基于DS18B20的MOA溫度遠程監控系統設計

　　金屬氧化物避雷器(MOA)是防止供電系統和用電設備免受雷電危害的主要設施，一旦出現故障，不但失去應有的防雷作用，且可能帶來(lái)供電事故。因而為確保MOA正常發(fā)揮作用，需要在線(xiàn)監測MOA的運行狀態(tài)。以MOA閥片溫度作為故障特征量，設計了基于DS18B20和AT89S52單片機的實(shí)時(shí)溫度監測系統。研究表明，該系統結構合理，方法正確， 可滿(mǎn)足應用需求，大幅度減少了MOA維護成本。

　　避雷器監測中，幾乎所有需要測量的變量，包括在正常電壓及過(guò)電壓下的能量吸收，及由于老化和受潮產(chǎn)生的功耗，都會(huì )影響MOA閥片的溫度。溫度不僅是其實(shí)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。MOA的溫度是各種影響參數共同作用的結果，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，出現過(guò)電壓時(shí)，溫度可能暫時(shí)會(huì )有所上升，但會(huì )慢慢恢復。在MOA老化或受潮時(shí)，溫度會(huì )逐步上升，溫度不僅是其實(shí)際工作狀況的間接反映，而且是各種影響參數共同作用的結果。在持續運行電壓下MOA過(guò)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(wú)直接關(guān)系。因此，MOA閥片的溫度是判別其是否工作在(熱)穩定狀態(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的當前工作狀態(tài)。

　　論文設計的MOA溫度在線(xiàn)監測系統，以DS18B20為溫度傳感器，AT89S52單片機為控制單元，同時(shí)通過(guò)RS-485總線(xiàn)與PC機進(jìn)行通信，具有遠程溫度監測能力和遠程報警能力。

　　1 DS18B20簡(jiǎn)介

　　1. 1 DS18B20

　　系統采用DALLAS半導體公司生產(chǎn)的單線(xiàn)數字式溫度傳感器DS18B20監測MOA接地端溫度。

　　DS18B20通過(guò)對其內部溫度系統振蕩器輸出的脈沖信號計數來(lái)測量溫度，并在芯片內部把溫度信號轉換成串行數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(jiǎn)單等特點(diǎn)。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(gè)芯片都有自己?jiǎn)为毜淖R別編碼，因而在一條總線(xiàn)上可掛接多個(gè)DS18B20芯片;由于它占用微處理器的端口少，可節省大量的引線(xiàn)和邏輯電路，適合于遠距離多點(diǎn)溫度檢測。

　　在進(jìn)行多點(diǎn)測溫時(shí)，由于傳感器與數據采集系統有一定的距離，電磁干擾、信號衰減等問(wèn)題會(huì )造成數據傳輸錯誤。DS18B20內部提供CRC 冗余校驗碼，傳輸過(guò)程中系統具有一定的容錯能力，在糾錯范圍內，就可以對錯誤的數據進(jìn)行糾正， 提高抗干擾能力和加大傳輸距離;當錯誤超出糾錯范圍時(shí)，也可以識別出錯誤的數據進(jìn)行重新采集，從而提高采集數據的可信度。DSl8B20的內部結構圖如圖1所示。

　　圖1DS l8B20內部結構圖

　　1. 2 單線(xiàn)( 1-W ire)技術(shù)

　　單總線(xiàn)( 1-Wire)技術(shù)是近年來(lái)由美國Da llas半導體公司研發(fā)的一種總線(xiàn)技術(shù)。與SPI、I2C 等多種標準串行數據通信方式不同， 它采用單根信號線(xiàn)傳輸時(shí)鐘和數據， 以其具有的節約I/O 資源、結構簡(jiǎn)單、成本低廉、便于總線(xiàn)擴展和維護等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越多的被廣泛應用于民用電器、工業(yè)控制領(lǐng)域。

　　單總線(xiàn)適用于單個(gè)主機(Master)控制一個(gè)或多個(gè)從機( Slave)設備的系統。當只有一個(gè)從機設備時(shí)， 系統可按單節點(diǎn)系統操作， 當有多個(gè)從機設備時(shí)， 系統可按多節點(diǎn)系統操作。與其它如并行、串行及專(zhuān)用總線(xiàn)相比， 單總線(xiàn)突出的特點(diǎn)是主機控制器件的地址線(xiàn)、數據線(xiàn)和控制線(xiàn)合成為一條信號線(xiàn)與從機設備進(jìn)行雙向的數據交換。所以在有多路多個(gè)測控對象時(shí)， 系統的布線(xiàn)簡(jiǎn)單、方便。但是較小的硬件開(kāi)銷(xiāo)需要相對復雜的軟件設計進(jìn)行補償。

