现场总线在温室大棚温度控制系统中的应用

摘 要：采用先进的传感器设计了一种低成本的温室大棚温度控制系统，并给出了软硬件设计方法。由于该系统采用了单总线技术，模拟信号在测量现场被转换为数字信号，能够远距离测量，具有很高的测量精度和应用价值。

关键词：温室;单总线;控制系统

引言

　　在温室控制系统中，空气温度、空气湿度、光照、土壤湿度、土壤温度等环境因子从不同的方面对生物的生长繁育产生影响，在不同的条件下起着不同的作用，因此对于这些参数的测量显得尤为重要。传统的采集方式，一个信号一路，由于温室中需要采集的参数和点数多，信号线多，模拟信号需要远距离传输，所以很易引起数据失真。在本系统中采用单总线数字温度传感器芯片DS18B20实现远距离多点空气温度和土壤温度的测量，而空气湿度、光照、土壤湿度等传感器的模拟信号通过单总线A/D芯片转换成数字信号，从而通过单总线驱动器DS2480B输送给微处理器，系统具有一定智能化。

一、总线器件及其工作原理

　　系统主要用到了温度传感器DS18B20、A/D转换器DS2450和单总线驱动器DS2480B。

温度传感器DS18B20、A/D转换器DS2450等单总线器件内部ROM中都有光刻的位序列号，它是该器件的地址序列码;位光刻ROM的排列是：开始8位（DS18B20为28H，DS2450为20H）是产品类型标号，也就是所谓的家族码，接下来的48位是该自身的序列号，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的作用是使每一个单总线器件的地址都各不相同，都是唯一的，以便实现一根总线上挂接多个单总线器件。单总线驱动器DS2480B完成到单总线的转换，提高了单总线的驱动能力。微处理器可以通过控制DS2480B驱动在线所有的单总线器件。

二、系统硬件设计

　　2.1 数字温度传感器DS18B20

　　DS18B20是美国Dallas Semiconductor公司推出的数字式温度传感器，遵循单线协议，其工作原理是利用温度敏感振荡器的频率随温度变化的关系，通过对振荡周期计数来实现温度测量。其支持3V～5.5V的电压范围，可以与处理

器进行双向数字通信，测温度范围宽（-55℃～+125℃），工作温度范围宽（25℃±10℃）,分辨率高（当设定为12位转换模式可以达到0.0625℃）。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输。DS18b20内部有2个字节RAM单元用来存放转换后的温度值，后1个字节为温度值低8位的补码（称作A），前1个字节为符号位和温度值的补码高3位（称作B）。数据格式是：

　　温度算法：①SSSSS=11111B，D=-1;SSSSS=00000B，D=1;最小分辨率为0.0625℃。

　　②当D=1时，温度值：T=[（B and 7）＊ 256 + A]＊ 0.0625

　　③当D=-1时，温度值：T=D＊ [（B and 7）＊ 256 + A]＊ 0.0625

　　2.2 单总线A/D转换器（DS2450）

　　DS2450是DALLAS公司生产的单总线式4通道逐次逼近式A/D转换器，即A、B、C和D模拟电压输入通道，其输入电压范围、转换精度位数、报警门限电压可编程;每个通道都有各自的存储器以存储电压范围设置、转换结果、门限电压等参数。DS2450内部有24个地址毗连的8位存储器，可将其分成3页，每页8字节。

第0页为A/D转换结果存储器。每个通道占2个字节16位，芯片上电复位时该页清0;其中00H、01H存储A通道转换结果，02H、03H存储B通道转换结果，04H、05H存储C通道转换结果，06H、07H存储D通道转换结果。

第1页为A/D转换控制与状态存储器。08H、09H对应于A通道，其余通道依次类推。

　　第2页为各通道输入高/低限报警值存储器。10H存放A通道低门限8位报警值、11H存放A通道高门限8位报警值，其余通道依次类推。

　　DS2450的通道选择字和预置控制字用于选择参与A/D转换的通道及转换前转换结果存储器的初始化。值得的注意是：如果DS2450由VCC供电，那么必须在上电完毕后向地址1CH写入40H使模拟电路永久地保持在工作状态。限于篇幅，详细资料读者可查看参考文献[1]。

