粮仓智能传感器设计

1、用于粮仓领域的智能温度传感器的设计摘要：近年来随着计算机在社会领域的渗透, 单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。 系统以AT89C51 单片机为控制核心，利用新型一线制温度传感器DS18B20 测量温度值，实现粮仓环境温度的检测和报警。本文给出了由AT89C51 单片机和DS18B20 构成的单总线温度测量系统的硬件电路及软件流程图。该系统具有测点多、精度高、速度快、稳定性好、报警及时等特点,也可

2、应用于其它相关的温度控制系统，通用性较强。关键词：一线总线；DS18B20；AT89C51；数字温度传感器Abstract：The system for the control of the core is AT89C51,the temperature sensors DS18B20 is used to measure temperatureand this system can realize ambient temperature measurement and alarm. This article introduces the hardware circuit which the

3、softwareflow chart constitutes by AT89C51 monolithic integrated circuit and DS18B20. This system has many measuring point, high-precision,wide range of temperature monitoring, good stability and alarms timely, it may also be applied in other related temperature controlsystem and the versatility is s

4、trong.Keywords：1-Wire TM；DS18B20；AT89C51；Digit Temperature Densor目录1智能传感器的定义和实现途径31.1 智能传感器的定义31.2 智能传感器的实现途径3非集成化实现3集成化的实现4混合实现42智能温度传感器的粮仓应用背景介绍53智能温度传感器的设计53.1原理和功能描述5原理5 粮仓恒温控制系统完成的功能53.2硬件设计6系统结构图6微处理器（单片机）6温度传感器93.3软件设计13系统的的工作过程13读出温度子程序14温度转换子程序14计算温度子程序15显示数据刷新子程序163.4试验结果164结束语17附录1：源程序18附

5、录2：硬件电路图221智能传感器的定义和实现途径1.1 智能传感器的定义智能传感器（intelligent sensor）是具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。一般智能机器人的感觉系统由多个传感器集合而成，采集的信息需要计算机进行处理，而使用智能传感器就可将信息分散处理，从而降低成本。与一般传感器相比，智能传感器具有以下三个优点：通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的编程自动化能力；功能多样化。1.2 智能传感器的实现途径非集成化实现图1非集成化实现结构图将上述电路组合为一个整体，经开发配置

6、可进行通讯、控制、自校正、自补偿、自诊断等功能的智能化软件，如ST-3000。 模糊传感器也是一种非集成化的智能传感器 。图2 测量原理图关键问题：软件功能的设计集成化的实现采用微机械加工技术和大规模集成电路技术，称为集成智能传感器（Integrated smart /Intelligent sensor），该技术也称为集成微型传感技术 其特点如下：1）微型化 血液流量计、发动机叶片表面的气体流速和压力传感器。2）结构一体化 传统的加工方法存在蠕变、迟滞、非线性特性。3）精度高 减少引线长度带来的寄生参量的影响。4）多功能 在同一硅片上可制作不同功能的多个传感器。ST3000 可测压力、压差、

7、温度三种参量。 5）阵列式 可在8mm×8mm上制作有1024（32×32）个面阵触觉敏感触点。 优点：消除传感器的时变误差和交叉灵敏度的影响，提高传感器的 可靠性、稳定性和分辨能力。 6）全数字化 通过微机械加工技术制作合适的微结构，使其固有谐振频率可以设 计成某种物理参量的单值函数，通过检测其谐振频率来检测被测物理 量。 7）使用方便、操作简单 集成化智能传感器的发展趋势： a.多功能化与阵列化，软件功能的增强； b.发展谐振式传感器，结合软件信息处理功能。存在的问题：主要是工艺上的。混合实现将和两种方式结合起来，可能的混合集成方式有： 总线接口、微处理器、信号处理电路

