基于单片机和组态王的温度监控系统的设计

摘要 : 介绍了以 MSP430 单片机为核心 , 建立基于 DS18B20 和组态王的温度采集和监控系统。主要研究了单片机和组态王的通用通讯协议。按照 KingView 提供的通信协议 , 设计组态王与单片机的通信程序 , 实现了组态王与M SP430 单片机的直接串行通讯。在中药提取装置的温度监控系统应用中 , 该通讯方法可以将提取装置中的实时温度快速传输到上位机。实验证明, 该系统运行状况稳定、实时性好、硬件设计简单、数据传输稳定等特点。适合在工业场合中应用。

关键词 : M SP430 单片机 ; 组态王 ; 串行通讯 ; DS18B20

0 引言

温度的测量和控制在工业过程和科学研究中非常重要, 所以在上位机对温度的实时监控是很有必要的。单片机以其强大的现场数据处理能力、低廉的价格、紧凑的系统结构、高度的灵活性, 微小的功耗等一系列优良特性已广泛应用于工业测量和控制系统中。组态王则以其工作性能稳定可靠、人机界面友善、硬件配置方便以及方便与管理或控制计算机联网通信等优良特性, 提供了对工业控制现场大量数据进行采集、监控、处理的解决方案, 在各种工业控制领域中同样得到了大量的使用。本文设计了基于单总线数字温度传感器 DS l8B20 的小型中药提取装置测温系统 ,主控芯片采用美国 T I 公司的 MSP430 单片机 , 采用通用单片机通讯协议, 通过串口实现了单片机与组态王的通讯 , 最后将采集到的数据通过串口传送到通用机或工控机, 由组态王对采集到的现场数据进行分析、存储或显示。

1 测温系统设计

1. 1 温度传感器的选择

传统的温度测量元件比如热电阻、热电偶之类的模拟传感器的优点是成本低, 但是为了实现精确的温度测量 , 需要比较复杂的电路设计。首先保证提供 1 个稳定的恒流源, 其次模拟传感器的输出信号都比较微弱 , 需要设计后续放大电路和A /D 转换电路 , 从而获取所测量到温度值的数字信号。目前 , 数字传感器由于其高精度、多功能和总线标准化广泛应用在工业生产中。在中药提取过程中, 提取液温度变化范围为室温到 80 , 误差不超过 0. 5 , 温度显示分辨率为 0. 1 。所以本系统选择美国 DA LLAS公司生产的单总线数字温度传感器 DS18B20 。单总线是美国 DA LLAS 公司专有的 1 种特殊的串行数据通信方式, 通过 1 条连接线就可以实现控制、通信和供电。单总线技术的一大特点是可以在 1 根总线上挂接多个单总线器件 , 从而实现多点测量。DS18B20 采用 3 脚 T O 92 封装 , 外形像三极管( 如图 1) 。测温范围 - 55~ + 125 , 在 - 10~ + 85范围内精度可以达到 0. 5 , 测温分辨率最高可达0. 062 5 。

1. 2 硬件电路设计

测温系统主控芯片采用美国 TI 公司的超低功耗 16 位单片机 M SP430F149 , 温度检测采用单总线数字温度传感器 DS18B20, 本系统在单总线上挂了 3 个温度传感器 , 分别对提取装置3 个不同工作点进行检测 , 通过 RS232 接口近距离的和上位机进行通信, 由于单片机的串行发送和接收是 TT L 电平 , 而 PC 的 COM 1 是 EIA 电平 , 因此单片机需加接 M AX3232 芯片 , 通过串行电缆线和 PC 相连接。整个测温系统电路图如图 2 所示 , 采用 3. 3 V 供电 , 功耗低 ,结构简单。

1. 3 测温系统软件设计

该测温系统程序包括主程序、 DS18B20 温度采集子程序和组态王与单片机串口通信子程序。其中温度采集模块定时的采集 3 个温度传感器的温度值 ; 对 DS18B20 的操作必须严格按照时序进行, 访问 DS18B20 的顺序如下 : 初始化、ROM 命令、 RAM 命令。每次 DS 18B20 被访问时 , 都必须严格按照这个顺序进行操作, 否则 DS18B20 就不会有响应。系统在开始时要读取所有在线的 DS18B20 的序列号, 在读取一路温度之前要发送 1 个 DS18B20 序列号 , 进行寻址。温度采集模块流程图如图 3 所示。

RS232 通信模块主要完成和上位机组态王的通信。RS232 接收组态王采用的是中断方式 , 发送给组态王采用的是查询方式 , 在具体软件编写过程中要注意 RS232 接收和发送切换的时序, 否则 RS232 不能正常工作。单片机与组态王通讯流程图如图 4 所示。

