基于DS18B20的多點(diǎn)測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顧 劍，李 彬

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

溫度測(cè)量及控制在監(jiān)測(cè)消防電氣、醫(yī)療和機(jī)械等設(shè)備的發(fā)熱等領(lǐng)域有著重要的作用[1-2]。低成本、高精度和高魯棒性的溫度檢測(cè)系統(tǒng)有著廣闊的應(yīng)用空間[3-4]。本文采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20、單片機(jī)STC89C52為主要芯片，采用RS-232串行通訊標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了多點(diǎn)溫度的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活，擁有很好的抗干擾性，適于在惡劣的環(huán)境下進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。

1 設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)運(yùn)用主從分布式思想，用上位機(jī)和下位機(jī)組成兩級(jí)分布式多點(diǎn)測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用RS-232串行通訊標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)溫度采集通過(guò)上位機(jī)控制下位機(jī)實(shí)現(xiàn)。溫度值既可以送回上位機(jī)進(jìn)行處理，在數(shù)碼管上顯示；也可以由下位機(jī)單獨(dú)工作，實(shí)時(shí)顯示和控制當(dāng)前各點(diǎn)溫度值，設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)框圖

溫度監(jiān)測(cè)中，普遍存在多測(cè)量點(diǎn)、布線分散、環(huán)境復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)距離監(jiān)控室遠(yuǎn)等難題[5]。一般的模擬溫度傳感器所采集到的信號(hào)需要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換、信號(hào)調(diào)理電路及相應(yīng)的接口電路，容易造成誤差。所以多點(diǎn)測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于主控單元的設(shè)計(jì)和溫度傳感器的選擇[6]。

1.1 傳感器部分

數(shù)字傳感器DS18B20的溫度輸出信號(hào)全部為數(shù)字信號(hào)，便于單片機(jī)處理及控制，同時(shí)DS18B20的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。DS18B20采用單總線的數(shù)據(jù)傳輸，可直接與計(jì)算機(jī)連接，能直接輸出數(shù)字信號(hào)[7]。因此，測(cè)溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，且STC89C52可以帶多個(gè)DSB1820使用戶容易組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量[8]。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，采用DS18B20測(cè)量的溫度能夠被直接讀出，通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，也能分別在93.75 ms和750 ms內(nèi)將溫度值轉(zhuǎn)化9位和12位的數(shù)字量。DS18B20具有小體積、接口方便、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，內(nèi)含寄生電源[9]。

1.2 主控制部分

采用STC89C52八位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的算術(shù)算法和邏輯控制。STC89C52八位單片機(jī)安裝方便，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且體積小[10]。既可以與PC機(jī)通信，還可以單獨(dú)對(duì)多個(gè)DS18B20進(jìn)行控制工作。運(yùn)用主從分布式思想，采用一臺(tái)上位機(jī)和下位機(jī)組成兩級(jí)分布式多點(diǎn)測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。每個(gè)單芯片上擁有靈巧的8位CPU和系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活的解決方案。

1.3 系統(tǒng)方案

設(shè)計(jì)應(yīng)用分布式通訊的思想，設(shè)計(jì)一種用于大規(guī)模多點(diǎn)測(cè)溫的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。應(yīng)用RS-232串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)下位機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的溫度采集，溫度信號(hào)數(shù)據(jù)既可以送回上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，也可以由下位機(jī)模塊實(shí)時(shí)顯示，具有成本低、速度快、擴(kuò)展性好的特點(diǎn)。

