引 言

目前檢測(cè)溫度一般采用熱電偶或熱敏電阻作為傳感器。這種傳感器至儀表之間一般都要用專用的溫度補(bǔ)償導(dǎo)線；而溫度補(bǔ)償導(dǎo)線價(jià)格很貴，并且線路太長(zhǎng)也會(huì)影響測(cè)量精度。在實(shí)際應(yīng)用中往往需要對(duì)較遠(yuǎn)處（1 km左右）的溫度信號(hào)進(jìn)行監(jiān)視?，F(xiàn)有的解決方案有很多，例如：① 在現(xiàn)場(chǎng)用智能儀表對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，用計(jì)算機(jī)作上位機(jī)與智能儀表進(jìn)行通信來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)。采用這種方案要增加計(jì)算機(jī)設(shè)備及相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件。② NCU+DDC實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)。用2個(gè)DDC，一個(gè)安裝在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量溫度，另一個(gè)安裝在監(jiān)視地，2個(gè)DDC通過NCU進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)。

但以上方案都存在成本高的問題。有沒有低成本的解決方案呢？其實(shí)，在單片機(jī)應(yīng)用日益廣泛的今天，完全可以用單片機(jī)以極低的成本來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)。

1 問題的提出

我單位管理的鍋爐房同時(shí)給2棟建筑物內(nèi)的2家酒店供應(yīng)蒸汽，由安裝在2棟建筑物地下室的熱交換器進(jìn)行熱交換后產(chǎn)生熱水送給客房。從鍋爐房至2個(gè)熱交換站的距離分別約600 m，值班人員要不停地奔波于2個(gè)熱交換站與鍋爐房之間進(jìn)行設(shè)備巡視，檢查熱水溫度是否控制在規(guī)定的范圍。這樣不僅增加了值班人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也使鍋爐房經(jīng)常無人(因每班1人值班)。如果能在鍋爐房顯示2個(gè)熱交換站內(nèi)各熱交換器的熱水溫度，則值班人員僅在熱水溫度異常時(shí)才需到熱交換站檢查設(shè)備，這樣便可解決上述問題。經(jīng)過分析，本人用單片機(jī)+智能儀表以低成本實(shí)現(xiàn)溫度遠(yuǎn)程顯示，并且經(jīng)過實(shí)驗(yàn)取得了成功。

2 控制要求及解決方案選擇

① 2個(gè)熱交換站分高低區(qū)共安裝有8個(gè)熱交換器，正常水溫在45~65℃之間；2個(gè)熱交換站與鍋爐房的距離分別為500 m和600 m左右。

② 要求在鍋爐房?jī)?nèi)能以巡回及定點(diǎn)2種方式顯示8個(gè)熱交換器的熱水溫度：巡回方式以3 s為周期輪流更新及顯示各熱交換器熱水溫度；定點(diǎn)方式時(shí)，每按上鍵或下鍵1次則顯示上或下1個(gè)熱交換器熱水溫度，每3 s自動(dòng)更新數(shù)據(jù)1次。

③ 根據(jù)控制要求選擇單片機(jī)+智能儀表的解決方案：用帶通信接口的智能儀表安裝在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量溫度，設(shè)計(jì)制作1個(gè)單片機(jī)裝置完成與智能儀表的通信及數(shù)據(jù)顯示。

3 通信協(xié)議、智能儀表選擇及其參數(shù)介紹

因熱水溫度信號(hào)變化較慢，因而對(duì)通信的速度要求不高。對(duì)于這種低速率、遠(yuǎn)距離的通信選用RS485總線適宜。RS485是EIA（美國(guó)電子工業(yè)聯(lián)合會(huì)）在1983年公布的新的平衡傳輸標(biāo)準(zhǔn)，是工業(yè)界使用最為廣泛的雙向、平衡傳輸線標(biāo)準(zhǔn)接口。它以半雙工方式通信，支持多點(diǎn)連接，傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器允許創(chuàng)建多達(dá)32 個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，且其具有傳輸距離遠(yuǎn)（最大傳輸距離為1200 m），傳輸速度快（1200 m時(shí)為100 Kbps）等優(yōu)點(diǎn)，連接方法如圖1所示。

 
為了滿足現(xiàn)場(chǎng)溫度檢測(cè)及與單片機(jī)裝置通信的要求，必須選擇至少有5個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)及具有RS485通信端口的智能儀表。經(jīng)過對(duì)市場(chǎng)上常用的溫度檢測(cè)儀進(jìn)行分析，選擇由重慶川儀十八廠生產(chǎn)的XJ-08S型巡回檢測(cè)儀作現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表。

3.1 XJ-08S主要特點(diǎn)

　?、?多量程方式，熱電偶、熱電阻，1~5 V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)混合輸入，可通過鍵盤進(jìn)行設(shè)置；
　　② 最多8個(gè)測(cè)量通道（能測(cè)量8個(gè)溫度信號(hào)）；
　　③ 采用RS485通信標(biāo)準(zhǔn)，可將各通道最新數(shù)據(jù)向上位機(jī)傳送。