　　經(jīng)過(guò)單線(xiàn)接口訪(fǎng)問(wèn)單總線(xiàn)器件有嚴格的單總線(xiàn)命令序列如下：

　　每次訪(fǎng)問(wèn)單總線(xiàn)器件， 都必須嚴格遵守這個(gè)命令序列。如果出現序列混亂， 則單總線(xiàn)器件不會(huì )響應主機。

　　2 硬件電路設計

　　監測系統采用分布式結構， 如圖2 所示。其中監測站完成溫度的測量， 并通過(guò)RS- 485總線(xiàn)與PC機進(jìn)行通信， 實(shí)現基于溫度的MOA 在線(xiàn)監測。

　　圖2 MOA溫度監測系統結構圖

　　監測站以AT89S52單片機作為控制器， 通過(guò)多個(gè)數字式溫度傳感器DSl8B20對三相MOA和環(huán)境溫度進(jìn)行采樣， 送往單片機同時(shí)進(jìn)行數據處理。此單片機通過(guò)RS- 485總線(xiàn)與PC 機進(jìn)行通信， 實(shí)時(shí)傳送當前的三相MOA 溫差和工作狀態(tài)標志， 并按照要求發(fā)送或接收參數的設定值。本設計中四路溫度傳感器分別測量一組監測站中三個(gè)MOA底部接地端子溫度和環(huán)境溫度。單片機對采集來(lái)的溫度數據進(jìn)行處理判斷， 并將判斷的MOA 當前工作狀態(tài)存儲， 等待監測計算機的讀取， 實(shí)現基于溫度的MOA 在線(xiàn)監測。

　　監測站溫度測量系統的結構如圖3所示。

　　圖3 MOA溫度在線(xiàn)監測站結構框圖

　　2. 1 電源電路

　　電源部分電路如圖4 所示。電源輸入電壓為220 V交流電壓， 輸出為+ 5 V 電壓， 直接供給單片機使用， 圖3中的穩壓管用于抑制雷電和操作過(guò)電壓干擾， FIT是交流干擾抑制濾波器， 用于進(jìn)一步降低電源干擾， AC /DC 是開(kāi)關(guān)型直流穩壓電源， 為監測站提供直流電源; 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(gè)器件串接在一線(xiàn)制總線(xiàn)上時(shí)， 為了區分每次操作是針對總線(xiàn)上哪個(gè)器件， DS18B20器件在內部提供了每個(gè)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(jìn)行匹配后， 方可對其中的某一個(gè)器件進(jìn)行測溫/讀取溫度值的操作。

　　當一線(xiàn)制總線(xiàn)上僅有一個(gè)DS18B20器件時(shí)， 可以用sk ip ROM 操作(即跳過(guò)ROM 匹配)命令來(lái)代替64位序列號的匹配過(guò)程， 省掉煩瑣的總線(xiàn)上器件序列號的查詢(xún)操作。在本設計中， 每個(gè)監測站僅用4個(gè)DS18B20器件， 因此在硬件滿(mǎn)足要求的條件下可以設計成單片機的每個(gè)端口僅連接一個(gè)DS18B20, 即利用單片機的并行端口同時(shí)對多個(gè)DS18B20進(jìn)行統一的操作。

　　圖5 DS l8B20的多點(diǎn)測溫電路原理圖

　　2. 3 串口通信電路

　　本設計選用的單片機AT89S52 具有一個(gè)全雙工的串行口， 可以通過(guò)編程設定為4種工作方式， 完全滿(mǎn)足系統的串口通信要求。由于實(shí)際的溫度測量系統離PC機的監控地點(diǎn)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(diǎn)， 因此本設計選用了RS- 485總線(xiàn)進(jìn)行遠程通信。RS - 485是美國電氣工業(yè)聯(lián)合會(huì )制定的通信標準， 其采用差分信號進(jìn)行傳輸， 最大傳輸距離約為1219 m, 最大的傳輸速率可達10Mbit/ s, 能夠滿(mǎn)足長(cháng)距離和高速率的串行異步通信， 得到了廣泛的應用。在系統實(shí)現中， 單片機端使用MAX485芯片將TTL 電平轉換成RS - 485的電平輸出， 并在PC端連接RS232 /485轉換器， 從而實(shí)現了遠程監控。RS- 485總線(xiàn)接口電路如圖6所示。