圖2 采集電路

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框圖

以89C52單片機(jī)為控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)的溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。各監(jiān)測(cè)單元能獨(dú)立完成相應(yīng)的功能，同時(shí)根據(jù)MCU的指令，能對(duì)不同點(diǎn)溫度進(jìn)行定時(shí)采集，結(jié)果不僅可以在本地顯示，也能通過(guò)單片機(jī)串行接口，通過(guò)RS-232總線傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)控制指令發(fā)送到下位機(jī)STC89C52進(jìn)行溫度的采集，收集測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行整理、顯示和比較，一旦溫度超設(shè)定溫度的范圍，就會(huì)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。上位機(jī)與各個(gè)下位機(jī)之間能夠緊密聯(lián)系、相互協(xié)調(diào)，共同配合實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖3 系統(tǒng)框圖

設(shè)計(jì)方案由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，從機(jī)接受來(lái)自主機(jī)的命令，通過(guò)DS18B20數(shù)字溫度傳感器對(duì)待測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)，將數(shù)據(jù)返回至主機(jī)，其中數(shù)碼管4位中第1位用于顯示所測(cè)的點(diǎn)，后4位用于顯示溫度。聲光報(bào)警用于警報(bào)機(jī)制，當(dāng)所測(cè)溫度在設(shè)定范圍之外時(shí)將會(huì)警報(bào)[11]。整個(gè)流程為：按鍵選擇所需的測(cè)量點(diǎn)，主機(jī)向該從機(jī)發(fā)送相應(yīng)的指令，從機(jī)將測(cè)得溫度回傳給主機(jī)，顯示在數(shù)碼管上。

2.2 硬件部分

單片機(jī)一般采用5 V電源，但本設(shè)計(jì)所用單片機(jī)較多，若都接在同一電源上，可能會(huì)導(dǎo)致各個(gè)單片機(jī)工作電壓小于額定電壓，所以需要多個(gè)電源。采用三端穩(wěn)壓片可以滿足要求，具體電路如圖4所示。

圖4 三端穩(wěn)壓片

顯示電路采用共陰極七段數(shù)碼管，采用動(dòng)態(tài)掃描方式，即數(shù)碼管上各LED輪流點(diǎn)亮來(lái)顯示，用兩塊芯片即可完成顯示功能。由4511譯碼器輸出顯示數(shù)據(jù)，位驅(qū)動(dòng)掃描信號(hào)為ULN2003[12]。

電路采用4位數(shù)碼管顯示溫度，由于單片機(jī)IO口輸出電流<20 mA，點(diǎn)亮一個(gè)數(shù)碼管至少需要160 mA，一次系統(tǒng)中采用ULN2003增大驅(qū)動(dòng)電流，數(shù)碼管正常顯示。4511是一片CMOS BCD-鎖存/7段譯碼/驅(qū)動(dòng)器，具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動(dòng)功能的CMOS電路能提供較大的拉電流，用于驅(qū)動(dòng)共陰極LED數(shù)碼管顯示器，溫度顯示電路如圖5所示。

圖5 溫度顯示電路

數(shù)字溫度傳感器DS18B20由Dallas公司生產(chǎn)。溫度分辨率最高可達(dá)0.062 5 ℃，用符號(hào)擴(kuò)展成16位數(shù)字量以串行的方式來(lái)輸出被測(cè)溫度。CPU占用較少微處理器的端口，可以節(jié)約大量的引線和電路資源，因?yàn)橹恍枰桓丝诰€就能與多個(gè)DS18B20來(lái)通信。DS18B20支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度范圍為-55～125 ℃，在-10～85 ℃范圍內(nèi)，精度為±0.5 ℃。實(shí)際被測(cè)溫度信號(hào)直接以數(shù)字方式傳輸給單片機(jī)，使得系統(tǒng)的抗干擾性大幅增強(qiáng)。

圖6 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)

DS18B20主要由非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH、64位激光ROM、溫度靈敏原件和TL和配置寄存器4部分組成。DS18B20最大特點(diǎn)是單總線數(shù)據(jù)傳輸，即由同一根總線來(lái)完成數(shù)據(jù)的輸入輸出。數(shù)字溫度傳感器DS18B20的硬件連接電路如圖7所示。