　　2.3单总线驱动器DS2480B

　　DS2480B是从串行接口到1-Wire网络协议转换的桥接器。只要主机具有普通的串行通信UART，就可以通过该桥接器产生严格定时和电压摆率控制的

1-Wire波形。DS2480B接受所要发送的指令和数据，执行1-Wire操作，并将结果返回至主机（详细资料间参考文献[2]）。

　　2.4 系统原理图

　　考虑到单总线的驱动能力，采用星型结构，就是在若干个单总线上分别挂若干个单总线器件。硬件以ATC55WD为核心，系统原理图1所示。主要包括按键模块、显示模块、信号输入、控制输出、时钟、串口扩展和存储等电路。LED用来循环显示个测量点的参数，按键用来设置给定参数，AT24C256用来存储各个测量点单总线器件的序列号（测量点的器件地址）及一些重要的参数。GM用来扩展串口，扩展后的三个串口分别用于转换为1-Wire网络协议、LED显示和与上位机通信。

图1 系统原理图

三、软件设计

　　3.1总线结构软件设计

　　在该系统中，多个单总线器件挂于一单总线上，欲想操作任何一个单总线器件，必须首先获得该器件的地址，即序列号。获得器件的地址的方法一般有两种方法，第一种方法是：调试程序时，编写一单独程序依次读出每个测控点器 

件的地址并存于单片机程序表格中[3]，但当该测控点的某个器件损坏时，需要读新的单总线器件地址，替换坏器件，并要修改主程 微计算机序，重新固化主程序;第二种方法是：通过二叉树算法完成在线所有的单总线器件地址，但系统无法具体确定每个测量点的单总线器件地址。

该系统采用依次上电的方法，通过二叉树算法（见参考文献[4]）完成每个测量点的在线单总线器件地址，维护方便，方法如下：

（1）打开测控点1单总线器件电源，关闭其它测控点电源，通过“Search”键启动在线搜索地址操作，LED显示“1”，表示正在搜索测控点1单总线器件的地址。存储测控点1单总线器件地址于AT24C256。

　  （2）测量点1搜索完毕后，LED显示“2”，打开测控点2单总线器件电源，系统根据二叉树算法在线搜索测控点2单总线器件的地址，存储测控点2单总线器件地址于AT24C256。

　　（3）测量点2搜索完毕后，LED显示“3”，如有测控点3，打开测控点单总线器件电源，搜索测控点3的器件地址，依次类推;如没有，按“OK”按键。

　　3.2抗干扰软件设计

　　系统采用三种抗干扰方法：

　　（1）应用ATC55WD片上看门狗;

　　（2）应用软件陷阱;

　　（3）采用CRC容错技术。

四、结论

　 （1）硬件均为可裁剪结构，组态灵活，各模块可以不依赖其他模块运行，运行方式既可以自动又可以手动，该系统可以利用485异步串行通信总线联网，以适应各类不同档次用户的不同需要，根据不同组态，系统既可以适应高自动化程度的具有集散特征的大规模用户，又可适应各类中小散户应用。

　　（2）现场的单总线结构，所有的信号采集都可以挂在只有两条导线组成的单总线上，由于农业温室各类参数变化均较缓慢，故可以采用串行分时复用的方式解决大量现场信息的传输问题，这就使得现场前向通道电路结构大大简化。

　　（3）采用模糊解耦算法处理现场参数间的强耦合问题,将矩阵解耦结果转化为相关结果链表，以指针变量定位解耦输出结果。

参考文献

　　[1]Dallas Semiconductor Data Books.Dallas Semiconductor Corporation 1995

　　[2] 李华驿,汪道辉.应用DS2480实现RS—232与单总线的串行接口[J], 微计算机信息,2002.12:45-46

　　[3] 文哲雄,罗中良.单总线多点分布式温度监控系统的设计[J]，微计算机信息,2005.06s:63-65

　　[4] 严蔚敏,吴伟民.数据库结构[M].清华大学出版社,1998