智能溫室多點溫度檢測系統電路設計與仿真

劉 德 全

(寧夏師范學院，寧夏 固原 756000)

0 引 言

余川川等[1]提出了基于BP神經網絡的PID控制算法，并將其應用于溫室溫度的控制，仿真表明控制器具有很好的自適應和魯棒性，為溫度采集算法提供了參考價值，但沒有給出具體的設計電路；文獻[2]研究了基于CAN總線網絡在溫室溫度測控系統的應用，其溫度傳感采用了DS18B20，因為采用CAN總線傳輸數據，因此沒有充分發揮DS18B20傳感器的1-Wire性能；文獻[3]中研究了基于計算機流體動力學模型(Computational Fluid Dynamics，CFD)的溫度多指標GA優化算法，為獲得精確的溫室溫度算法提供了很好的參考；文獻[4]對基于FPGA和模糊PID算法的溫度采集進行了系統研究；文獻[5]研究了基于ZigBee的溫室溫度檢測系統，采用“一線總線”數字化溫度傳感器DS18B20的無線溫度檢測系統，實現低功耗、低成本的溫室溫度檢測；文獻[6]提出一種基于現場控制系統(FCS)的現場總線控制模型，結合煙葉生長原理和溫室溫度控制原理出發，實現煙葉溫室溫度的精確控制；文獻[7]對溫室溫度控制系統不確定性與干擾的灰色預測補償算法進行研究，灰色預測補償算法能夠避開溫室對象的不確定性、時變性和多擾動性，控制精度明顯提高。結合上述文獻的優缺點，本文提出基于Proteus軟件平臺下的單片機控制的智能溫室多點檢測系統電路的設計和仿真。

1 電路設計

1.1 溫度傳感器電路

溫度傳感電路實現土壤溫度的實時采集，為了提高采集的精確性，這里選取美國DALLAS公司的可編程分辨率的1-Wire數字溫度傳感器DS18B20[8-11]，其主要特點首先是采用單總線接口，具有經濟性好、抗干擾性強，適用于惡劣環境的現場溫度測量；其次可以實現多點組網，輕松地組建傳感器網絡，實現多點測溫；最后就是DS18B20供電方式靈活，可以不外接電源，具有掉電保護等功能。DS1820內部結構框圖如圖1所示，從圖中可以看出，DS18B20有3個引腳，其中：DQ為雙向單總線數據引腳；GND為地信號；UDD為可選的外部電源引腳[13]。

圖1 DS18B20 內部結構圖

每個DS18B20在出廠時，都被寫入獨特、不重疊的64位序列號，被保存在圖1中的64位ROM存儲器器中，從而允許多只DS18B20同時連接在一根總線上。因此，很簡單就可以用一個微處理去控制很多覆蓋在一大片區域的DS18B20，這一特性在HVAC環境監控、探測建筑物、儀器或者機器的溫度以及過程監控等方面非常有用。數據緩沖存儲器含有2個字節的溫度寄存器用來存儲溫度傳感器采集的溫度值；TH和TL溫觸發寄存器保存用戶設置的溫度報警值；1個字節的配置寄存器中的R0和R1 兩個位地址用于設置溫度轉換的精度可以為9,10,11或者12位(此時R0=1，R1=1，為默認狀態)。

DS18B20傳感器的網絡拓撲結構，從原理上來說，可以將多個傳感器都掛在一根總線上，但實際上一根總線上的傳感器數目超過8個時，就要計算總線的驅動能力，因此，在系統設計時，每根總線最好接8個DS18B20。本文在電路設計和仿真時以4個為例，其電路圖如圖2所示。

DS18B20的核心功能是直接輸出數字溫度值，溫度值的精度為用戶可編程的9、10、11或者12位，分別以0.5、0.25、0.125、0.0625 °C增量遞增。系統上電狀態下默認為12位精度。上電復位時溫度寄存器默認值為+85 °C，所以在調試時會出現+85 °C溫度的顯示。