圖7 DS18B20的硬件連接

由于所測(cè)溫度需要在前端增加一個(gè)放大電路對(duì)所獲取的溫度信號(hào)進(jìn)一步放大，從而使其準(zhǔn)確地顯示在數(shù)碼管上[13]。將采用AD620進(jìn)行信號(hào)放大，可通過(guò)外接電阻進(jìn)行1～1 000倍的方法增益，計(jì)算方式為

(1)

通過(guò)外接一個(gè)4.7 kΩ電阻，使得增益為11.51倍。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包含兩部分：一是單片機(jī)的監(jiān)控軟件(主程序)，即主控機(jī)發(fā)送命令以及比較是否超過(guò)溫度范圍，是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，用于協(xié)調(diào)各子模塊和控制端的關(guān)系；二是執(zhí)行軟件(子程序)，即選擇所測(cè)點(diǎn)，傳感器傳輸信號(hào)以及數(shù)碼管顯示等模塊。每個(gè)執(zhí)行軟件相當(dāng)于一個(gè)小的專用功能執(zhí)行模塊。將各個(gè)子模塊列出，將每一個(gè)執(zhí)行模塊進(jìn)行具體的功能定義和接口定義。各子模塊運(yùn)行完成后，用主控機(jī)來(lái)進(jìn)行監(jiān)控程序[14]。首先根據(jù)多點(diǎn)測(cè)溫溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的按鍵設(shè)置和功能選擇合適的程序，然后依據(jù)要求的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性，安排監(jiān)控軟件和各子模塊之間的調(diào)用關(guān)系。

3.1 設(shè)計(jì)方案

(1)溫度測(cè)試程序：?jiǎn)纹瑱C(jī)對(duì)DS18B20發(fā)送命令，將其測(cè)得的溫度回傳給單片機(jī)，然后對(duì)溫度芯片傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理的數(shù)據(jù)與設(shè)定的溫度進(jìn)行比較；(2)數(shù)碼管顯示程序：?jiǎn)纹瑱C(jī)將溫度數(shù)據(jù)傳給數(shù)碼管來(lái)顯示，若溫度超過(guò)設(shè)定溫度，會(huì)引發(fā)蜂鳴器響應(yīng)；(3)按鍵選擇程序：通過(guò)按鍵選擇不同的測(cè)量點(diǎn)，并顯示在數(shù)碼管中；(4)中斷控制程序：用于實(shí)現(xiàn)循環(huán)顯示功能。

圖8 主流程圖

3.2 計(jì)算機(jī)通信

利用89C52上的串行通信接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，將單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，可以更方便的進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在計(jì)算機(jī)上安裝MSCOMM控件作為串口調(diào)試助手，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能[15]。若將通信端口選擇COM1，波特率設(shè)定為1 200 B/s，則其相應(yīng)的匯編程序如下

MSCOmm.CommPort=1

MSComm.Setting=“1200， n， 8， 1”。

START:MOV SP，#60H

MOV TMOD，#20H

MOV TH1，#0E6H

MOV TL1，#0E6H;1200B/S，晶振為12MHZ

MOV PCON，#00H

MOV SCON，#50H

SETB TR1

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 測(cè)試方法

設(shè)計(jì)需要模擬多點(diǎn)不同環(huán)境測(cè)其溫度值(0～100 ℃)。測(cè)試儀器和軟件為數(shù)字萬(wàn)用表和可測(cè)0～100 ℃的溫度計(jì)，用串口調(diào)試助手來(lái)實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信。測(cè)試方法為觀察數(shù)碼管的顯示數(shù)值。

