Design of a New Multiple Temperature Measurement System

ZHOU Xingwei, YUAN Yifang

(College of Optical and Electronics Engineering, University of Shangh ai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

　　Key words: temperature sensor; DS18B20; temperature measuring sy stem

1溫度傳感器DS18B20介紹
　　DALLAS公司單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20是一種新的“一線器件”，它具有體積小、適用電壓寬等特點(diǎn)。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。DS18B20支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃；通過編程可實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式；可以分別在93.75ms和750ms內(nèi)將溫度值轉(zhuǎn)化為9位和12位的數(shù)字量。每個(gè)DS18B20具有唯一的64位長序列號(hào)，存放于DS18B20內(nèi)部ROM只讀存儲(chǔ)器中。
　　DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括1個(gè)高速暫存RAM和1個(gè)非易失性的電可擦除E2RAM，后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器。暫存存儲(chǔ)器包含了8個(gè)連續(xù)字節(jié)，前2字節(jié)為測得的溫度信息，第1個(gè)字節(jié)為溫度的低8位，第2個(gè)字節(jié)為溫度的高8位。高8位中，前4位表示溫度的正(全“0”)與負(fù)(全“1”)；第3個(gè)字節(jié)和第4個(gè)字節(jié)為TH、TL的易失性拷貝；第5個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，此三個(gè)字節(jié)內(nèi)容在每次上電復(fù)位時(shí)被刷新；第6、7、8個(gè)字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算；第9個(gè)字節(jié)為冗余檢驗(yàn)字節(jié)。所以，讀取溫度信息字節(jié)中的內(nèi)容，可以相應(yīng)地轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的溫度值。表1列出了溫度與溫度字節(jié)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

　　系統(tǒng)分為現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)采集和上位監(jiān)控PC兩部分。圖1為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。需要指出的是，下位機(jī)可以脫離上位PC機(jī)而獨(dú)立工作。增加上位機(jī)的目的在于能夠更方便地遠(yuǎn)離現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、管理?，F(xiàn)場溫度采集部分采用8051單片機(jī)作為中央處理器，在P1.0口掛接10個(gè)DS18B20傳感器，對(duì)10個(gè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行檢測。非易失性RAM用作系統(tǒng)溫度采集及運(yùn)行參數(shù)等的緩沖區(qū)。上位PC機(jī)通過RS485通信接口與現(xiàn)場單片微處理器通信，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的管理和控制，可完成數(shù)據(jù)記錄，打印報(bào)表等工作。

2.1DS18B20與單片機(jī)的接口電路
　　DS18B20與8051單片機(jī)連接非常簡單，只需將DS18B20信號(hào)線與單片機(jī)一位I/O線相連，且一位I/O線可連接多個(gè)DS18B20，以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)或多點(diǎn)溫度測量。DS18B20可以通過2種方式供電：外加電源方式和寄生電源方式。前者需要外加電源，電源的正負(fù)極分別與DS18B20的VDD和GND相連接。后者采用寄生電源，將DS18B20的VDD與GND接在一起，當(dāng)總線上出現(xiàn)高電平時(shí)，上拉電阻提供電源；當(dāng)總線低電平時(shí)，內(nèi)部電容供電。由于采用外加電源方式更能增強(qiáng)DS18B20的抗干擾性，故本設(shè)計(jì)采用這種方式。在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器與單片機(jī)的距離往往在幾十米到幾百米，傳輸線的寄生電容對(duì)DS18B20的操作也有一定的影響，所以往往在接口的地方稍加改動(dòng)，以增加芯片的驅(qū)動(dòng)能力和減少傳輸線電容效應(yīng)帶來的影響，達(dá)到遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪康摹?br>2.2鍵盤及顯示
　　鍵盤通過編程設(shè)置可完成以下功能：對(duì)溫度值進(jìn)行標(biāo)定，定時(shí)顯示各路的溫度值，單獨(dú)顯示某路的溫度值，給每一路設(shè)定上下限報(bào)警值等。LED則可為用戶提供直觀的視覺信息。在工作現(xiàn)場，用戶可通過6位LED的顯示數(shù)據(jù)來確定系統(tǒng)的當(dāng)前工作狀態(tài)以及采樣的溫度值信息等。
2.3報(bào)警電路
　　當(dāng)被測溫度值超過預(yù)先設(shè)定的上下限時(shí)，報(bào)警電路作出響應(yīng)，蜂鳴器發(fā)出響聲，告知用戶溫度的異常。具體哪一個(gè)傳感器溫度值超限，可由軟件查詢各DS18B20內(nèi)部告警標(biāo)志而確定，繼而調(diào)整該現(xiàn)場溫度，以達(dá)到對(duì)溫度波動(dòng)的控制。

3.1下位機(jī)軟件
　　系統(tǒng)下位測溫部分軟件采用MCS51匯編語言編寫，主要完成對(duì)DS18B20的讀寫操作，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，并獲取最終溫度值送至單片機(jī)內(nèi)存。但需要注意的是，由于DS18B20的單總線方式，數(shù)據(jù)的讀寫都占用同一根線，所以每一種操作都必須嚴(yán)格按照時(shí)序進(jìn)行。圖2為測溫子系統(tǒng)流程圖。單片機(jī)首先發(fā)送復(fù)位脈沖，該脈沖使信號(hào)線上所有的DS18B20芯片都被復(fù)位，接著發(fā)送ROM操作命令，使得序列號(hào)編碼匹配的DS18B20被激活。被激活后的DS18B20進(jìn)入接收內(nèi)存訪問命令狀態(tài)，內(nèi)存訪問命令完成溫度轉(zhuǎn)換、讀取等工作(單總線在ROM命令發(fā)送之前存儲(chǔ)命令和控制命令不起作用)。
3.2上位機(jī)軟件
　　系統(tǒng)上位機(jī)的軟件采用VC++6.0編寫。主要完成的功能包括：與下位單片微機(jī)的實(shí)時(shí)通信；模擬顯示各采集點(diǎn)溫度曲線；保存各測溫點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)；統(tǒng)計(jì)各采集點(diǎn)平均溫度值；打印各點(diǎn)溫度統(tǒng)計(jì)報(bào)表等。

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　　本系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：
　　a.結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，維護(hù)方便。
　　b.直接將溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，可以只使用單根電纜傳輸溫度數(shù)據(jù)，通信方便，傳輸距離遠(yuǎn)且抗干擾性強(qiáng)。
　　c.配置靈活、方便、易于擴(kuò)展?？蓴U(kuò)展多路下位溫度采集子系統(tǒng)，將它們通過RS485與上位PC機(jī)組網(wǎng)，形成多點(diǎn)溫度采集網(wǎng)絡(luò)。也可在各子系統(tǒng)中有選擇性地增減溫度傳感器。
　　d.工作穩(wěn)定，測溫精度高。實(shí)驗(yàn)表明，在長達(dá)200m的一位總線上掛接24個(gè)DS18B20溫度傳感器，系統(tǒng)可正確地進(jìn)行溫度采集，分辨率為0.5℃。
　　e.適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。在大范圍溫度多點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中具有十分誘人的應(yīng)用前景。