1.2 單片機最小系統及人機交互電路

單片機控制系統為了降低成本和功耗，采用典型的最小系統，包括復位電路、晶振電路和電源電路，在這里只是設計仿真，因此電源電路直接用5 V直流電源代替，其他電路如圖3所示。

在圖3中，人機交互式電路主要包括按鍵電路、聲光報警電路和液晶顯示電路。按鍵電路的功能主要是進行溫度傳感器檢測以及數字溫度傳感器溫度報警閾值的設置，具體功能如表1所示。

表1 按鍵的功能

聲光報警電路由發光二極管D1和蜂鳴器SOUNDER構成，在溫度處于報警閾值范圍之內時，二極管一直處于亮狀態，當溫度高于或者低于閾值時，發光二極管開始閃爍，并且蜂鳴器發出“嘟嘟……”的報警聲。

液晶顯示電路主要由LM016L顯示器構成，在不同的狀態下顯示內容也不一樣，總結如下：

(1)顯示DS18B20的64位的ROM碼；

(2)實測溫度顯示，液晶顯示器首先顯示DS18B20的64ROM碼，隨后顯示當前的溫度情況，如果實測溫度高于溫度報警值TH的設定值時，LCD顯示為“>H”；當實測溫度值小于溫度報警值TL時，LCD顯示為“

(3)顯示當前溫度傳感器的溫度報警閾值，當在溫度設定狀態時，顯示改變的溫度報警閾值。

2 算法實現

2.1 DS18B20時序

DS18B20通信需嚴格遵守1-Wire通信協議，在此協議中詳細定義了復位脈沖信號、應答信號、寫時序和讀時序等信號。應答脈沖信號除外的其他信號都由主機發出，且數據字節的低位在前高位在后。下面主要研究各時序之間的關系[12-14]。

2.1.1DS18B20復位時序1

在節水灌溉技術選擇過程中，要按照因地制宜的模式，制定科學的節水灌溉發展規劃，避免盲目引進不適合本地區農業生產的節水灌溉技術，不盲目搞所謂的樣子工程。針對本地區存在大量中低產田的現狀，應該進一步重視中低產田改造，將中低產田改造列為今后農業的主攻方向。通過利用合適的灌溉技術，將中低產田的低產向著高產轉變。進一步促進節水灌溉技術在中低產田推廣應用，提升農業生產效益。

上位機與DS18B20間的任何通信的第一步就是進行初始化操作[15]，其初始化序列如圖4所示。從圖中可以看出，初始化脈沖包括一個復位脈沖和一個存在脈沖，在發出復位脈沖時，總線控制器首先拉低總線DQ并保持480 μs以上發出(TX)一個復位脈沖，然后釋放總線，進入接收狀態(RX)，并將單總線上拉電阻拉至高電平；存在脈沖表明DS18B20已經準備好數據的發送和接收，當DS18B20檢測到DQ總線上的上升沿后，等待15～60 μs，然后發出一個由60～240 μs低電平信號構成的存在脈沖。復位程序流程圖如圖5所示。

圖4 DS18B20初始化時序圖

圖5 復位程序流程圖

2.1.2DS18B20讀、寫時序

DS18B20的數據讀寫是通過時序處理來確認信息交換的。寫時序包括寫邏輯1時序和寫邏輯0時序。從圖6(a)可以看出，寫時序開始前必須將DQ總線處于低電平狀態，等待15 μs后釋放總線并讀取總線的狀態，如果總線是高電平，則向DS18B20寫入1；如果總線是低電平，則向DS18B20寫入0。從圖5(a)還可以得到，寫時序至少持續60 μs，包括兩個寫周期之間至少1 μs的恢復時間。

總線控制器發出讀時序時，所有讀時序同樣至少持續60 μs，包括兩個讀周期期間至少1 μs的恢復時間。讀時序圖如圖6(b)所示，讀時序開始之前必須將DQ數據從高電平拉到低點平然后釋放總線，如圖6(b)所示。在總線控制器發出讀時序后，如DQ總線為高電平，則讀入的數據為1，反之讀入的數據為0。

