多点温度监控系统的设计

目前许多场合都要对温度进行控制。如仓库，不同的储藏室储存物品的温度都不同；再比如医院，为了使病人的治疗效果最好，需要对每一个病房的温度进行控制。该文研究的多点温度监控系统能够对多个位置的温度进行设置、检测，根据温度设置值与检测值来控制调温设备运转，调节温度。

l 系统的总体结构及功能
    本系统的总体结构框图如图1所示，为了满足多通道数据采集和处理，系统采用了一台上位机和多个下位机的集总式结构。上位机采用AT89S51单片机，下位机采用AT89C2051单片机。上位机与下位机之间采用RS 485总线通信。其中上位机系统配置液晶显示屏、按键。按键用于调整各个点的预置温度和系统时间，查询各个点的预置温度值、实际温度值以及调温设备运行情况，输入下位机的控制信息。液晶显示屏用于显示系统时间，以及各点的预置温度值、实际温度值和调温设备运行情况，如1 min内没有任何操作，则液晶显示屏上开始循环显示各个点的实际温度值、预置温度值以及调温设备运转情况，每一个点的数据在液晶屏上显示的时间是8 s。下位机负责温度采集和控制调温设备运转，温度传感器采用DSl8820。上位机首先将预置温度值发送到下位机，下位机将实际温度与预置温度进行比较后输出调温设备控制信号，并将实际温度与调温设备运转状态发送到上位机。

2 硬件电路设计
2．1 下位机电路设计
    下位机电路主要由三部分构成：温度采集电路、RS 485总线接口电路、调温设备的控制电路，其电路原理图如图2所示。

2．1．1 温度采集电路
    温度传感器采用DSl8820，其是一种单总线智能型温度传感器，只有三线接口，分别为地线、数据线、电源线。DSl8820输出信号为数字信号，处理器与DSl8820通过数据线来完成双向通信，因此采用DSl8820使得电路十分简单。温度变换功率可以来源于外电源，也可以来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DSl8820供电。DSl8820的电压范围为+3．O～+5．5 V，测温范围为一55～+125℃，固有的测温分辨率为O．5℃，最高精度可达0．067 5℃，最大的转换时间为200 ms。一条总线上面可以挂接多个Dsl8820实现多点测温。本系统中每台下位机只接一个DSl8820。
    采用单片机的P3．7口与DS18820进行通信，采集温度信号，由于其是双向通信，内部结构是开漏，所以在总线上要加一个10。kΩ上拉电阻。
2．1．2 RS 485总线接口电路
    本系统上位机与下位机之间采用RS 485总线通信，其通信距离可达1 200 m。总线驱动芯片采用MAX485，RO接单片机的RXD，DI接TXD，MAX485芯片的发送和接收功能转换由芯片的RE，DE端控制。DE=1时，MAX485处于发送状态；RE=O，DE=0时，芯片处于接收状态。将RE，DE接在单片机的一根口线P3．4上。
    在上电复位时，为了避免分机咬总线的情况，总线上的各分机应处于接收状态。而在上电复位时，单片机各端口处于高电平状态，硬件电路稳定也需要一定的时间，则可能向总线发送信息，为了避免这种情况，将P3．4口接一个74HCl4反相器，使MAX485上电时处于接收状态。另外在数据传输之前，先要通过一个低电平起始位实现握手，给R0外接10 kΩ上拉电阻，防止干扰信号误触发产生负跳变，使单片机进入接收状态。总线上面挂接多个分机，其中任何一只芯片故障就可能将总线“拉死”，因此在MAX485的A，B口线与总线之间各串接一只20Ω的电阻实现总线隔离。如果是最后一台分机，则在差分端口A，B之间接120 Ω的平衡匹配电阻，减少由于不匹配而引起的反射，并且能够吸收噪声，抑止干扰，保证通信质量。注意不能在中间分机节点上并接平衡匹配电阻。
2．1．3 输出控制电路
    上位机向下位机发送命令和预置温度，下位机接收到之后，解析命令，并将预置温度与实际温度比较，根据命令和比较结果，利用P3．5口控制调温设备。当P3．5输出低电平时，U1导通发光，使晶体管导通，从而T1导通，驱动继电器K工作，使调温设备导通工作。当P3．5为高电平时，U1不导通，晶体管不导通，T1也截止，继电器不通电，调温设备不工作。
2．2 上位机电路
    上位机电路包括RS 485总线接口电路、键盘电路和液晶显示电路。其中总线接口电路与下位机总线接口电路基本一致。其电路原理图如图3所示。下面介绍键盘电路和显示电路。

