MOA)是防止供電系統(tǒng)和用電設(shè)備免受雷電危害的主要設(shè)施，一旦出現(xiàn)故障，不但失去應(yīng)有的防雷作用，且可能帶來供電事故。在避雷器監(jiān)測中，幾乎所有需要測量的變量，包括在正常電壓及過電壓下的能量吸收，及由于老化和受潮產(chǎn)生的功耗，都會影響MOA閥片的溫度。溫度不僅是其實際工作狀況的間接檢測，而且是避雷器本身的精確運行參數(shù)。

MOA的溫度是各種影響參數(shù)共同作用的結(jié)果，避雷器的能量吸收能力是由溫度確定的。正常運行條件下，MOA吸收能量損耗，溫度變化很小，出現(xiàn)過電壓時，溫度可能暫時會有所上升，但會慢慢恢復(fù)。在MOA老化或受潮時，溫度會逐步上升，溫度不僅是其實際工作狀況的間接反映，而且是各種影響參數(shù)共同作用的結(jié)果。在持續(xù)運行電壓下MOA過熱直接與能量損失相關(guān)，而與運行電壓的質(zhì)量及外界干擾等無直接關(guān)系。因此，MOA閥片的溫度是判別其是否工作在(熱)穩(wěn)定狀態(tài)的重要特征量。有限元法對MOA的熱特性分析表明，MOA的接地端溫度能反映MOA閥片的熱量分布狀態(tài)，只要獲得MOA的接地端溫度，就可以判斷MOA的當(dāng)前工作狀態(tài)。

因此為確保MOA正常發(fā)揮作用，需要在線監(jiān)測MOA的運行狀態(tài)。以DS18B20為溫度傳感器，AT89S52單片機為控制單元，設(shè)計了MOA溫度在線監(jiān)測系統(tǒng);該系統(tǒng)同時通過RS-485總線與PC機進行通信，具有遠程溫度監(jiān)測能力和遠程報警能力。

1.DS18B20簡介

1.1DS18B20

系統(tǒng)采用DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20監(jiān)測MOA接地端溫度。DS18B20通過對其內(nèi)部溫度系統(tǒng)振蕩器輸出的脈沖信號計數(shù)來測量溫度，并在芯片內(nèi)部把溫度信號轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供微處理器處理，它具有體積小、抗干擾能力強、使用簡單等特點。芯片的測溫范圍為-50~125，可精確到01625;其工作電源既可以遠端引入，也可以以寄生方式產(chǎn)生;每個芯片都有自己單獨的識別編碼，因而在一條總線上可掛接多個DS18B20芯片;由于它占用微處理器的端口少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路，適合于遠距離多點溫度檢測。

在進行多點測溫時，由于傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有一定的距離，電磁干擾、信號衰減等問題會造成數(shù)據(jù)傳輸錯誤。DS18B20內(nèi)部提供CRC冗余校驗碼，傳輸過程中系統(tǒng)具有一定的容錯能力，在糾錯范圍內(nèi)，就可以對錯誤的數(shù)據(jù)進行糾正，提高抗干擾能力和加大傳輸距離;當(dāng)錯誤超出糾錯范圍時，也可以識別出錯誤的數(shù)據(jù)進行重新采集，從而提高采集數(shù)據(jù)的可信度。DSl8B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.2單線(1-Wire)技術(shù)

單總線(1-Wire)技術(shù)是近年來由美國Dallas半導(dǎo)體公司研發(fā)的一種總線技術(shù)。與SPI、I2C等多種標(biāo)準(zhǔn)串行數(shù)據(jù)通信方式不同，它采用單根信號線傳輸時鐘和數(shù)據(jù)，以其具有的節(jié)約I/O資源、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、便于總線擴展和維護等優(yōu)點越來越多的被廣泛應(yīng)用于民用電器、工業(yè)控制領(lǐng)域。

單總線適用于單個主機(Master)控制一個或多個從機(Slave)設(shè)備的系統(tǒng)。當(dāng)只有一個從機設(shè)備時，系統(tǒng)可按單節(jié)點系統(tǒng)操作，當(dāng)有多個從機設(shè)備時，系統(tǒng)可按多節(jié)點系統(tǒng)操作。與其它如并行、串行及專用總線相比，單總線突出的特點是主機控制器件的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線合成為一條信號線與從機設(shè)備進行雙向的數(shù)據(jù)交換。所以在有多路多個測控對象時，系統(tǒng)的布線簡單、方便。但是較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件設(shè)計進行補償。