重要的是，該儀表的說明書詳細(xì)介紹了與該儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的命令及格式，其通信協(xié)議也相對(duì)較簡(jiǎn)單，這給我們用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度遠(yuǎn)程顯示降低了難度（雖然有RS485端口的儀表很多，但大多沒有通信命令的詳細(xì)說明。

3.2 XJ-08S巡回檢測(cè)儀通信協(xié)議

（1） 通信口設(shè)置
　　◇ 通信方式：RS485標(biāo)準(zhǔn)電平。
　　◇ 同步方式：起停同步方式。
　　◇ 波特率：9600 bps。
　　◇ 通信距離：不大于1200 m。
　　◇ 通信線：2線。
　　◇ 數(shù)據(jù)代碼：ASCII碼。
　　◇ 數(shù)據(jù)格式：每字符10位，即1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位。

（2）數(shù)據(jù)傳輸格式
　　◇ 地址：2字節(jié)（高字節(jié)在前，低字節(jié)在后）。
　　◇ 數(shù)據(jù)：按地址順序，儀表數(shù)據(jù)傳輸格式為十六進(jìn)制2字節(jié)定點(diǎn)數(shù)。
　　2字節(jié)定點(diǎn)數(shù) = 低字節(jié)高4位+低字節(jié)低4位
　　　　　　　　?。ˋSCII碼） （ASCII碼）
　　　　　　　　　高字節(jié)高4位+高字節(jié)低4位
　　　　　　　　?。ˋSCII碼） （ASCII碼）
　　若數(shù)據(jù)為負(fù)數(shù)，則采用補(bǔ)碼方式傳輸。

　　◇ 在傳輸實(shí)時(shí)測(cè)量值時(shí)，傳輸完2字節(jié)定點(diǎn)數(shù)后，緊接著又傳輸2字節(jié)定點(diǎn)數(shù)，其中高字節(jié)低4位為小數(shù)位數(shù)。

　　例：（50.0）10 表示為 46 34 　30 31　30 30　30 31
　　　　　　　　　　　　　低字節(jié) 高字節(jié) 　　　小數(shù)位數(shù)

（3）儀表通信格式
　　@ DE 幀類型 幀數(shù)據(jù) CRC CR
　　◇ @：通信起始符。
　　◇ DE：儀表設(shè)備號(hào)（地址）。
　　◇ 幀類型：操作命令。
　　◇ 幀數(shù)據(jù)：各種操作命令所對(duì)應(yīng)的命令及數(shù)據(jù)。
　　◇ CRC：校驗(yàn)字節(jié)（除@外CRC之前的其它幾個(gè)字節(jié)的異或值）。
　　◇ CR：結(jié)束符（回車符）。

（4）應(yīng)用中用到的命令及數(shù)據(jù)格式
　　◇ 讀儀表全部動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)命令幀
　　@ DE RD CRC CR
　　◇ 命令回送幀 　　正確 @DE RD 幀數(shù)據(jù) CRC CR
　　　　　　　　　　　錯(cuò)誤 @DE * * CRC CR

例：讀28號(hào)儀表的全部動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)
命令：
'@1CRD64',0D(ASCII碼40 31 43 52 44 36 34 d)　錯(cuò)誤返回碼
'@1C**72',0D(ASCII碼40 31 43 2A 2A 37 32 0D)　正確返回?cái)?shù)據(jù)　'@ 1C RD XXXX XXXX
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第0通道
XXXX XXXX　　XXXX XXXX　　XXXX XXXX 　XXXX XXXX　　XXXX XXXX 　XXXX XXXX
第1通道 　　　第2通道 　　第3通道　　第4通道 　　　　第5通道 　　第6通道

XXXX XXXX XX'　,0D
第7通道 　　　 校驗(yàn)

4 單片機(jī)選擇及硬件電路設(shè)計(jì)

① 選用Atmel公司生產(chǎn)的AT89S8252-24PC單片機(jī)，其主要參數(shù)及特點(diǎn)如下。
　　◇ 與MCS-51產(chǎn)品兼容。
　　◇ 具有8K字節(jié)可擦寫的Flash內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，可擦寫1000次；2K字節(jié)EEPROM，可擦寫 100 000次；SPI口（用PC機(jī)的并口連接５條線即可通過SPI口下載程序，軟件可從網(wǎng)上下載，這樣可節(jié)省購(gòu)買編程器的費(fèi)用；如果用1片AT89C2051 自編1個(gè)小程序可制成1個(gè)燒寫式仿真器，不占用單片機(jī)任何資源，并且燒寫完可自動(dòng)運(yùn)行程序，非常方便。本文介紹的遠(yuǎn)程溫度顯示裝置就是用這種方法開發(fā)完成的）。
　　◇ 256字節(jié)RAM，32根可編程I/O線，可編程串行口，內(nèi)置看門狗。

