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

宰廣旭

(揚州江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，江蘇揚州225000)

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(yīng)運而生了。溫度傳感器是選擇的關(guān)鍵，有的采用熱電偶［1］、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?；跍囟葌鞲衅鱀S18B20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(fù)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。

圖1 數(shù)字溫度計硬件框圖

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(fù)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(yīng)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(fù)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。

圖2 AT89C2051引腳圖

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(fù)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(fù)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。

圖3 溫度傳感器DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

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。

圖4 溫度傳感器DS18B20的封裝及引腳排列

1.4 鍵盤控制

鍵盤由獨立按鍵組成，控制AT89C2051復(fù)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［2］

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。

圖5 數(shù)字溫度計的硬件電路

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(fù)位電路，當系統(tǒng)接通電源后，單片機自動進行復(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(yù)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。

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(yīng)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。

圖6 數(shù)字溫度計的軟件設(shè)計流程圖

3 數(shù)字溫度計在軋機軸承測溫中的應(yīng)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(yù)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。

［1］陶磊，薛濤，孫建召，等.大型軋機軸承溫度測試方法的研究［J］.山西冶金，2009(5):8－11.

［2］周學(xué)軍.基于AT89C2051的數(shù)字溫度計設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(17):164－165.