基于DS18B20的溫度測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：介紹了以STC89C52單片機(jī)為主控制器的基于DS18B20的溫度測控系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法，給出了完整的硬件電路及程序流程圖。并根據(jù)串行通訊原理設(shè)計(jì)了單片機(jī)與PC機(jī)的接口電路，建立了單片機(jī)與PC機(jī)之間的串行通訊協(xié)議，同時(shí)利用VB6.0對(duì)測溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)象化操作，可以用于溫度數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和控制。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、可靠性高。

關(guān)鍵詞：DS18B20；STC89C52；串行通訊；VB6.0

中圖法分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302(2014)06-0019-03

0引言

溫度是表征物體冷熱程度的一個(gè)物理量。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中，對(duì)于溫度的測量及控制一直占據(jù)著重要地位。傳統(tǒng)的常用測溫元件主要有熱敏電阻、熱電偶、溫敏二極管和普通的集成溫度傳感器等，但是它們或多或少存在一些不足。由美國Dalls公司推出的單總線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，以其高集成度、高精度、高可靠性、接口簡單、使用方便等諸多傳統(tǒng)的測溫元件無法比擬的優(yōu)點(diǎn)而成為我們設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)的溫度傳感器首選[1]。

1測溫系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

本溫控系統(tǒng)要求下位機(jī)采用52單片機(jī)通過DS18B20溫度傳感器采集環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)，并在數(shù)碼管上顯示當(dāng)前溫度值，可測溫范圍為-55～125 ℃，精度0.1 ℃。

上位機(jī)程序使用VB6.0編寫，接收溫度數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中。接收數(shù)據(jù)時(shí)，要求能顯示當(dāng)前的溫度值以及最大、最小和平均值，并同步畫出溫度變化曲線，要求系統(tǒng)可查詢歷史溫度信息。同時(shí)能夠控制下位機(jī)的加熱和降溫設(shè)備，進(jìn)行溫度的控制。本系統(tǒng)的整體總體方案如圖1所示。

圖1系統(tǒng)整體總體方案

2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體硬件電路包括：傳感器數(shù)據(jù)采集電路，溫度顯示電路，報(bào)警電路，單片機(jī)主控電路，串口傳輸電路等，圖2所示是本系統(tǒng)的整體硬件電路。

圖2系統(tǒng)整體硬件電路

溫度傳感器的數(shù)據(jù)線接單片機(jī)的P3.3口，單片機(jī)通過反復(fù)讀寫P3.3口的狀態(tài)采集數(shù)據(jù)，顯示電路采用8個(gè)共陽極的LED顯示，顯示代碼由P0口發(fā)送，P2口的邏輯狀態(tài)作為選線信號(hào)，達(dá)到分時(shí)選通的目的。實(shí)際使用中只用到7個(gè)LED，最后2個(gè)用來顯示攝氏度符號(hào)，第2個(gè)用來顯示溫度的正負(fù)，當(dāng)溫度為負(fù)時(shí)，顯示“—”號(hào)，為正時(shí)不顯示，當(dāng)百位為零時(shí)，百位不顯示，百位十位為零時(shí)，百位十位都不顯示，這樣設(shè)計(jì)方便觀察，更加直觀。

此外還接有蜂鳴器，當(dāng)DS18B20不能正常工作時(shí)可以報(bào)警。最后實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)通信的功能，并實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)發(fā)送或接收[2]。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1溫度采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)（下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)）

本系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，溫度轉(zhuǎn)換命令子程序，計(jì)算溫度子程序，顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等。

3.1.1主程序流程

主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時(shí)顯示、讀出并處理DS18B20測量的當(dāng)前溫度值，溫度測量每1 s進(jìn)行一次。其程序流程見圖3所示。

3.1.2溫度轉(zhuǎn)換命令子程序

溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令，當(dāng)采用12位分辨率時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間約為750 ms，在本程序設(shè)計(jì)中采用1 s顯示程序延時(shí)法等待轉(zhuǎn)換的完成，圖4所示是其溫度轉(zhuǎn)換流程圖。

圖3主程序流程圖 圖4溫度轉(zhuǎn)換流程圖

3.1.3讀出溫度子程序

讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9 B數(shù)據(jù)，在讀出時(shí)需進(jìn)行CRC校驗(yàn)，有錯(cuò)時(shí)不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫。其程序流程圖如圖5所示。

3.1.4計(jì)算溫度子程序

計(jì)算溫度子程序?qū)腞AM中讀取的值進(jìn)行轉(zhuǎn)換運(yùn)算，并進(jìn)行溫度值正負(fù)的判定，其程序流程圖如圖6所示。

圖5讀溫度流程圖 圖6計(jì)算溫度流程圖

3.1.5顯示數(shù)據(jù)刷新子程序

顯示數(shù)據(jù)刷新子程序主要是對(duì)顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新操作，當(dāng)最高顯示位為0時(shí)，將符號(hào)顯示位移入下一位。其程序流程圖如圖7所示[3]。

圖7顯示數(shù)據(jù)刷新流程圖

3.2溫度控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)（上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)）