與看門狗有關(guān)的特殊功能寄存器WMCON 地址= 96H，與看門狗有關(guān)的控制位為96H中的第0、1、5、6、7位。第5、6、7位用于設(shè)置看門狗定時(shí)時(shí)間。本應(yīng)用中第5、6、7位均置1，設(shè)置看門狗溢出時(shí)間為2048 ms，第0位為看門狗使能控制位。該位置1將使能看門狗，其第1位為復(fù)用位，向第1位寫1將復(fù)位看門狗定時(shí)器，具體操作如下：
　　a. 使能看門狗，并將其溢出時(shí)間設(shè)定為2048 ms：ORL 96H, #0E1H;
　　b. 看門狗定時(shí)器清0：ORL 96H, #2。

② 按鍵設(shè)計(jì)。為方便使用，設(shè)計(jì)了3個(gè)按鍵，分別為巡回/定點(diǎn)切換鍵、上鍵、下鍵。切換鍵用于巡檢與定點(diǎn)模式的切換，上鍵向上切換通道，下鍵向下切換通道。其中巡檢/定點(diǎn)切換鍵通過外部中斷1以中斷方式工作，中斷程序?qū)⒀不?定點(diǎn)標(biāo)志取反后直接跳到主程序中巡回/定點(diǎn)標(biāo)志判斷程序前運(yùn)行，由判斷程序完成巡回 /定點(diǎn)的切換。按鍵信號(hào)由單片機(jī)P3.3、P3.4、P3.5引腳輸入。

③ 顯示電路設(shè)計(jì)。為方便觀察，選用3個(gè)2位共陽(yáng)級(jí)8段數(shù)碼顯示管（TOD5201AE）動(dòng)態(tài)顯示，1位顯示儀表地址（A~F），1位顯示通道號(hào)（0~7通道），其余4位用來顯示實(shí)時(shí)溫度值；用單片機(jī)P1口驅(qū)動(dòng)1片74HC244以吸收電流的方式控制段碼，用單片機(jī)P0.0~P0.5引腳驅(qū)動(dòng)6個(gè)ＰＮＰ三極管（9012）控制位選。

④ 電源選用5V/1A市售成品開關(guān)電源。

⑤ 根據(jù)智能儀表通信協(xié)議的要求，串行口定義為方式1工作，1幀10位：1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位；用1片75176完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，由于 RS485為半雙工，故用單片機(jī)P3.2引腳控制發(fā)送與接收的切換；2個(gè)智能儀表處于RS485總線的2個(gè)端點(diǎn)，為提高可靠性，在RS485總線的2個(gè)端點(diǎn)上分別并聯(lián)1個(gè)120Ω、1/4W終端電阻。

看門狗溢出時(shí)間表如表1所列。系統(tǒng)方框圖如圖2所示。

5 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)說明及程序流程圖

見http://www.dpj.com.cn

6 調(diào)試及運(yùn)行情況

調(diào)試步驟如下。

　　◇ 硬件連接：將各芯片插在面包板上并用導(dǎo)線按原理圖連接。

　　◇ 軟件開發(fā)環(huán)境：Keil uVision2 for Windows。該軟件的模擬調(diào)試器支持C語言及匯編語言源代碼調(diào)試，其匯編程序支持宏匯編及模塊化編程，使用方便。

　　◇ 首先在模擬調(diào)試器中調(diào)試各子模塊，各子模塊調(diào)試正常后再將各子模塊及主模塊全部匯編連接成目標(biāo)文件，最后將目標(biāo)代碼下載到單片機(jī)中并連接智能儀表進(jìn)行統(tǒng)調(diào)。

該系統(tǒng)軟硬件已全部開發(fā)完成并投入使用，經(jīng)過近半年的連續(xù)運(yùn)行觀察，運(yùn)行可靠穩(wěn)定，完全滿足使用要求。

結(jié)束語

用單片機(jī)+智能儀表構(gòu)成的溫度遠(yuǎn)程顯示系統(tǒng)總造價(jià)約人民幣7000元（2塊智能儀表+溫度傳感器約3500元，通信電纜約2000元，單片機(jī)裝置及施工費(fèi)用約1500元），與采用其它方案的系統(tǒng)比較，造價(jià)較低。其硬件及軟件的設(shè)計(jì)、制作都較簡(jiǎn)單，有一定的電子及單片機(jī)知識(shí)便可完成。同時(shí)對(duì)該裝置軟件稍加修改即可與其它帶有RS485通信端口的儀器儀表通信（如變頻器、電路傳感器等），實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量、監(jiān)視及控制。

參考資料
1 徐愛鈞，彭秀華編著. 單片機(jī)高級(jí)語言C51Windows環(huán)境編程與應(yīng)用. 北京：電子工業(yè)出版社，2001
2 余永權(quán)主編. ATMEL89系列Flash單片機(jī)原理與應(yīng)用. 北京：電子工業(yè)出版社，1997
3 電子工程手冊(cè)編委會(huì). 標(biāo)準(zhǔn)集成電路數(shù)據(jù)手冊(cè)高速CMOS電路. 北京：電子工業(yè)出版社，1992
4 孫廷才，王杰， 孫中健編著. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成原理. 北京：清華大學(xué)出版社，2001