DS18B20數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)及在軋機(jī)軸承溫度測(cè)控中應(yīng)用

摘要：針對(duì)狹窄空間的軋鋼機(jī)軸承的溫度測(cè)量，設(shè)計(jì)一種基于溫度傳感器DS18B20的數(shù)字溫度計(jì)，闡明了使用溫度傳感器DS18B20的必然性，簡(jiǎn)要介紹并給出了硬件電路和軟件設(shè)計(jì)構(gòu)思，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，突破了傳統(tǒng)溫度傳感器的應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)期效果。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)慰偩€數(shù)字溫度傳感器，單片機(jī)，測(cè)溫，控溫

    溫度是許多監(jiān)控系統(tǒng)中的一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)于軋鋼機(jī)軸承溫度的測(cè)量與控制是非常重要的。傳統(tǒng)的溫度計(jì)測(cè)量精度低，對(duì)于正在運(yùn)轉(zhuǎn)的軋鋼機(jī)更沒有辦法測(cè)量。針對(duì)大型鋼鐵廠急需解決軋鋼機(jī)軸承溫度實(shí)時(shí)有效監(jiān)測(cè)的瓶頸問(wèn)題，軸承測(cè)溫裝置就應(yīng)運(yùn)而生了。溫度傳感器是選擇的關(guān)鍵，有的采用熱電偶、鉑熱電阻PT100，其輸出與溫度一般為非線性關(guān)系，需要做線性化處理。集成溫度傳感器AD590解決了傳統(tǒng)溫度傳感器非線性的問(wèn)題，但其輸出的信號(hào)為模擬量，不能與單片機(jī)直接接口。這些傳感器不能用于數(shù)字化溫度測(cè)控，特別是用于狹窄空間的軋鋼機(jī)軸承的溫度數(shù)字化測(cè)量，更是無(wú)能為力?；跍囟葌鞲衅鱀S18B20的單總線數(shù)字溫度計(jì)能滿足要求。
    新型數(shù)字化接口溫度傳感器DS18B20，是美國(guó)達(dá)拉斯公司生產(chǎn)的一種9位串行單總線多點(diǎn)溫度傳感器，從根本上克服了模擬傳感器與單片機(jī)接口時(shí)需要A／D轉(zhuǎn)換器和復(fù)雜的外圍電路的弊端，由它和單片機(jī)組成的數(shù)字溫度計(jì)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，僅占用單片機(jī)一個(gè)雙向I／O線，可靠性高，抗干擾性強(qiáng)。

1 數(shù)字溫度計(jì)的硬件設(shè)計(jì)
1．1 設(shè)計(jì)框圖
    基于數(shù)字化接口的溫度傳感器DS18B20的數(shù)字溫度計(jì)硬件框圖，如圖1所示。

1．2 AT89C2051單片機(jī)
    AT89C2051單片機(jī)是ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)，雙列直插封裝為20引腳，比8051單片機(jī)更加節(jié)省空間。片內(nèi)含2K bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器(PEROM)和128 bytes的隨機(jī)數(shù)字存儲(chǔ)器(RAM)。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)是用8位中央處理器和FLASH存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C2051單片機(jī)更多應(yīng)用到高性價(jià)比的場(chǎng)合。AT89C2051單片機(jī)有20個(gè)引腳，電源引腳2根，外接晶體振蕩器引腳2根，復(fù)位引腳1根以及P1、P3口可編程I／O引腳15根。AT89C2051單片機(jī)的引腳圖如圖2所示。

    引腳功能簡(jiǎn)介：
    (1)主電源引腳(2根)
       VCC(Pin20)：電源輸入，接+5 V電源
       GND(Pin10)：接地線
    (2)2外接晶振引腳(2根)
       XTAL1(Pin5)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端
       XTAL2(Pin4)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端
    (3)3控制引腳(1根)
       RST／VPP(Pin1)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位
    (4)可編程輸入／輸出引腳(15根)
       P1口：8位準(zhǔn)雙向I／O口線，P1．0～P1．7，共8根
       P3口：8位準(zhǔn)雙向I／O口線，P3．0～P3．5、P3．7，共7根
1．3 溫度傳感器DS18B20
    溫度傳感器在本設(shè)計(jì)中是關(guān)鍵器件。采用達(dá)拉斯公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它支持單總線接口，與AT89C2051連接時(shí)僅需一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信。測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～85℃范圍內(nèi)，測(cè)溫誤差為±0．5℃。最大特點(diǎn)
是支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能。多個(gè)DS18B20并聯(lián)在一條供電和數(shù)據(jù)傳輸線上，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。工作電源為+5 V，封裝類似于小型三極管，特別適用于各種狹窄空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。
    溫度傳感器DS18B20主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警除法器TH和TL、配置寄存器。ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看做是DS18B20的地址序列碼，每個(gè)DS18B20的64位序列號(hào)均不相同。ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    DS18B20管腳排列如圖4所示。GND為電源地，DQ為數(shù)字信號(hào)輸入／輸出端，VDD為外接供電電源輸入端。