2 单片机与组态王的通信协议

单片机与组态王有 3 种通讯方法 : 1) 用户根据组态王提供的驱动程序开发包开发自己的通讯驱动程序; 2) 通过比较复杂的动态数据交换( DDE) 方式进行通讯 ; 3) 利用组态王提供的与单片机的通用通讯协议[8] 。本系统采用第3) 种方法 , 严格按照 K ingView 提供的通信协议 , 设计组态王与单片机通信。

2. 1 组态王的通讯设置

在组态王的工程浏览器中点击设备 COM 1, 在右面窗口中双击新建, 出现设备配置向导 , 选智能模块单片机通用单片机 HEX 串口 , 点下一步 , 设备命名为单片机 , 选择串口 COM 1, 配置设备地址为 0, 一直点下一步到完成( 如图 5 所示 ) , 需要注意的是组态王中配置的设备地址是单片机的 RA M 地址 , 由单片机中的程序决定。单片机这个设备建好后, 双击左侧设备 COM 1 对通讯参数进行设置, 与单片机程序中的一致即可。本系统设置的通讯参数: 8 位数据位 , 2 位停止位 , 波特率为 9 600 bps, 无奇偶校验位( 如图 6 所示) 。

2. 2 采用串口调试助手研究组态王与单片机的通信协议

采用串口调试助手 S SCom3. 2 模拟组态王 , 对组态王与单片机通信协议进行研究 : 运行单片机 , 串口调试助手发送 05000401, 即组态王发送地址请求格式 , 对照组态王与单片机的通用通讯协议中的数据传输格式 1, 05 是请求帧的开始代码 ENQ, 00 是设备地址 S ta, 04 是请求帧的结束代码 EOT , 对十六进制数 05 、 00、 04 做 CRC 校验 , 结果为01 。串口调试助手接收到 06000305 的字串 , 对照通用通讯协议, 可以看出收到的是格式 2 的数据 , 即单片机应答地址格式( 如图 7 所示 ) 。

根据组态王读数据的时序 : 组态王发送地址请求格式1, 单片机应答地址格式 2, 接着组态王进行读数据请求格式 3: 0552010000010453, 对照格式 3, 05 是请求帧的开始代码 ENQ, 52 是读标志 R, 01 是需要交换的数据类型DataType, 0000 为数据偏移地址 DataAddr, 01 为要读取的数据的数量 Dat aNum, 04 是请求帧的结束代码 EOT , 对十六进制数 05 、50、01、0000、01、04 做 CRC 校验 , 结果为 53 。

串口调试助手接收到 060100710305 的字串 , 对照组态王的协议, 可以看出收到的是格式 4 的数据 , 即单片机应答读数据格式( 如图 8 所示 ) 。

2. 3 单片机通讯程序设计

M SP430F149 单片机工作在多机通信位方式时 , 单片机的U RXWIE 置位为 1 。当组态王开始运行后 , 就向单片机不停的发送地址请求格式, 单片机收到请求后 , 首先 , 对其进行 CRC 校验 , 然后对地址请求格式中的地址与单片机程序中预设的地址进行匹配, 如果满足条件 , 则按单片机答应地址格式通过串行口进行应答, 并将 URXWIE 复位为 0, 即单片机下次接收数据处于正常状态。下位机进行地址判断的程序框架如下:

if( ( rx0dat a[ 0] = = 0x05) & & ( rx0data[ 1] = = 0x00)

& & ( rx0data [ 2] = = 0x04) & & ( U RCTL0& URXWIE)

& & ( CRCok= = 1) ) / / 判断是否为本机地址

{

/ / 准备发送区数据

URCT L0& = ~ URXWIE;

}

组态王接收到单片机的应答地址格式后发出读数据请求格式, 单片机收到请求后 , 把温度模块 DS18B20 采集的数据, 按单片机应答读数据的格式组成应答帧 ( 格式 4) , 通过串口发送给组态王, 并把 URXWIE 置位为 1 完成一次完整通信。读数据请求程序框架如下:

if( ( rx0data[ 0] = = 0x05) & & ( rx0data [ 1] = = 0x52)

& & ( rx0data[ 2] = = 0x03) & & ( ! ( URCTL0& URXWIE) )

& & (CRCok= = 1) ) / / 判断组态王要求的数据格式

{

/ / 准备发送区数据

URCT L0= URXWIE;

/ / 只有收到地址字符时才允许中断

}

3 系统验证

将所设计的系统 , 应用在超声波中药提取过程中 , 对提取过程中的温度实时监测, 并将装置顶部、中部以及底部的温度测量值进行平均值计算和显示, 如图 9 所示。从监控画面中可以看出提取装置中的顶部温度为 24. 375 , 中部温度为24. 375 , 底部温度为 24. 500 0 。结果表明该通讯系统实现了温度的实时显示, 并且达到了很高的精度。