基于DS18B20的多路溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xì)介紹了系統(tǒng)的硬軟件設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)通過DS18B20單總線結(jié)構(gòu)與單片機(jī)多路并行輸入相結(jié)合的硬件改進(jìn)方式，克服了DS18B20采用單總線結(jié)構(gòu)時(shí)溫度數(shù)據(jù)讀取慢、單總線驅(qū)動(dòng)能力不足的問題，實(shí)現(xiàn)了多路溫度實(shí)時(shí)快速讀取和巡回監(jiān)測。該系統(tǒng)還具有超溫報(bào)警，與上位機(jī)通訊等功能。最后，利用Proteus與Keil C51軟件聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的仿真調(diào)試。
關(guān)鍵詞：溫度監(jiān)測；DS18B20；單總線；AT89C51；Proteus

0 引言
    在實(shí)時(shí)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(jīng)常需要進(jìn)行多路溫度的采集和檢測。快速、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(zhuǎn)換以及線路復(fù)雜等的缺點(diǎn)。本文提出采用美國Dalias公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20和AT89C51單片機(jī)構(gòu)成高精度的多路溫度監(jiān)測系統(tǒng)，在單片機(jī)的控制下巡回監(jiān)測多路溫度，高低溫度超限報(bào)警，并可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)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(shí)現(xiàn)9～12位的轉(zhuǎn)換精度，對(duì)應(yīng)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(shè)計(jì)要求；在9位分辨率時(shí)最多在93．75 ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多在750 ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字；電源供電范圍3．0～5．5 V；讀取或?qū)懭胄畔⒌紻S18B20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(hào)線)；測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，串行傳送給CPU同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力；使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，可靠性更高。以上特性使得DS18B20非常適用于構(gòu)建高精度的多路溫度采集與檢測系統(tǒng)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，系統(tǒng)由多片DS18B20、AT89C51單片機(jī)、LED驅(qū)動(dòng)顯示電路、溫度上下限設(shè)定電路、報(bào)警提示電路、串行通信接口、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等構(gòu)成。

    系統(tǒng)采用8片DS18B20構(gòu)成溫度采集電路，8片DS18B20采用單總線與并行輸入相結(jié)合的方式接至單片機(jī)的P1口。單片機(jī)巡回采集各路DS18 B20送來的溫度信息后，通過軟件設(shè)計(jì)算法，將處理后的溫度信息及相應(yīng)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(dú)立式鍵盤進(jìn)行設(shè)定。若某路超過溫度設(shè)定的上下限將進(jìn)行通過P3．5或P3．6進(jìn)行報(bào)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(jī)處理。系統(tǒng)采用Proteus仿真件設(shè)計(jì)的仿真電路如圖2所示，此時(shí)LED顯示的是第3路溫度值。

2．1 測溫電路設(shè)計(jì)
    采用8片DS18B20組成多路測溫電路。DS18B20內(nèi)部均有一個(gè)全球惟一的64位產(chǎn)品序列號(hào)，單片機(jī)通過序列號(hào)可對(duì)一條總線上的多路DS18 B20進(jìn)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(shí)，軟件設(shè)計(jì)算法復(fù)雜，讀取速度慢，無法適用于實(shí)時(shí)性要求高的測溫場合。特別是當(dāng)單總線上掛接的DS18B20傳感器個(gè)數(shù)大于8個(gè)時(shí)，采用寄生電源供電方式亦存在總線驅(qū)動(dòng)能力不足等問題。為此，本設(shè)計(jì)采用“單總線結(jié)構(gòu)+并行I／O口輸入”相結(jié)合的方式，實(shí)時(shí)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(jī)的并行P1口引腳，同時(shí)各片DS18B20的電源端采用外部電源供電方式，且每個(gè)單總線另接一個(gè)4．7 kΩ的上拉電阻到5 V電源以保證達(dá)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(hào)，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(shè)計(jì)中介紹)。
2．2 鍵盤與LED顯示電路設(shè)計(jì)
    LED顯示電路設(shè)計(jì)：P0口輸出顯示代碼經(jīng)74LS245驅(qū)動(dòng)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(hào)及該通道的溫度值。
    鍵盤輸入設(shè)計(jì)：采用獨(dú)立式鍵盤P3．2～P3．4用來修改溫度報(bào)警的上限與下限值。系統(tǒng)默認(rèn)的溫度報(bào)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(bào)警上／下限值。若按P3．2鍵報(bào)警值加1；若按P3．3鍵報(bào)警值減1；P3．4為確定鍵，用于保存修改值。
    此外，當(dāng)系統(tǒng)檢測到當(dāng)前通道溫度值超過設(shè)定的上、下限時(shí)，將通過P3．6，P3．7進(jìn)行閃光報(bào)警提示。
2．3 串行通信設(shè)計(jì)
    檢測系統(tǒng)可通過串行口與上位機(jī)進(jìn)行通信，向上位機(jī)傳送溫度值及相應(yīng)的通道號(hào)。實(shí)物中通過RS 232串行接口與上位機(jī)連接，上位機(jī)的控制界面由VB 6．0編寫。當(dāng)運(yùn)行Proteus軟件時(shí)，可以從虛擬終端看到上位機(jī)接收到的8個(gè)通道的溫度數(shù)據(jù)及相應(yīng)的通道號(hào)。