8、、集成化敏感单元的不同组合。2智能温度传感器的粮仓应用背景介绍我国是一个农业大国，每年都有大量的新粮收获，也有部分陈粮积压，由于储存不当造成大量的粮食浪费，给国家和人民造成了巨大的经济损失，粮仓环境成为决定粮食质量的关键因素。以往采取的方法是用人工的办法定期对粮食进行晾晒、通风，消耗了大量的人力和财力。粮食温度检测是储备库中防止粮食霉烂、保质存放的重要环节。对于一个农业大国来讲，粮食生产、需求与储备量都很大。大量粮食在储备的过程中常因粮食湿度过大而升温发热，导致粮食大量腐烂变质，给国家带来巨大损失。所以粮仓监控系统中温度测量是整个系统的主要功能之一。针对这一现象，目前推广应用的许多智能温度监测

9、系统多采用电阻式温度传感器检测温度，测量精度低，离散性大，需要A / D 转换，电路复杂。而采用DS18B20 型数字式温度传感器作为温度采集单元，较好地解决了上述问题。3智能温度传感器的设计3.1原理和功能描述原理本文设计的粮仓温度监控系统，采用DS18B20 型数字式温度传感器作为温度采集单元，实现对粮仓温度的自动测量和控制，同时具有显示和报警功能。该系统具有速度快、性能稳定、电路简单等特点，满足了实时检测和控制的要求。应用程序中，首先对8255 进行初始化，设定工作方式0。PA 口、PB 口、PC 口均为输出口，其中PA 口、PB 口为显示输出，PC 口为报警和相关设备驱动口。首先对温度

10、进行采样，每个温度点采样6 次，计算平均值作为采样值，送入显示和存储的相应单元进行存储和传感器的编号和温度的显示，然后判断温度是否超过设定温度。如果温度超标则报警，根据传感器的位置，判断启动通风设备或加热设备；如果不超标就继续检测下一个点的温度，直到整个粮仓的350 点温度全部测量完成。然后计算和显示粮仓的平均温度，最后系统返回再进行温度的巡回测量和显示。 粮仓恒温控制系统完成的功能本设计是对温度进行实时监测与控制，设计的温度控制系统实现了基本的温控制功能：温度低于设定下限温度时，系统自动启动加热继电器加温，使温度上升。当温度上升到下限温度以上时，停止加温；当温度高于设定上限温度时，系统自动启

11、动风扇降温，使温度下降。当温度下降到上限温度以下时，停止降温。温度在上下限温度之间时，执行机构不执行。数码管显示器即时显示温度等相关功能。 3.2硬件设计系统结构图本系统是一个全自动的粮仓温度巡回检测与控制系统。它由以下几部分组成：AT89C51 单片机、8255 并行接口电路、A/D 转换器、温湿度传感器、驱动电路、报警和显示电路构成，系统的组成如图所示。图3 硬件组成框图微处理器（单片机）微处理器是本系统的核心，其性能的好坏直接影响系统的稳定，鉴于本系统为实时控制系统，系统运行时需要进行大量的运算，所以单片机采用INTEL公司的高效微控制器AT89C51。AT89C51是一种带4K字节闪烁

12、可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51 ? 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 图4 AT89C51引脚图1）主要特性：与MCS-51 兼容 、4K字节可编程闪烁存储器 、寿命：1000写/擦循环、数据保留时间：10年、全静态工作：0Hz

13、-24Hz、三级程序存储器锁定、128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源 、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路 2）管脚说明VCC：供电电压；GND：接地；P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高；P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门

14、电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收；P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容

15、。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号；P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故；P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能、P3.0 RXD（串行输入口）、P3.1 TXD（串行输出口）、P3.2 /INT0（外部中断0）、P3.3 /INT1（外部中断1）、P3.4 T0（记时器0外部输入）、P3.5 T1（记时器1外部输入）、P3.6 /WR（外部数据存储器写选

16、通）、P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）、P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

17、另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。3）振荡特性  /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来

18、自反向振荡器的输出。 4）芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 5）运算器 (1)算术逻辑部件ALU：用以完成+、-、*、/ 的算术运算及布尔代数的逻辑运算，并

