DS18B20數(shù)字溫度計的設(shè)計及在軋機軸承溫度測控中應用

摘要：針對狹窄空間的軋鋼機軸承的溫度測量，設(shè)計一種基于溫度傳感器DS18B20的數(shù)字溫度計，闡明了使用溫度傳感器DS18B20的必然性，簡要介紹并給出了硬件電路和軟件設(shè)計構(gòu)思，通過現(xiàn)場實測，突破了傳統(tǒng)溫度傳感器的應用，達到了預期效果。
關(guān)鍵詞：單總線數(shù)字溫度傳感器，單片機，測溫，控溫

    溫度是許多監(jiān)控系統(tǒng)中的一個重要參數(shù)。對于軋鋼機軸承溫度的測量與控制是非常重要的。傳統(tǒng)的溫度計測量精度低，對于正在運轉(zhuǎn)的軋鋼機更沒有辦法測量。針對大型鋼鐵廠急需解決軋鋼機軸承溫度實時有效監(jiān)測的瓶頸問題，軸承測溫裝置就應運而生了。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題，但其輸出的信號為模擬量，不能與單片機直接接口。這些傳感器不能用于數(shù)字化溫度測控，特別是用于狹窄空間的軋鋼機軸承的溫度數(shù)字化測量，更是無能為力。基于溫度傳感器DS18B20的單總線數(shù)字溫度計能滿足要求。
    新型數(shù)字化接口溫度傳感器DS18B20，是美國達拉斯公司生產(chǎn)的一種9位串行單總線多點溫度傳感器，從根本上克服了模擬傳感器與單片機接口時需要A／D轉(zhuǎn)換器和復雜的外圍電路的弊端，由它和單片機組成的數(shù)字溫度計，系統(tǒng)簡單，僅占用單片機一個雙向I／O線，可靠性高，抗干擾性強。

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

1．2 AT89C2051單片機
    AT89C2051單片機是ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機，雙列直插封裝為20引腳，比8051單片機更加節(jié)省空間。片內(nèi)含2K bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器(PEROM)和128 bytes的隨機數(shù)字存儲器(RAM)。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)是用8位中央處理器和FLASH存儲單元，功能強大的AT89C2051單片機更多應用到高性價比的場合。AT89C2051單片機有20個引腳，電源引腳2根，外接晶體振蕩器引腳2根，復位引腳1根以及P1、P3口可編程I／O引腳15根。AT89C2051單片機的引腳圖如圖2所示。

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    引腳功能簡介：
    (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)：復位引腳，引腳上出現(xiàn)2個機器周期的高電平將使單片機復位
    (4)可編程輸入／輸出引腳(15根)
       P1口：8位準雙向I／O口線，P1．0～P1．7，共8根
       P3口：8位準雙向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)計中是關(guān)鍵器件。采用達拉斯公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它支持單總線接口，與AT89C2051連接時僅需一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信。測溫范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～85℃范圍內(nèi)，測溫誤差為±0．5℃。最大特點
是支持多點組網(wǎng)功能。多個DS18B20并聯(lián)在一條供電和數(shù)據(jù)傳輸線上，可實現(xiàn)多點測溫。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)的溫度報警除法器TH和TL、配置寄存器。ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看做是DS18B20的地址序列碼，每個DS18B20的64位序列號均不相同。ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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

1．4 鍵盤控制
    鍵盤由獨立按鍵組成，控制AT89C2051復位以及控制溫度實時顯示等功能。采用低功耗設(shè)計，即溫度顯示一段時間后關(guān)閉數(shù)碼管顯示，直到按鍵按下后繼續(xù)顯示或設(shè)置顯示時間，當在關(guān)閉顯示的同時，發(fā)光二極管表示系統(tǒng)正運行在低功耗狀態(tài)。
1．5 數(shù)字溫度計的硬件電路
    數(shù)字溫度計的硬件電路主要由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)生必要的時鐘脈沖信號。同時，使用22微法的電解電容及1 kΩ電阻組成自動上電復位電路，當系統(tǒng)接通電源后，單片機自動進行復位。
    單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20的DQ引腳輸出的方波信號連接到AT89C2051的P3．4口線，實現(xiàn)被測溫度信號輸入，在軟件中統(tǒng)計頻率數(shù)值，4位數(shù)碼管用于顯示測量溫度值，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，P3．7連接蜂鳴器和綠色發(fā)光二極管，當測量的溫度超過“預設(shè)報警溫度65℃”時，發(fā)出聲光報警。
    DS18B20傳感器的外保護套，用直徑10 mm，長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，以便三針測溫電纜配合使用。將DS18B20放置在軋機軸承座內(nèi)，可實現(xiàn)測溫與控溫目的。
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2 數(shù)字溫度計的軟件設(shè)計
    采用AT89C2051作為主控芯片，把經(jīng)過數(shù)字溫度傳感器DS18B20現(xiàn)場實時采集的溫度數(shù)據(jù)，存入單片機內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，送數(shù)碼管顯示，并檢閱是否有按鍵按下，來由單片機控制是否顯示，進行溫度檢測和顯示為設(shè)計應考慮下列問題：

    溫度實時采集，精確顯示溫度，采用4位數(shù)碼顯示管LED顯示當前溫度，精確到0．01℃，定時器啟動，設(shè)計顯示持續(xù)時間，按鍵處理，判斷按鍵然后顯示溫度。軟件設(shè)計主要有：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)字溫度計在軋機軸承測溫中的應用
    將封裝好的DS18B20溫度傳感器嵌在軋機中，軸承座內(nèi)開有盲孔，孔中固緊測溫傳感器，能實時監(jiān)測軋機在運行過程中軋輥的軸承溫度狀況，可以有效地預防一些突發(fā)性情況造成軋輥過熱而嚴重燒毀，當監(jiān)測到的溫度高于極限設(shè)定值時，及時報警，避免故障擴大，并采取有效措施，是確保軋機安全穩(wěn)定運行的有效手段。

4 結(jié)束語
    該數(shù)字溫度計研制成功后，經(jīng)現(xiàn)場測試表明，可準確地檢測到軸承運轉(zhuǎn)過程中的溫度及其變化，監(jiān)測軸承運行狀態(tài)，超溫報警，避免了重大事故的發(fā)生，該數(shù)字溫度計具有實用價值，值得推廣。