1．4 鍵盤控制
    鍵盤由獨(dú)立按鍵組成，控制AT89C2051復(fù)位以及控制溫度實(shí)時(shí)顯示等功能。采用低功耗設(shè)計(jì)，即溫度顯示一段時(shí)間后關(guān)閉數(shù)碼管顯示，直到按鍵按下后繼續(xù)顯示或設(shè)置顯示時(shí)間，當(dāng)在關(guān)閉顯示的同時(shí)，發(fā)光二極管表示系統(tǒng)正運(yùn)行在低功耗狀態(tài)。
1．5 數(shù)字溫度計(jì)的硬件電路
    數(shù)字溫度計(jì)的硬件電路主要由DS18B20、AT89C2051、4位數(shù)碼管LED等組成，如圖5所示。

    硬件電路的核心控制單元，采用AT89C2051作為主控芯片，正常工作時(shí)需提供5 V的直流穩(wěn)壓電源。選擇12 MHz晶振和30pf的電容，為AT89C2051正常工作產(chǎn)生必要的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。同時(shí)，使用22微法的電解電容及1 kΩ電阻組成自動(dòng)上電復(fù)位電路，當(dāng)系統(tǒng)接通電源后，單片機(jī)自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位。
    單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20的DQ引腳輸出的方波信號(hào)連接到AT89C2051的P3．4口線，實(shí)現(xiàn)被測(cè)溫度信號(hào)輸入，在軟件中統(tǒng)計(jì)頻率數(shù)值，4位數(shù)碼管用于顯示測(cè)量溫度值，輸出段碼由AT89C2051的P1口輸出，P3．0，P3．1，P3．2，P3．3是DS1，DS2，DS3，DS的選通信號(hào)，P3．7連接蜂鳴器和綠色發(fā)光二極管，當(dāng)測(cè)量的溫度超過(guò)“預(yù)設(shè)報(bào)警溫度65℃”時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警。
    DS18B20傳感器的外保護(hù)套，用直徑10 mm，長(zhǎng)20 mm的紫銅，做成一端封閉的圓筒形，DS18B20頂端與內(nèi)封閉面良好的接觸，灌入環(huán)氧樹脂，另一端安裝三孔插座，以便三針測(cè)溫電纜配合使用。將DS18B20放置在軋機(jī)軸承座內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫與控溫目的。

2 數(shù)字溫度計(jì)的軟件設(shè)計(jì)
    采用AT89C2051作為主控芯片，把經(jīng)過(guò)數(shù)字溫度傳感器DS18B20現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集的溫度數(shù)據(jù)，存入單片機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，送數(shù)碼管顯示，并檢閱是否有按鍵按下，來(lái)由單片機(jī)控制是否顯示，進(jìn)行溫度檢測(cè)和顯示為設(shè)計(jì)應(yīng)考慮下列問(wèn)題：

    溫度實(shí)時(shí)采集，精確顯示溫度，采用4位數(shù)碼顯示管LED顯示當(dāng)前溫度，精確到0．01℃，定時(shí)器啟動(dòng)，設(shè)計(jì)顯示持續(xù)時(shí)間，按鍵處理，判斷按鍵然后顯示溫度。軟件設(shè)計(jì)主要有：主程序、系統(tǒng)初始程序、溫度采集子程序、顯示子程序、鍵盤查詢子程序、按鍵處理子程序、具體流程圖如圖6所示。

3 數(shù)字溫度計(jì)在軋機(jī)軸承測(cè)溫中的應(yīng)用
    將封裝好的DS18B20溫度傳感器嵌在軋機(jī)中，軸承座內(nèi)開有盲孔，孔中固緊測(cè)溫傳感器，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軋機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中軋輥的軸承溫度狀況，可以有效地預(yù)防一些突發(fā)性情況造成軋輥過(guò)熱而嚴(yán)重?zé)龤?，?dāng)監(jiān)測(cè)到的溫度高于極限設(shè)定值時(shí)，及時(shí)報(bào)警，避免故障擴(kuò)大，并采取有效措施，是確保軋機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的有效手段。

4 結(jié)束語(yǔ)
    該數(shù)字溫度計(jì)研制成功后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，可準(zhǔn)確地檢測(cè)到軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的溫度及其變化，監(jiān)測(cè)軸承運(yùn)行狀態(tài)，超溫報(bào)警，避免了重大事故的發(fā)生，該數(shù)字溫度計(jì)具有實(shí)用價(jià)值，值得推廣。