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

    (1)系統(tǒng)初始化設(shè)置。
    (2)按鍵處理子程序：LED數(shù)碼管顯示上限報(bào)警溫度值并閃爍，若10 s中之內(nèi)有按鍵輸入修改溫度值，則進(jìn)行鍵盤操作直至修改完成，并保存溫度上限值；若10 s之內(nèi)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(bào)警溫度值并閃爍，重復(fù)上述操作后保存下限報(bào)警溫度值。
    (3)溫度報(bào)警值設(shè)置子程序：實(shí)現(xiàn)將8路的報(bào)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(duì)顯示路數(shù)初始化后，進(jìn)行溫度值讀取，這是軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，下面將單獨(dú)介紹。
    (5)溫度報(bào)警處理：讀取某路DS18B20溫度值及報(bào)警上下限值后，進(jìn)行比較，若超出范圍則啟動(dòng)定時(shí)器0，驅(qū)動(dòng)上／下限報(bào)警提示單元。
    (6)顯示當(dāng)前通道溫度子程序：取得當(dāng)前通道號(hào)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(shù)手冊(cè))，判斷其符號(hào)位并分別讀取其整數(shù)部分和小數(shù)部分，通過運(yùn)算后保存到顯示緩沖區(qū)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，并刷新顯示若干時(shí)間。
    (7)上位機(jī)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(hào)、溫度值發(fā)送給上位機(jī)，完成相應(yīng)通道的溫度數(shù)據(jù)采集處理。
    (8)循環(huán)修改：修改通道號(hào)，進(jìn)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(fù)。
3．2 讀取溫度子程序設(shè)計(jì)
    采用DS18B20進(jìn)行單路測量時(shí)，可直接與單片機(jī)相連，不需讀取讀出器件的64位產(chǎn)品序列號(hào)。當(dāng)采用DS18B20進(jìn)行多路測溫時(shí)，在初始化操作后，通常的做法是需要在線逐個(gè)地搜索64位ROM編碼以確認(rèn)各個(gè)DS18B20所在位置，并需對(duì)ROM編碼進(jìn)行冗余校驗(yàn)，算法設(shè)計(jì)復(fù)雜。且等待多路搜索是否完成需要消耗大量的時(shí)間，使程序執(zhí)行的效率和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性受到了影響。
    本設(shè)計(jì)采用“單總線結(jié)構(gòu)+并行I／O口輸入”結(jié)合的方式巡回讀取多路溫度。DS18B20作為單總線芯片，進(jìn)行信息交換時(shí)有嚴(yán)格的讀／寫時(shí)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(hào)傳給讀取溫度子程序，接著對(duì)DS18B20進(jìn)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(shí)間。之后，再向DS18B20發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令(44H)，DS18B20啟動(dòng)溫度采樣與A／D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jī)讀暫存器命令(BEH)，根據(jù)傳遞參數(shù)確定的通道號(hào)，可將通道號(hào)對(duì)應(yīng)的DS18B20高速暫存存儲(chǔ)器的9個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)讀入單片機(jī)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(shè)計(jì)流程
    軟件設(shè)計(jì)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(jìn)行編譯、調(diào)試，并生成目標(biāo)文件(XX．hex)。同時(shí)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(duì)話框中的“Program file”加入已生成的XX．hex文件，并進(jìn)行仿真調(diào)試，調(diào)試成功則可以修改溫度報(bào)警值，及在正常運(yùn)行時(shí)看到循環(huán)顯示所采集到的溫度值、通道號(hào)，仿真效果圖如圖6所示。

5 結(jié)語
    本設(shè)計(jì)以Proteus仿真軟件作為開發(fā)工具，以AT89C51單片機(jī)作為控制核心，使用DS18B20芯片作為溫度傳感器，加上適當(dāng)?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(hào)而不必考慮A／D轉(zhuǎn)換問題，抗干擾能力與可靠性大大提升。同時(shí)，采用單總線與多路并行輸入相結(jié)合的方法，克服了DS18B20傳統(tǒng)上采用單總線結(jié)構(gòu)時(shí)所存在的問題，實(shí)現(xiàn)多路溫度實(shí)時(shí)讀取、巡回監(jiān)測、與上位機(jī)通信等功能，且系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡潔、精度高、適應(yīng)性強(qiáng)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在多路溫度采集與監(jiān)測領(lǐng)域中有很好的實(shí)用價(jià)值。