基于DS18B20的多路溫度監測系統設計|壹芯微

在實時溫度監控系統中，如大棚溫度監控、冷庫測溫、智能建筑溫度控制等系統中，經常需要進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據可為控制系統的工作提供可靠的依據。傳統上，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。因此本文提出了采用美國Dallas公司生產的單總線數字溫度傳感器DS18B20和AT89C51單片機構成高精度的多路溫度監測系統來解決這些問題。

1.DS18B20簡介

DS18B20是Dallas公司推出的1-Wire式單總線智能數字溫度傳感器。與傳統的熱敏電阻相比，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0.0625℃，可滿足高精度設計要求;在9位分辨率時最多在93.75ms內把溫度轉換為數字，12位分辨率時最多在750ms內把溫度值轉換為數字;電源供電范圍3.0~5.5V;讀取或寫入信息到DS18B20僅需要單總線接口(即將地址線、數據線、控制線合成一條信號線);測量結果直接輸出數字溫度信號，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可使系統結構簡潔，可靠性更高。以上特性使得DSl8B20非常適用于構建高精度的多路溫度采集與檢測系統。

DS18B20

2.硬件電路設計

系統原理框圖如圖1所示，系統由多片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。

圖1系統原理框圖

系統采用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DS18B20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通過LED數碼管顯示出來，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RS232模塊將各路溫度數據送上位機處理。系統采用Proteus仿真軟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。

圖2硬件仿真電路圖

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DS18B20進行控制，讀取其溫度。但DS18B20僅由單總線采集多路溫度數據時，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[3].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4.7kΩ的上拉電阻到5V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，而只需通過參數傳遞來循環讀取各路溫度數據(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數碼管用于循環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。系統默認的溫度報警上限為50℃，下限為-10℃。系統上電后，LED數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RS232串行接口與上位機連接，上位機的控制界面由VB6.0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個通道的溫度數據及相應的通道號。

3.軟件設計

3.1軟件總體設計

如圖3所示。

圖3主程序流程

系統上電復位后，程序主要包括：

(1)系統初始化設置。

(2)按鍵處理子程序：LED數碼管顯示上限報警溫度值并閃爍，若10s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10s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，根據讀取的2字節溫度值(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部分和小數部分，通過運算后保存到顯示緩沖區，進行動態顯示，并刷新顯示若干時間。

(7)上位機通信子程序：每采集一路溫度數據，通過RS232串口，將其通道號、溫度值發送給上位機，完成相應通道的溫度數據采集處理。

(8)循環修改：修改通道號，進行下一路溫度數據采集，直至8路溫度處理完成，如此循環往復。

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，使程序執行的效率和系統實時性受到了影響。

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，然后直接執行跳過ROM命令(CCH)，即不讀取64位ROM編碼而直接向DS18B20發出功能命令，節約了時間。之后，再向DS18B20發送溫度轉換命令(44H)，DS18B20啟動溫度采樣與A/D轉換，并將轉換數據存儲在暫存器中。

然后再次初始化DS18B20,并在再一次跳過ROM命令后，執行單片機讀暫存器命令(BEH)，根據傳遞參數確定的通道號，可將通道號對應的DS18B20高速暫存存儲器的9個字節數據讀入單片機中，其中第0,1字節分別是溫度值低位(LSbyte)和高位(MSbyte)，第2,3字節分別是高溫限值(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。

圖4設置溫度報警值子程序流程

圖5讀溫度子程序流程

4.KeilC51與Proteus聯合仿真

軟件采用C語言編程，在KeilC51集成開發環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,在出現的對話框中的“Programfile”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顯示所采集到的溫度值、通道號，仿真效果圖如圖6所示。

圖6模擬終端接收的數據

結語

本設計以Proteus仿真軟件作為開發工具，以AT89C51單片機作為控制核心，使用DS18B20芯片作為溫度傳感器，加上適當的外圍電路，組成了多路溫度巡回監測系統。與傳統溫度傳感器相比，可直接輸出數字信號而不必考慮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傳統上采用單總線結構時所存在的問題，實現多路溫度實時讀取、巡回監測、與上位機通信等功能，且系統具有結構簡潔、精度高、適應性強、維護方便等優點，在多路溫度采集與監測領域中有很好的實用價值。

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