2．2．1 键盘电路
    上位机电路中提供6个按键用于温度设置、温度查询、系统时间设置、工作／待机设置。它们是“ON／OFF”键、“+”键、“—”键、“SET”键、“ENQ”键、“TIME”键，分别与AT89S51的P2．0，P2．1，P2．2，P2．3，P2．4，P2．5相连。“SIET”键用于选择下位机，之后可按“ON／OFF”键使对应的下位机工作／待机，也可按“+”，“一”键给该分机设置预置温度。“ENQ”键用于查询下位机的预置温度、实际温度值和调温设备运转状态。设置系统时间需先按“TIME”键选择时或分，然后利用“+”，“一”键设置系统时间。
2．2．2 显示电路
    上位机系统采用16×2字符型液晶模组(LCM)，其为按键操作提供可视化依据，内部集成了LCD控制器、LCD驱动器、LCD显示装置。LCM与单片机的接口电路比较简单，单片机的P1口接LCM的数据总线，P3．5，P3．6，P3．7用于控制LCM。LCM的第一行显示系统时间，第二行显示分机的设置温度、实际温度和工作状态。如果在1 m内没有任何操作，则液晶显示屏上开始循环显示各个点的实际温度值、预置温度值以及工作状态，每一个点的数据在液晶屏上显示的时间是8 s。

3 RS 485通信协议
    为实现上位机与多台下位机通信可靠稳定，上位机与下位机通信波特率都为9 600 b／s，通信方式均为串行工作方式3，每帧通信数据包括1个起始位，1个停止位，8个数据位，1个奇校验位。通信模式采用主／从方式，上位机为主机，下位机为从机，主机地址为1，从机地址是2，3，4，…；主机与从机之间采用一问一答方式，从机之间不能相互通信。每个上行／下行的数据包的字节个数都是一样的，从机收到数据包后向主机回复一个数据包。每个数据包长度为4 B，下行数据包格式：地址信息(1 B)、命令信息(1 B)、温度设置值(1 B)、检验码(1 B)；上行数据包格式：主机地址信息(1 B)、命令应答信息(1 B)、实测温度值(1 B)、检验码(1 B)。命令信息和命令应答信息就是指从机的工作状态。
    主机采用轮询方式访问各从机，在发出指令后，主机进入查询状态，等待从机应答。从机不断查询总线，如主机访问地址与从机地址相符，并且校验通过，则执行指令，并保存设置温度值，然后将相关信息以上行数据包格式发回主机。如不是本机地址或校验码错误，则丢弃指令及数据。传输过程中的误码校验采用校验和的方式，即先将要发送的数据包的所有字节相加，然后截短到一个字节长度。

4 系统软件设计
4．1 下位机程序设计
    下位机程序主要包括DSl8820传感器温度采集子程序、串行通信子程序、输出控制子程序。主程序循环调用温度采集子程序和输出控制子程序，利用串行中断来接收上位机发送的信息并回复主机(上位机)，接收数据包的长度是4 B，发送数据包的长度也是4 B。其串行中断接收发送程序流程图如图4所示。

4．2 上位机程序设计
    上位机程序主要包括键盘扫描子程序、串行通信子程序、液晶显示子程序。
    利用T0产生50 ms定时中断来进行时间换算、实时更新液晶显示屏上的信息；在主程序中利用循环来查询按键、向下位机发送数据；利用串行中断来接收下位机的回复数据。上位机接收数据过程与下位机接收数据过程一样，其主程序流程图如图5所示。系统采用一问一答的通信方式，上位机是主机，在向从机(下位机)发送完数据之后要调用延时程序等待从机的回复。

5 结 语
    该系统能够实现多点温度检测控制，操作方便，配置简单，有效地节省了人力物力，实现自动化，具有通用性，可用于多种场合，具有很好的实用价值。