基于DS18B20的多路溫度監(jiān)測系統(tǒng)設計與仿真

摘要：提出一種基于DS18B20和AT89C51的多路溫度監(jiān)測系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)的硬軟件設計。該設計通過DS18B20單總線結構與單片機多路并行輸入相結合的硬件改進方式，克服了DS18B20采用單總線結構時溫度數(shù)據(jù)讀取慢、單總線驅動能力不足的問題，實現(xiàn)了多路溫度實時快速讀取和巡回監(jiān)測。該系統(tǒng)還具有超溫報警，與上位機通訊等功能。最后，利用Proteus與Keil C51軟件聯(lián)合仿真實現(xiàn)了設計的仿真調試。
關鍵詞：溫度監(jiān)測；DS18B20；單總線；AT89C51；Proteus

0 引言
    在實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)中，如大棚溫度監(jiān)控、冷庫測溫、智能建筑溫度控制等系統(tǒng)中，經常需要進行多路溫度的采集和檢測?？焖?、可靠地采集到高精度溫度數(shù)據(jù)可為控制系統(tǒng)的工作提供可靠的依據(jù)。傳統(tǒng)上，溫度測量方法多以熱敏電阻、熱電偶等為溫度敏感元件，但都存在可靠性差、精度低、需A／D轉換以及線路復雜等的缺點。本文提出采用美國Dalias公司生產的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20和AT89C51單片機構成高精度的多路溫度監(jiān)測系統(tǒng)，在單片機的控制下巡回監(jiān)測多路溫度，高低溫度超限報警，并可實現(xiàn)與上位機通訊等功能。

1 DS18B20簡介
    DS18B20是Dalias公司推出的1-Wire式單總線智能數(shù)字溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度，溫度測量范圍為-55～125℃；可通過編程實現(xiàn)9～12位的轉換精度，對應的可分辨溫度分別為0．5℃，0．25℃，0．125℃和0．062 5℃，可滿足高精度設計要求；在9位分辨率時最多在93．75 ms內把溫度轉換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750 ms內把溫度值轉換為數(shù)字；電源供電范圍3．0～5．5 V；讀取或寫入信息到DS18B20僅需要單總線接口(即將地址線、數(shù)據(jù)線、控制線合成一條信號線)；測量結果直接輸出數(shù)字溫度信號，串行傳送給CPU同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力；使用DS18B20可使系統(tǒng)結構簡潔，可靠性更高。以上特性使得DS18B20非常適用于構建高精度的多路溫度采集與檢測系統(tǒng)。

2 硬件電路設計
    系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，系統(tǒng)由多片DS18B20、AT89C51單片機、LED驅動顯示電路、溫度上下限設定電路、報警提示電路、串行通信接口、時鐘電路、復位電路等構成。

    系統(tǒng)采用8片DS18B20構成溫度采集電路，8片DS18B20采用單總線與并行輸入相結合的方式接至單片機的P1口。單片機巡回采集各路DS18 B20送來的溫度信息后，通過軟件設計算法，將處理后的溫度信息及相應的溫度路數(shù)通過LED數(shù)碼管顯示出來，各路溫度值的上下限可通過P3．2～P3．4獨立式鍵盤進行設定。若某路超過溫度設定的上下限將進行通過P3．5或P3．6進行報警提示。此外，可通過串行口RS 232模塊將各路溫度數(shù)據(jù)送上位機處理。系統(tǒng)采用Proteus仿真件設計的仿真電路如圖2所示，此時LED顯示的是第3路溫度值。

2．1 測溫電路設計
    采用8片DS18B20組成多路測溫電路。DS18B20內部均有一個全球惟一的64位產品序列號，單片機通過序列號可對一條總線上的多路DS18 B20進行控制，讀取其溫度。但DS18B20僅由單總線采集多路溫度數(shù)據(jù)時，軟件設計算法復雜，讀取速度慢，無法適用于實時性要求高的測溫場合。特別是當單總線上掛接的DS18B20傳感器個數(shù)大于8個時，采用寄生電源供電方式亦存在總線驅動能力不足等問題。為此，本設計采用“單總線結構+并行I／O口輸入”相結合的方式，實時巡回采集多路DS18B20的溫度信息。具體做法是：硬件上將8片DS18B20的單總線分別連到單片機的并行P1口引腳，同時各片DS18B20的電源端采用外部電源供電方式，且每個單總線另接一個4．7 kΩ的上拉電阻到5 V電源以保證達到足夠的工作電流；軟件上讀取多路溫度與讀取單路溫度的操作類似，不需讀取讀出所用DS18B20的序列號，而只需通過參數(shù)傳遞來循環(huán)讀取各路溫度數(shù)據(jù)(軟件設計中介紹)。
2．2 鍵盤與LED顯示電路設計
    LED顯示電路設計：P0口輸出顯示代碼經74LS245驅動后接到8位LED數(shù)碼管的段選線，P2口輸出接到LED的位選線。正常情況下，8位LED數(shù)碼管用于循環(huán)顯示通道號及該通道的溫度值。
    鍵盤輸入設計：采用獨立式鍵盤P3．2～P3．4用來修改溫度報警的上限與下限值。系統(tǒng)默認的溫度報警上限為50℃，下限為-10℃。系統(tǒng)上電后，LED數(shù)碼管將先后顯示溫度報警上／下限值。若按P3．2鍵報警值加1；若按P3．3鍵報警值減1；P3．4為確定鍵，用于保存修改值。
    此外，當系統(tǒng)檢測到當前通道溫度值超過設定的上、下限時，將通過P3．6，P3．7進行閃光報警提示。
2．3 串行通信設計
    檢測系統(tǒng)可通過串行口與上位機進行通信，向上位機傳送溫度值及相應的通道號。實物中通過RS 232串行接口與上位機連接，上位機的控制界面由VB 6．0編寫。當運行Proteus軟件時，可以從虛擬終端看到上位機接收到的8個通道的溫度數(shù)據(jù)及相應的通道號。