經(jīng)過單線接口訪問單總線器件有嚴(yán)格的單總線命令序列如下：

每次訪問單總線器件，都必須嚴(yán)格遵守這個命令序列。如果出現(xiàn)序列混亂，則單總線器件不會響應(yīng)主機。

2.硬件電路設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中監(jiān)測站完成溫度的測量，并通過RS-485總線與PC機進行通信，實現(xiàn)基于溫度的MOA在線監(jiān)測。

圖2MOA溫度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)測站以AT89S52單片機作為控制器，通過多個數(shù)字式溫度傳感器DSl8B20對三相MOA和環(huán)境溫度進行采樣，送往單片機同時進行數(shù)據(jù)處理。此單片機通過RS-485總線與PC機進行通信，實時傳送當(dāng)前的三相MOA溫差和工作狀態(tài)標(biāo)志，并按照要求發(fā)送或接收參數(shù)的設(shè)定值。本設(shè)計中四路溫度傳感器分別測量一組監(jiān)測站中三個MOA底部接地端子溫度和環(huán)境溫度。單片機對采集來的溫度數(shù)據(jù)進行處理判斷，并將判斷的MOA當(dāng)前工作狀態(tài)存儲，等待監(jiān)測計算機的讀取，實現(xiàn)基于溫度的MOA在線監(jiān)測。

監(jiān)測站溫度測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3MOA溫度在線監(jiān)測站結(jié)構(gòu)框圖

2.1電源電路

電源部分電路如圖4所示。電源輸入電壓為220V交流電壓，輸出為+5V電壓，直接供給單片機使用，圖3中的穩(wěn)壓管用于抑制雷電和操作過電壓干擾，F(xiàn)IT是交流干擾抑制濾波器，用于進一步降低電源干擾，AC/DC是開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源，為監(jiān)測站提供直流電源;電容器具有濾波作用。

圖4電源電路

2.2溫度測量電路

在多個器件串接在一線制總線上時，為了區(qū)分每次操作是針對總線上哪個器件，DS18B20器件在內(nèi)部提供了每個器件獨有的64位ROM序列號，每一次操作都要首先在對DS18B20器件的ROM序列號進行匹配后，方可對其中的某一個器件進行測溫/讀取溫度值的操作。

當(dāng)一線制總線上僅有一個DS18B20器件時，可以用skipROM操作(即跳過ROM匹配)命令來代替64位序列號的匹配過程，省掉煩瑣的總線上器件序列號的查詢操作。在本設(shè)計中，每個監(jiān)測站僅用4個DS18B20器件，因此在硬件滿足要求的條件下可以設(shè)計成單片機的每個端口僅連接一個DS18B20，即利用單片機的并行端口同時對多個DS18B20進行統(tǒng)一的操作。

圖5DS18B20的多點測溫電路原理圖

2.3串口通信電路

本設(shè)計選用的單片機AT89S52具有一個全雙工的串行口，可以通過編程設(shè)定為4種工作方式，完全滿足系統(tǒng)的串口通信要求。由于實際的溫度測量系統(tǒng)離PC機的監(jiān)控地點較遠，如采用常用的RS-232串行通信接口在傳輸距離短，信號易受干擾等缺點，因此本設(shè)計選用了RS-485總線進行遠程通信。RS-485是美國電氣工業(yè)聯(lián)合會制定的通信標(biāo)準(zhǔn)，其采用差分信號進行傳輸，最大傳輸距離約為1219m，最大的傳輸速率可達10Mbit/s，能夠滿足長距離和高速率的串行異步通信，得到了廣泛的應(yīng)用。在系統(tǒng)實現(xiàn)中，單片機端使用MAX485芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS-485的電平輸出，并在PC端連接RS232/485轉(zhuǎn)換器，從而實現(xiàn)了遠程監(jiān)控。RS-485總線接口電路如圖6所示。