19、通过运算结果影响程序状态寄存器PSW的某些位，从而为判断、转移、十进制修正和出错等提供依据。(2)累加器A：在算术逻辑运算中存放一个操作数或结果，在与外部存储器和I/O接口打交道时，进行数据传送都要经过A来完成。(3)寄存器B：在 *、/ 运算中要使用寄存器B 。乘法时，B用来存放乘数以及积的高字节；除法时，B用来存放除数及余数。不作乘除时，B可作通用寄存器使用。(4)程序状态标志寄存器PSW：用来存放当前指令执行后操作结果的某些特征，以便为下一条指令的执行提供依据。6）中断系统：8051单片机的中断系统简单实用，其基本特点是：有5个固定的可屏蔽中断源，3个在片内，2个在片外，它们在程序存储器

20、中各有固定的中断入口地址，由此进入中断服务程序；5个中断源有两级中断优先级，可形成中断嵌套；2个特殊功能寄存器用于中断控制和条件设置的编程。5个中断源的符号、名称及产生的条件如下:INT0：外部中断0，由P32端口线引入，低电平或下跳沿引起。INT1：外部中断1，由P33端口线引入，低电平或下跳沿引起。T0：定时器计数器0中断，由T0计满回零引起。T1：定时器计数器l中断，由T1计满回零引起。TIRI：串行IO中断，串行端口完成一帧字符发送接收后引起。 温度传感器在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能

21、够达到较高的测量精度。我们在为冰箱测温系统中，为了克服上面提到的三个问题，采用了新型数字温度传感器DS1820，在对其测温原理进行详细分析的基础上，提出了提高DS1820测量精度的方法，使DS1820的测量精度由0.5提高到0.1以上，取得了良好的测温效果。） DS1820简介DS1820是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。与其它温度传感器相比，DS1820具有以下特性。a.独特的单线接口方式，DS1820在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS1820的

22、双向通讯。b.DS1820支持多点组网功能，多个DS1820可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。c.DS1820在使用中不需要任何外围元件。d.温范围55125，固有测温分辨率0.5。e.测量结果以9位数字量方式串行传送DS1820内部结构框图如图所示。图5 DS1820内部结构框图DS1820测温原理如图5所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置

23、值减到0时，温度寄存器的值将加1 ，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图5中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。图6 累加器的运算在正常测温情况下，DS1820的测温分辩率为0.5以9位数据格式表示，其中最低有效位（LSB）由比较器进行0.25比较，当计数器1中的余值转化成温度后低于0.25时，清除温度寄存器的最低位（LSB），当计数器1中的余值转化成温度后高于0.25，置位温度寄存器的最低位（LSB）。2）提高

24、DS1820测温精度的途径a.DS1820高精度测温的理论依据DS1820正常使用时的测温分辨率为0.5，这对于水轮发电机组轴瓦温度监测来讲略显不足，在对DS1820测温原理详细分析的基础上，我们采取直接读取DS1820内部暂存寄存器的方法，将DS1820的测温分辨率提高到0.10.01DS1820内部暂存寄存器的分布如表1所示，其中第7字节存放的是当温度寄存器停止增值时计数器1的计数剩余值，第8字节存放的是每度所对应的计数值，这样，我们就可以通过下面的方法获得高分辨率的温度测量结果。首先用DS1820提供的读暂存寄存器指令(BEH)读出以0.5为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低

25、有效位(LSB)，得到所测实际温度整数部分T整数，然后再用BEH指令读取计数器1的计数剩余值M剩余和每度计数值M每度，考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25、0.75为进位界限的关系，实际温度T实际可用下式计算得到：T实际=(T整数0.25)+(M每度M剩余)/M每度b.测量数据比较表2为采用直接读取测温结果方法和采用计算方法得到的测温数据比较，通过比较可以看出，计算方法在DS1820测温中不仅是可行的，也可以大大的提高DS1820的测温分辨率。3)DS1820使用中注意事项DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题

26、：a.较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。b.在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。c.连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长

27、度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。d.在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。3.3软件设计系统的的工作过

