储油罐实时监测系统的设计与实现 - 图文(3)

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数学模型并不适应于下位机端。在下位机端需要建立另一套数学模型，将底端压力乘某个常量，得到一个大概的液位高度值，显示到下位机的数码管上。

(2)．A/D转换部分

本系统要对两个模拟压力量进行监测，如果使用传统的8位并行A/D转换器件，光数据口就会占据16个I/O口，对于一个只有4组8位I/O口的单片机来说，这种硬件上的开销实在比较大。所以我在设计过程中选择了同样能实现两路模拟量检测，且对硬件资源开销极小的PCF8591。

PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0, A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。

PCF8591的功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit模数转换和8-bit数模转换。PCF8591的最大转化速率由I2C总线的最大速率决定。

要用PCF8591监测两个压力模拟量，首先得确定PCF8591在I2C总线上的地址，其次要确定控制字节。

PCF8591采用典型的I2C总线接口寻址方法，即总线地址由器件地址、引脚地址和方向位共同组成。飞利浦公司规定A/D器件地址为1001，引脚A2 A1 A0由用户硬件编程，在本系统中这三个引脚全部接地，也就是个说A2 A1 A0分别为0 0 0。所以在I2C系统中最多可以接23=8个A/D器件。总线地址的最后一位为方向位，当主控器件对A/D器件进行读操作时为1，进行写操作时为0。

总线操作时，由器件地址、引脚地址、方向位组成的从地址为主控器发送的一个字节。这时总线上的I2C设备会根据自己的地址来判断主控器是否在“呼叫”自己。若收到的地址和自己的地址和自己的地址相匹配，就要做好接收数据的准备了。

主控器发送的第二个字节是控制字节，控制字节用于控制器件实现各种功能，如模拟信号由哪几个通道输入等。控制字节存放于控制寄存器中的格式如图3.2所示：

图3.2 控制寄存器格式

其中：D0 D1两位是A/D通道编号：00通道0， 01通道1， 10通道2，11通道3；在本系统中利用A/D通道0和A/D通道1。

D2 是自动增益位，有效值是1。当这一位置位时，A/D通道0转换完成后，芯片自动会去转换A/D通道1的值，依次循环类推。

D3 是保留位。

D4 D5 是模拟量输入选择：00四路单独输入，01三路差分输入，10为单端与差分配合输入，11为模拟输出允许有效。我们在这里选择单独输入。

D6 是A/D D/A选择位，A/D转换时选择0，D/A转换是选择1 。 D7 也是保留位.

由此可知，当单片机要监测某一个压力值时，它的工作流程如下：

（1）单片机向I2C上发出一个8位的设备地址，这时的D0位（读写位）为0，通知被控器件将要向其执行写操作，并等待应答；

（2）收到应答后，发送控制字节，写入被控器件的控制寄存器，等待应答； （3）收到应答后，再发送一个8位的设备地址，这时的D0（读写位）为1，通知被控器件将要读取它发送的数据，等待应答；

（4）收到应答后，把总线的控制权交给被控器件，读取它发送到总线上的数据。 将这个过程结合到本系统中，PCF8591的器件地址为1001，引脚地址为000，写操作时方向位为0，即0x90，读操作时方向位为1，即0x91。读取通道0时，控制字节为0000 0000，读取通道1时，控制字节为0000 0001。操作的C程序代码：

ISendByte(0x90,0x00); //ISendByte是数据发送函数

p1=IRcvByte(0x91); //AD0 模数转换0，将值赋给p1

这个函数的作用是发送器件地址0x90和控制字0x00(A/D通道0)读取A/D通道0的值 ，具体的实现过程参照附录中的源代码部分。

到此，我们就顺利的读取到了想要的压力值,但我们不免会有疑问：数据究竟是如何在总线上传输的？这个问题将在下一个小节：I2C总线驱动部分中介绍到。 (3) I2C总线驱动部分

I2C总线设备是飞利浦公司推出的串行总线设备，它与传统的并行总线设备相比较，具有结构简单、可维护性好，易于实现扩展、易于模块化标准设计，可靠性高等优点。但是STC89C516RD+单片机内部没有集成I2C总线设备模块,所以外围的I2C总线设备要实现与单片机的通信时,必须要用软件程序模拟出一个I2C总线设备的时序电路.这无疑增大了系统的开销,也增大了开发难度。可是用I2C总线传输数据只需占用主控器件的两个引脚,就能传输8个外围器件的数据,相当节省硬件资源.所以综合利弊,本系统采用I2C总线设备来传输压力值数据.

它的工作原理如下：

I2C总线设备由一条数据总线SDA和一条时钟总线SCL与中控器件相连，I2C总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，且高电平状态维持一定的时间（一般为5微秒）以后，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化（如图3.3）。

如图3.3 时钟与数据变化规律

SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变化(下降沿)表示起始信号，SCL线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化（上升沿）表示终止信号（如图3.4）。

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如图3.4 起始信号与终止信号

在传送数据时，要求每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。如果一段时间内没有收到从机的应答信号，则自动认为从机已正确接收到数据，如图3.5。

图3.5 应答与非应答信号

所有I2C总线设备的驱动方法都是一致的，它只是提供传输数据的一种机制，也就是说驱动程序只提供用两条数据线实现通信的一种方法。这种方法的实现步骤在互联网和相关书籍中有大量详细的介绍，在此不做更详细的说明，具体的实现方法也可以参考附录的程序代码部分。

在本系统中我们更为关心的是用I2C总线来传递什么数据，这些数据有什么意义，这就是一种操作I2C总线的策略，它与机制完全不相同，可由用户自己来设定，从而让I2C总线上的不同设备实现不同的功能。在本系统中，这种策略体现在对A/D转换芯片PCF8591 的操作上，详细内容在上文中介绍到了。

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3.2 温度检测模块

对储油罐温度的监测是靠温度传感器DS18B20来完成的，DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线上可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。

DS18B20温度差传感器是一个数字传感器，这就省去了A/D转换的麻烦，在硬件电路上只有一根数据线，占用硬件资源很少，硬件上的节约同样需要软件来补偿，这就注定了操作DS18B20的繁琐性。

通常情况下我们采用的是TO－92封装的DS18B20，如图3.6。

图3.6 DS18B20封装

由于DS18B20采用的是1－Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对51单片机来说，跟I2C总线设备一样，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。

DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序，如图3.7-3.9所示。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。

图3.7 DS18B20的复位时序

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