　　圖6 RS- 485總線(xiàn)接口電路

　　2. 4 人機通信

　　監測系統可采用數碼管和鍵盤(pán)作為人機交互界面， 通過(guò)鍵盤(pán)按鍵來(lái)顯示三相MOA 的當前工作溫度和與環(huán)境的溫差， 鍵盤(pán)設定或修改兩個(gè)回路的上下限溫度報警值， 且一經(jīng)設定完成后即用新的參數值進(jìn)行監控并發(fā)往PC 機更新數據， 同時(shí)把新參數送入E2ROM中保存， 以防止系統掉電后參數的丟失。在溫度測量中， 系統用當前測量值與設定的上下溫限值比較， 從而控制是否需要聲光報警。當系統的運行發(fā)生了偏差， 可以通過(guò)復位按鍵使系統重新開(kāi)始運作。

　　3 軟件編程設計

　　3. 1 DS18B20時(shí)序圖

　　由于DS18B20采用的是1-W ire總線(xiàn)協(xié)議方式，即用一根數據線(xiàn)實(shí)現數據的雙向傳輸， 單線(xiàn)通信功能是分時(shí)完成的， 有嚴格的時(shí)序概念， 因此讀寫(xiě)時(shí)序很重要。系統對DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為： 初始化DS18B20(發(fā)復位脈沖)-發(fā)ROM 操作命令-發(fā)存儲器操作命令-處理數據。

　　DS18B20的復位、讀和寫(xiě)時(shí)序圖如下。

　　所有時(shí)序都是將主機作為主設備， 單總線(xiàn)器件作為從設備。而每一次命令和數據的傳輸都是從主機主動(dòng)啟動(dòng)寫(xiě)時(shí)序開(kāi)始， 如果要求單總線(xiàn)器件回送數據， 在進(jìn)行寫(xiě)命令后， 主機需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數據接收。數據和命令的傳輸都是低位在先。

　　3. 2 監測系統主程序流程圖

　　軟件部分主要包括主程序、RS - 485 通信、鍵盤(pán)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(pán)掃描模塊用來(lái)輸入各溫度傳感器的溫度上下限; 溫度采集模塊定時(shí)的采集四個(gè)溫度傳感器的溫度值; 溫度顯示模塊用來(lái)循環(huán)的顯示三相MOA與環(huán)境的溫度差。

　　圖10 系統主程序流程圖

　　3. 3溫度轉換讀取程序流程圖

　　啟動(dòng)溫度轉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(dòng)溫度轉換指令是對總線(xiàn)上所有的DS18B20, 而不論它的器件序號。啟動(dòng)溫度轉換[命令字44H]: 總線(xiàn)上所有的DS18B20開(kāi)始進(jìn)行溫度轉換， 經(jīng)過(guò)200ms左右， DS18B20將轉換結果存于RAM的0號和1號字節中， 供單片機讀取。因為在單總線(xiàn)上只有一個(gè)DS18B20, 在讀溫度值時(shí)，只需要發(fā)出跳過(guò)ROM指令[CCH ], 然后讀取溫度數據即可。數據處理： DS18B20有嚴格的時(shí)序來(lái)保證數據的完整性。在單線(xiàn)DQ 上， 存在復位脈沖、應答各脈沖、寫(xiě)“ 0”、寫(xiě)“1”、讀“0”和讀“1”幾種信號類(lèi)型。

　　圖11 溫度轉換及讀取程序流程圖

　　4 結語(yǔ)

　　DS18B20溫度傳感器以其線(xiàn)路簡(jiǎn)單， 硬件少， 成本低， 具有完善的單總線(xiàn)通信協(xié)議， 無(wú)需復雜煩瑣的布線(xiàn)，在實(shí)際生產(chǎn)和科學(xué)研究中有廣闊的前景。設計中采用的新型溫度傳感器DS18B20, 只需要一根單總線(xiàn)就可完成與單片機的通信， 避免了模擬傳感器帶來(lái)的共地干擾和線(xiàn)路干擾問(wèn)題。由它們構成的單總線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)纜少， 從而大大減少了現場(chǎng)線(xiàn)纜， 簡(jiǎn)化了系統布線(xiàn)的復雜度， 系統可能發(fā)生故障的環(huán)節少， 便于維護， 提高了系統測量的準確程度和智能化程度， 并在一定程度上降低了系統成本。RS- 485現場(chǎng)總線(xiàn)將各采集器采集到的溫度數據傳送給監測計算機， 并對傳輸數據進(jìn)行校驗， 是數據在得以遠距離傳輸的同時(shí)， 保持了較強的抗干擾性， 且實(shí)現了計算機與監測站的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測。