本程序上位機(jī)應(yīng)用VB編寫，使用VB6.0的通用串口控件MSComm來對(duì)發(fā)送到串口的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，把下位機(jī)傳送上來的2 B十六進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼并顯示出來。

當(dāng)點(diǎn)擊采集溫度時(shí)，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送采集溫度命令，當(dāng)下位機(jī)接收到命令時(shí)，向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)；

當(dāng)點(diǎn)擊加熱或降溫控制鍵時(shí)，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送控制命令，當(dāng)下位機(jī)接收到命令時(shí)，下位機(jī)發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作；

程序接收數(shù)據(jù)時(shí)，能同步畫出溫度變化的曲線，同時(shí)將接收的溫度數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中；系統(tǒng)可查詢歷史溫度信息。具體在上下位機(jī)程序里面體現(xiàn)出來[4]。圖8所示為上位機(jī)的工作流程圖。

圖8上位機(jī)軟件工作流程圖

4系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

4.1軟件仿真調(diào)試

當(dāng)DS18B20采集到的溫度為12 ℃時(shí)，數(shù)碼管同時(shí)顯示12 ℃，圖9所示是系統(tǒng)下位機(jī)的工作狀態(tài)圖，采集的數(shù)據(jù)通過串口送到上位機(jī)進(jìn)行處理并顯示存儲(chǔ)。當(dāng)值班人員從PC機(jī)觀測到被測區(qū)的溫度異常時(shí)，如溫度過高，可以通過上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，點(diǎn)擊上位機(jī)的降溫按鈕，啟動(dòng)下位機(jī)的風(fēng)扇，當(dāng)溫度過低時(shí)，點(diǎn)擊上位機(jī)的加熱按鈕，啟動(dòng)下位機(jī)的加熱系統(tǒng)，給被測區(qū)加溫。當(dāng)加熱或者降溫達(dá)到預(yù)定要求時(shí)，通過點(diǎn)擊上位機(jī)的停止按鈕控制下位機(jī)關(guān)閉降溫系統(tǒng)或者加熱系統(tǒng)，以達(dá)到保持溫度基本不變的目的。

圖9 下位機(jī)工作狀態(tài)圖

上位機(jī)的調(diào)試結(jié)果與數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10上位機(jī)界面與調(diào)試結(jié)果

4.2控制界面說明

重新采集：此按鈕一是控制上位機(jī)溫度采集的開始，二是讓上位機(jī)采集溫度的界面清除后重新采集溫度。

停止采集：此按鈕是上位機(jī)運(yùn)行時(shí)控制上位機(jī)的開始與停止。

退出程序：此按鈕控制整個(gè)上位機(jī)程序的退出。

加熱：此按鈕控制下位機(jī)的加熱系統(tǒng)。

降溫：此按鈕控制下位機(jī)的降溫系統(tǒng)。

停止：此按鈕可以關(guān)閉下位機(jī)的加熱與降溫系統(tǒng)。

統(tǒng)計(jì)計(jì)算：記錄被測區(qū)溫度的當(dāng)前值，開機(jī)以來的最大值，最小值與平均值。

軟件設(shè)置：設(shè)置通信用的串口，波特率，需要采集的次數(shù)與每次采集所需要的時(shí)間。

曲線繪制：這個(gè)界面可以很直白的看到整個(gè)監(jiān)測過程中的溫度變化情況。

除此之外，上位機(jī)還有它的溫度記錄存儲(chǔ)功能，它將采集過的歷史溫度儲(chǔ)存在文本文件中，具體如圖11所示。

4.3系統(tǒng)硬件調(diào)試

基于上述硬件和軟件設(shè)計(jì)，對(duì)該溫度采集與控制系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)物焊接和調(diào)試，具體調(diào)試結(jié)果如圖12和圖13所示。其中圖12是下位機(jī)溫度顯示及用上位機(jī)開啟降溫系統(tǒng)，圖13則是下位機(jī)顯示溫度及用上位機(jī)開啟加熱系統(tǒng)圖[5]。

圖11上位機(jī)記錄的歷史溫度

圖12下位機(jī)溫度顯示及用上位機(jī)開啟降溫系統(tǒng)

圖13下位機(jī)顯示溫度及用上位機(jī)開啟加熱系統(tǒng)

5結(jié) 語

本系統(tǒng)通過軟、硬件的仿真和實(shí)物調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了溫度的采集、顯示、存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程控制功能，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室投入使用，驗(yàn)證了DS18B20的性能。同時(shí)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、擴(kuò)展方便，在多點(diǎn)溫度檢測中有較廣泛的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]夏莉英，陳雁.基于DS18B20的溫度測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息.2011（1）：115-117.

[2]張毅剛，彭喜元.單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3]魏英智.DS18B20在溫度控制中的應(yīng)用[J]. 煤礦機(jī)械，2005（3）： 92-93.

[4]劉文濤. Visual Basic + Access數(shù)據(jù)庫開發(fā)與實(shí)例[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[5]王海寧.基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的研究[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2008.