根據DS18B20的讀寫時序圖，畫出DS18B20讀寫程序算法流程圖，編寫程序，流程圖和程序如圖7所示。

(a)

(b)

圖7 DS18B20 讀、寫程序流程圖

2.2 DS18B20 64位ROM編碼的搜索算法

當溫度傳感器均掛與單線總線上時， 對單線總線上的DS18B20正確尋址是其正常地測量溫度先決條件，而識別ROM編碼是對單線總線上的DS18B20正確尋址唯一方法。所以對單線總線上的DS18B20 ROM編碼搜索與識別是必須的。系統64位ROM碼包括8位系列碼(最低8位)，默認值為28H；接著48位是一個唯一的序列號，最高8位是以上56位的CRC 校驗碼。系統對總線上器件的數量和每個器件的ROM碼的識別與搜索是通過軟件算法與ROM 搜索命令配合來實現的。ROM碼的每一位搜索過程可總結為讀一位，讀該位補碼，寫一位，即“兩讀一寫”。上位機對ROM碼的識別是從最低位開始，每一位的識別都要進行“兩讀一寫”操作，直到搜索完所有DS18B20的ROM碼。

表2 “兩讀”數據功能

主機寫1位的目的就是為了排除和定位，具體寫入一位數值由讀到的“兩位”數值決定，如“兩讀”數據為“11”，說明沒有檢測到DS18B20傳感器，因此結束搜索，無需再寫入數據；若讀到為“01”或者“10”，表明存在DS18B20，則應對寫入“0”或者“1”，繼續讀下一位；若讀到“00”，表明總線上的DS18B20器件的ROM碼在該位上數據發生沖突，此時，寫入1位數據具有“排除”的作用。如果器件ROM碼在該位上的數據與寫入的數據相同，則繼續保持與總線的聯系，如果不同則此器件在本次搜索中從總線上“刪除”，不在響應主機發布的命令，直到主機進行下一次復位。根據上述ROM的搜索原理，可得到如圖8所示的樹形搜索策略圖，因此得出ROM編碼的搜索與識別功能函數流程圖如圖8所示。

2.3 CRC發生器

CRC碼是一種線性分組碼，編碼簡單但具有很強的檢錯糾錯能力。DS18B20采用CRC8糾錯[17]，其糾錯公式如示。

圖8 ROM碼樹形搜索策略圖

圖9 DS18B20 ROM編碼的搜索與識別功能函數流程圖

CRC=x8+x5+x4+1

在DS18B20中，CRC字節作為DS18B20 64位ROM的一部分存在存儲器中，CRC碼由ROM的前56位計算得到，當ROM中的數據發生變化時，CRC值也隨之改變。為校正數據是否被正確讀取，總線控制器必須用接受到的數據計算出一個CRC值和存儲在ROM中的8位CRC碼進行比較，如果兩者相吻合，說明數據被無錯誤的傳輸，當在DS18B20中存儲的和由計算到的CRC值不相符，說明數據發生錯誤，重新接收數據。

CRC校驗與CRC編碼方法相同，都是采用移位和異或進行的。如果在編程中直接采用這種算法，則降低程序的運算速度，因此提出了查表法計算，該算法核心思想是先取一個字節數據進行暫存，然后對暫存單元內的值進行左循環移位運算，一個字節左循環移位運算后如果其最低位為1，說明數據有誤，進行CRC糾錯，將CRC單元值(初始化為0)與18H做異或運算且左移，否則CRC單元值只進行左移運算。最后將CRC單元值與下一字節做同樣運算，直到完成最后256個單元值的運算，形成256個CRC糾錯碼，其C程序代碼如CrcTable數組。算法流程如圖10所示。

3 結 語

將電路在英國Labcenter公司的EDA平臺—Proteus環境中進行原理圖設計并進行了虛擬仿真，實現了4個DS18B20傳感的溫度數據采集、顯示和報警等功能。在實際應用中系統采集精度高、運行穩定。

圖10 CRC糾錯算法流程圖

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