基于一線總線和溫度傳感器DS18820實現(xiàn)智能建筑溫度測試系統(tǒng)設計

1、引言

智能建筑是建筑技術與通信、計算機、控制等技術相結合的產(chǎn)物，樓宇自動化系統(tǒng)（BAS）是智能建筑的重要組成部分，它綜合傳感、計算機、控制和信息等技術，對建筑物的空調、電力、電梯、給排水、防火、防盜和視頻監(jiān)控等設備實行綜合自動管理，具有安全保護、實時監(jiān)控等功能。溫度測試系統(tǒng)是樓寧自動化中設備監(jiān)控系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)，主要用于測試智能建筑中不同區(qū)域的溫度，為智能建筑的空調系統(tǒng)和給排水系統(tǒng)的控制和調節(jié)提供數(shù)據(jù)。

2、一線總線器件及系統(tǒng)硬件設計

智能建筑溫度測試系統(tǒng)要求的測溫范圍為-40℃～120℃，誤差為±1．5℃。其中智能建筑內外部環(huán)境的測溫范圍為－40℃～45℃；通風道測溫范圍為－30℃～120℃；水管內水溫測溫范圍為O℃～100℃；根據(jù)各區(qū)域所需冷暖熱量的多少調節(jié)冷熱水量及空調送風量，實現(xiàn)建筑節(jié)能。綜合上述測溫范圍及系統(tǒng)實現(xiàn)的可行性，選擇基于一線總線的數(shù)字溫度傳感器DS18820實現(xiàn)溫度測量。采用DALLAS公司的一線總線通信協(xié)議，所有與測量主機的數(shù)據(jù)通信均通過一條數(shù)據(jù)線實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)使用單一主機控制一個或多個從屬器件，所有主從器件通過漏極開路或三態(tài)端口連接到數(shù)據(jù)總線，每個器件在不發(fā)送數(shù)據(jù)時釋放總線。

2．1 DS18820簡介

DS18820是一款可組網(wǎng)的數(shù)字式溫度傳感器，支持直接數(shù)字輸出，零功耗等待，無需外部調理電路，結構簡單，可靠性高。適應電壓范圍在3．0～5．5 V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電；雙向通訊通過單總線接口串行方式實現(xiàn)；通過編程可直接讀出 9～12位分辨率的數(shù)字溫度值，對應轉換時間為93．75～750 ms，對應溫度分辨率為0．5℃～0．062 5℃；溫度測量范同為－55℃～125℃，其中－10℃～85℃之間測量精度可達±0．5℃；64位全球唯一編碼保證聯(lián)網(wǎng)可靠尋址。DS18820的內部結構如圖1所示。圖1中D0為數(shù)據(jù)輸入／輸出端，該引腳為漏極開路輸出，常態(tài)下呈高電平。VDD是外部+5 V電源端，不用時接地。

2．2 系統(tǒng)硬件設計

測量主機的總線接口卡采用一線總線指令卡，指令卡一側接主機USB端口，另一側向現(xiàn)場提供總線。指令卡從USB接口獲取電流，向總線上所有微功耗組件統(tǒng)一供電，避免不同信號源和電源共處一個系統(tǒng)中的交互影響，提高系統(tǒng)抗干擾能力。通過把USB端口轉化為虛擬串口實現(xiàn)主機和總線的通訊，使用標準串口編程實現(xiàn)總線數(shù)據(jù)讀寫。一線總線技術使用分度號定義傳感器。指令卡把已處理信號和對應分度號、通道號送入主機實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示和存儲。DS18820的引腳DQ接一線總線數(shù)據(jù)線，VDD和GND引腳接總線地線，總線與一線指令卡對應的DQ、GND接線端相連。由于溫度信號實時性要求較低，采用數(shù)據(jù)總線供電（寄生供電）方式，VDD端無需接外部電源，DS18820從數(shù)據(jù)總線取電。

3、系統(tǒng)軟件設計

軟件主要實現(xiàn)計算機與指令卡的數(shù)據(jù)通訊和實時顯示、存儲。首先注冊登記要使用的溫度傳感器，將傳感器信息與分度號對應保存到指令卡中，同時，分配每個傳感器的通道號。程序運行中可隨時增減傳感器的數(shù)目。根據(jù)硬件的實際連接情況確定傳輸數(shù)據(jù)的虛擬串口，接收現(xiàn)場返回的溫度數(shù)據(jù)，對該數(shù)據(jù)的操作包括實時趨勢曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)保存和重現(xiàn)等。設計程序由VB實現(xiàn)，采用ActiveX控件iPlotX實時顯示趨勢曲線。溫度采集流程如圖2所示。

圖2中，初始化包括設置虛擬串口號、數(shù)據(jù)保存間隔。同時，由于溫度是緩變信號，應綜合系統(tǒng)控制需求合理設置采樣間隔。初始化完成后，打開虛擬端口，讀取指令卡數(shù)據(jù)。此時，如果傳感器未在指令卡上登記分度號和通道號，則需進行登記，同時需更改硬件連接。DS18820的DQ接指令卡REG口，指令卡自動讀取分度號、分配通道號并保存：如果主機中已保存指令卡數(shù)據(jù)信息，則可直接將其下載到指令卡中。指令卡中保存以分度號區(qū)別的各傳感器種類和以通道號區(qū)別的傳感器個數(shù)，下達采集指令后，通過一線總線獲得各傳感器的溫度數(shù)據(jù)。使用iPlotX控件畫圖時，可根據(jù)指令卡中傳感器數(shù)目使用AddChannel方法動態(tài)增減通道數(shù)目，并使用不同顏色曲線標識不同通道數(shù)據(jù)。趨勢曲線監(jiān)控的同時，后臺根據(jù)初始化設置的存儲時間間隔將溫度數(shù)據(jù)保存至Ac-cess數(shù)據(jù)庫，作為歷史數(shù)據(jù)以供查詢需要。圖3為兩通道DS18820采集溫度數(shù)據(jù)的實時曲線。

4、系統(tǒng)構建中的注意點

總線上傳輸?shù)臄?shù)字數(shù)據(jù)是在傳感器中通過A／D轉換完成的，需一定的轉換時間，因此要合理設置采樣間隔。同時，由于采用串行數(shù)據(jù)傳送，連接DS18820的總線電纜有長度限制。若將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜，正常通訊距離可達150 m，在采用DS18820設計長距離測溫系統(tǒng)時，要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。測溫電纜線采用屏蔽雙絞線，一對接地線與信號線，屏蔽層在源端單點接地。

5、結論

一線總線使用戶可方便地組建傳感器網(wǎng)絡，為測量系統(tǒng)的構建引入全新概念?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。測溫范圍和精度完全滿足智能建筑溫度測量的需要，可提供環(huán)境溫度控制的實時數(shù)據(jù)，保證建筑物的舒適性和節(jié)能性。責任編輯：gt