3 軟件設計
3．1 軟件總體設計
    如圖3所示，系統(tǒng)上電復位后，程序主要包括：

    (1)系統(tǒng)初始化設置。
    (2)按鍵處理子程序：LED數(shù)碼管顯示上限報警溫度值并閃爍，若10 s中之內有按鍵輸入修改溫度值，則進行鍵盤操作直至修改完成，并保存溫度上限值；若10 s之內無按鍵輸入或按P3．4“確定”鍵，則保存上限溫度；接著顯示下限報警溫度值并閃爍，重復上述操作后保存下限報警溫度值。
    (3)溫度報警值設置子程序：實現(xiàn)將8路的報警溫度寫入DS18B20中，流程圖詳見圖4所示。
    (4)讀取溫度子程序：在對顯示路數(shù)初始化后，進行溫度值讀取，這是軟件設計的關鍵，下面將單獨介紹。
    (5)溫度報警處理：讀取某路DS18B20溫度值及報警上下限值后，進行比較，若超出范圍則啟動定時器0，驅動上／下限報警提示單元。
    (6)顯示當前通道溫度子程序：取得當前通道號后，根據(jù)讀取的2字節(jié)溫度值(溫度暫存器格式參考DS18B20技術手冊)，判斷其符號位并分別讀取其整數(shù)部分和小數(shù)部分，通過運算后保存到顯示緩沖區(qū)，進行動態(tài)顯示，并刷新顯示若干時間。
    (7)上位機通信子程序：每采集一路溫度數(shù)據(jù)，通過RS 232串口，將其通道號、溫度值發(fā)送給上位機，完成相應通道的溫度數(shù)據(jù)采集處理。
    (8)循環(huán)修改：修改通道號，進行下一路溫度數(shù)據(jù)采集，直至8路溫度處理完成，如此循環(huán)往復。
3．2 讀取溫度子程序設計
    采用DS18B20進行單路測量時，可直接與單片機相連，不需讀取讀出器件的64位產品序列號。當采用DS18B20進行多路測溫時，在初始化操作后，通常的做法是需要在線逐個地搜索64位ROM編碼以確認各個DS18B20所在位置，并需對ROM編碼進行冗余校驗，算法設計復雜。且等待多路搜索是否完成需要消耗大量的時間，使程序執(zhí)行的效率和系統(tǒng)實時性受到了影響。
    本設計采用“單總線結構+并行I／O口輸入”結合的方式巡回讀取多路溫度。DS18B20作為單總線芯片，進行信息交換時有嚴格的讀／寫時序要求。讀取溫度子程序流程如圖5所示。首先通過參數(shù)傳遞將通道號傳給讀取溫度子程序，接著對DS18B20進行初始化，然后直接執(zhí)行跳過ROM命令(CCH)，即不讀取64位ROM編碼而直接向DS18B20發(fā)出功能命令，節(jié)約了時間。之后，再向DS18B20發(fā)送溫度轉換命令(44H)，DS18B20啟動溫度采樣與A／D轉換，并將轉換數(shù)據(jù)存儲在暫存器中。
    然后再次初始化DS18B20，并在再一次跳過ROM命令后，執(zhí)行單片機讀暫存器命令(BEH)，根據(jù)傳遞參數(shù)確定的通道號，可將通道號對應的DS18B20高速暫存存儲器的9個字節(jié)數(shù)據(jù)讀入單片機中，其中第0，1字節(jié)分別是溫度值低位(LS byte)和高位(MS byte)，第2，3字節(jié)分別是高溫限值(TH)和低溫限值(TL)，從而完成某通道DS18B20的溫度采集。
3．3 軟件設計流程
    軟件設計流程如圖4，圖5所示。

4 Keil C51與Proteus聯(lián)合仿真
    軟件采用C語言編程，在Keil C51集成開發(fā)環(huán)境下將編寫的程序進行編譯、調試，并生成目標文件(XX．hex)。同時利用嵌入式仿真軟件Proteus繪制出電路仿真原理圖，CPU選擇AT89C51。雙擊AT89C51，在出現(xiàn)的對話框中的“Program file”加入已生成的XX．hex文件，并進行仿真調試，調試成功則可以修改溫度報警值，及在正常運行時看到循環(huán)顯示所采集到的溫度值、通道號，仿真效果圖如圖6所示。

5 結語
    本設計以Proteus仿真軟件作為開發(fā)工具，以AT89C51單片機作為控制核心，使用DS18B20芯片作為溫度傳感器，加上適當?shù)耐鈬娐?，組成了多路溫度巡回監(jiān)測系統(tǒng)。與傳統(tǒng)溫度傳感器相比，可直接輸出數(shù)字信號而不必考慮A／D轉換問題，抗干擾能力與可靠性大大提升。同時，采用單總線與多路并行輸入相結合的方法，克服了DS18B20傳統(tǒng)上采用單總線結構時所存在的問題，實現(xiàn)多路溫度實時讀取、巡回監(jiān)測、與上位機通信等功能，且系統(tǒng)具有結構簡潔、精度高、適應性強、維護方便等優(yōu)點，在多路溫度采集與監(jiān)測領域中有很好的實用價值。