圖6RS-485總線接口電路

2.4人機通信

監(jiān)測系統(tǒng)可采用數(shù)碼管和鍵盤作為人機交互界面，通過鍵盤按鍵來顯示三相MOA的當(dāng)前工作溫度和與環(huán)境的溫差，鍵盤設(shè)定或修改兩個回路的上下限溫度報警值，且一經(jīng)設(shè)定完成后即用新的參數(shù)值進行監(jiān)控并發(fā)往PC機更新數(shù)據(jù)，同時把新參數(shù)送入E2ROM中保存，以防止系統(tǒng)掉電后參數(shù)的丟失。在溫度測量中，系統(tǒng)用當(dāng)前測量值與設(shè)定的上下溫限值比較，從而控制是否需要聲光報警。當(dāng)系統(tǒng)的運行發(fā)生了偏差，可以通過復(fù)位按鍵使系統(tǒng)重新開始運作。

3.軟件編程設(shè)計

3.1DS18B20時序圖

由于DS18B20采用的是1-Wire總線協(xié)議方式，即用一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，單線通信功能是分時完成的，有嚴(yán)格的時序概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初始化DS18B20(發(fā)復(fù)位脈沖)-發(fā)ROM操作命令-發(fā)存儲器操作命令-處理數(shù)據(jù)。

DS18B20的復(fù)位、讀和寫時序圖如下。

圖7DS18B20的復(fù)位時序圖

圖8DS18B20的讀時序圖

圖9DS18B20的寫時序圖

所有時序都是將主機作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。

3.2監(jiān)測系統(tǒng)主程序流程圖

軟件部分主要包括主程序、RS-485通信、鍵盤掃描、溫度采集、溫度顯示等部分組成。其中RS-485通信模塊主要完成和PC機的通信;鍵盤掃描模塊用來輸入各溫度傳感器的溫度上下限;溫度采集模塊定時的采集四個溫度傳感器的溫度值;溫度顯示模塊用來循環(huán)的顯示三相MOA與環(huán)境的溫度差。

圖10系統(tǒng)主程序流程圖

3.3溫度轉(zhuǎn)換讀取程序流程圖

啟動溫度轉(zhuǎn)換及讀取溫度值流程圖如圖11所示。

跳讀ROM[命令字CCH]模塊：單片機將要發(fā)出的啟動溫度轉(zhuǎn)換指令是對總線上所有的DS18B20，而不論它的器件序號。啟動溫度轉(zhuǎn)換[命令字44H]：總線上所有的DS18B20開始進行溫度轉(zhuǎn)換，經(jīng)過200ms左右，DS18B20將轉(zhuǎn)換結(jié)果存于RAM的0號和1號字節(jié)中，供單片機讀取。因為在單總線上只有一個DS18B20,在讀溫度值時，只需要發(fā)出跳過ROM指令[CCH]，然后讀取溫度數(shù)據(jù)即可。數(shù)據(jù)處理：DS18B20有嚴(yán)格的時序來保證數(shù)據(jù)的完整性。在單線DQ上，存在復(fù)位脈沖、應(yīng)答各脈沖、寫“0”、寫“1”、讀“0”和讀“1”幾種信號類型。

圖11溫度轉(zhuǎn)換及讀取程序流程圖

結(jié)語

DS18B20溫度傳感器以其線路簡單，硬件少，成本低，具有完善的單總線通信協(xié)議，無需復(fù)雜煩瑣的布線，在實際生產(chǎn)和科學(xué)研究中有廣闊的前景。設(shè)計中采用的新型溫度傳感器DS18B20，只需要一根單總線就可完成與單片機的通信，避免了模擬傳感器帶來的共地干擾和線路干擾問題。由它們構(gòu)成的單總線傳感器網(wǎng)絡(luò)線纜少，從而大大減少了現(xiàn)場線纜，簡化了系統(tǒng)布線的復(fù)雜度，系統(tǒng)可能發(fā)生故障的環(huán)節(jié)少，便于維護，提高了系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確程度和智能化程度，并在一定程度上降低了系統(tǒng)成本。RS-485現(xiàn)場總線將各采集器采集到的溫度數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)測計算機，并對傳輸數(shù)據(jù)進行校驗，是數(shù)據(jù)在得以遠距離傳輸?shù)耐瑫r，保持了較強的抗干擾性，且實現(xiàn)了計算機與監(jiān)測站的實時在線監(jiān)測。

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