28、程系统主程序流程图如图四所示：图7 系统主程序流程图首先对特定的单元进行清零，对8255A 进行初始化，然后根据实际情况和元件特性，进入温度测量环节2。由于采用的是一线总线传感器，所以，发操作命令之前要首先进行初始化，然后，发DS18B20 的序列号，即ROM 匹配命令对单个传感器进行操作，测量该传感器点的温度，连续6 次，求平均值作为本次的测量值，然后判断温度是否超标。如果超标就报警，根据传感器的位置判断启动相应的设备，再送去显示；判断如果350 个点都已经测量完成就显示粮仓的平均温度，如果没完成就返回继续进行。读出温度子程序读出温度子程序的主要功能是读出RAM的9字节，在读出温度是需要CR

29、C校验，效验有错时要进行温度数据的该写，如下图所示。图8 读温度流程图温度转换子程序温度转换子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用了1s显示程序延时等待转换的完成。其流程图如下所示。图9 温度转换流程图计算温度子程序计算温度子程序是将RAM中读取值进行BCD码转换运算，并进行温度值正负的判定，其流程图如下图所示。图10 计算温度流程图显示数据刷新子程序 显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲中的显示数据进行刷新显示操作，当最高显示位为0时将符号显示位移入下一位。其流程图如下图显示。图11 显示数据刷新流程图3.4试验结果通过此项设计的分析可得

30、到如下结论： 1.本系统运用单片机速度快、体积小、价格低廉的8位MCS51单片机,可以做出可行、可靠性强的自动控制产品-粮仓温度的设计系统。2.在单片机应用环境不是很恶劣的地方，利用软件抗干扰也可以达到精度不高的要求，而且，节省了硬件资源，降低了产品设计成本，有助于产品的推广。 3.本系统的设计尽量简化电路，提高软件质量。 4.本系统支持多功能模块。如果再加上少许外围器件，如语音芯片，环境温度传感器，在软件方面采用模糊控制技术，可以使粮仓的智能化大大提高。4结束语本设计以满足工况需要，最大限度地提高工作效率和节省人力物力为出发点，采用的单片机AT89C51 性价比高，而且温度传感器DS18B2

31、0 转化温度的方法非常简洁且精度高，系统可以实现温度的巡回测量和显示，并且对温度超标的情况能够报警同时进行自动选择性的处理，是粮仓温度测量控制的首选产品。.5参考文献1 陈明荧.8051单片机课程设计实训教材          北京:清华大学出版社 20042李军 .检测技术及仪表M. 北京: 中国轻工业出版社 2002.4 3 凌玉华.单片机原理与应用系统设计 长沙:中南大学出版社 2006 4 刘鸣,车立新,陈兴梧,赵煜. 温度传感器DS18B20的特性及程序设计方法. 电测与仪表 , 2001,(1

32、0) . 5 周月霞,孙传友. DS18B20硬件连接及软件编程J. 传感器世界 , 2001,(12) . 6 刘易雄,刘建雄 DS18B20接口的C语言程序设计. 仪器仪表用户,河南科技大学机电工程学院 ,2005,06 7 陈涛. DS18B20芯片与单片微控制器的接口设计与应用J. 山东煤炭科技 , 2002,(03) . 8 陈跃东. DS18B20集成温度传感器原理及其应用J. 安徽工程科技学院学报 , 2002,(04) . 9 Zhang Chunzhi Feng Haiming. Design of Micro-controllers Control System of El

33、ectric RefrigeratorJ .Journal of Beijing Vocational & Technical Institute of Industry.2002,(03).附录1：源程序#include<reg51.h>Unsigned char code Duan=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x63,0x39;unsigned char Data_Buffer2=0,0;unsigned char Temperature=0;/温度值sbit DAQ =P37; /定义

34、通信端口sbit wei0 = P20;sbit wei1 = P21;void delay(unsigned int i) while(i-);void Init_DS18B20(void) /初始化函数 unsigned char i=0; DAQ = 1; /DQ复位 delay(8); /稍做延时 DAQ = 0; /单片机将DQ拉低 delay(80); /精确延时 大于 480us DAQ = 1; /拉高总线 delay(14); i=DAQ; /稍做延时后 如果x=0则初始化成功 x=1则初始化失败 delay(20);/读一个字节unsigned int ReadOneChar(void) unsigned char i=