系統(tǒng)先運(yùn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的程序來(lái)觀察系統(tǒng)硬件是否正常，觀察測(cè)得的數(shù)據(jù)是否與預(yù)期相符合。取不同溫度的點(diǎn)，用DS18B20與溫度計(jì)同時(shí)測(cè)量多點(diǎn)水溫的變化情況，觀察顯示電路是否能夠正常運(yùn)行，然后記錄不同點(diǎn)的溫度值，與溫度計(jì)測(cè)得的溫度值比較，從而得出系統(tǒng)的溫度指標(biāo)。檢測(cè)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸是否正確，單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的通訊可用串口調(diào)試助手。經(jīng)測(cè)試，硬件電路正常，各點(diǎn)溫度用傳感器和溫度計(jì)顯示一致，與計(jì)算機(jī)的串口傳輸數(shù)據(jù)正確。

4.2 統(tǒng)一調(diào)試

結(jié)合軟硬件進(jìn)行電路系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)試。上位機(jī)與單片機(jī)直接通訊可以向系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示并更新各測(cè)量點(diǎn)的溫度值。

圖9 初始化脈沖

在溫度傳感器初始化序列期間，總線上的主設(shè)備通過(guò)拉低總線超過(guò)480 μs來(lái)發(fā)送復(fù)位脈沖。主設(shè)備釋放總線進(jìn)行接受模式，然后上拉電阻將總線拉至高電平，如圖9所示。

圖10 讀/寫脈沖

如圖10所示，溫度傳感器檢測(cè)到上升邊沿信號(hào)，等待16～60 μs，通過(guò)將總線拉低60～240 μs來(lái)發(fā)送一個(gè)存在脈沖。主設(shè)備通過(guò)寫時(shí)段向溫度傳感器寫入數(shù)據(jù)，通過(guò)讀時(shí)段讀出數(shù)據(jù)，每個(gè)寫時(shí)段至少需要60 μs的持續(xù)時(shí)間，且每次只能傳送一位數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于傳統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有測(cè)溫點(diǎn)少，系統(tǒng)兼容性及擴(kuò)展性較差的缺點(diǎn)，本文運(yùn)用分布式通信的思想，設(shè)計(jì)一種用于大規(guī)模多點(diǎn)測(cè)溫的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用RS-232串行通訊標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)下位機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)溫度采集，溫度信號(hào)數(shù)據(jù)既可以送回上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，也可以由下位機(jī)模塊實(shí)時(shí)顯示，具有成本低、速度快、擴(kuò)展性好的特點(diǎn)。

[1] 薛亮,馮鵬飛,張繼飛.基于WSN和GPRS的糧庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2016,35(12):87-90.

[2] 李長(zhǎng)才,肖金球,張少華.基于 nRF24 L01的無(wú)線多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2016,39(6):94-97.

[3] 孫亮.基于AT89S52單片機(jī)的溫度檢測(cè)與保護(hù)電路設(shè)計(jì)[J].電子科技,2013,26(12):70-71.

[4] 林吉海.電路及單片機(jī)設(shè)計(jì)仿真理論與探究[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2013.

[5] 孫毅剛,何進(jìn).基于LabVIEW的高精度多通道溫度測(cè)量系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2017(1):96-100.

[6] 李剛,林凌.傳感器及其接口電路應(yīng)用300問(wèn)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2015.

[7] 程國(guó)鋼,陳躍琴,崔荔蒙.51單片機(jī)典型模塊開發(fā)查詢手冊(cè)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

[8] 孔慶光.基于DS18B20多點(diǎn)無(wú)線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].寧德師范學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,25(1):55-59.

[9] 李艷紅,李海華,楊玉蓓.傳感器原理及實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2016.

[10] 敖邦乾,劉智權(quán),鄒江,等.一種多點(diǎn)無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警及調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2016, 39(18):57-60.

[11] 吳建平.傳傳感器原理及應(yīng)用[M].3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2016.

[12] 劉同法.單片機(jī)外圍接口電路與工程實(shí)踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009.

[13] 王魁漢.溫度測(cè)量實(shí)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[14] 李全利.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社,2014.

[15] 鄭恭明,陳志方,武洪濤.基于MAX232的正負(fù)電源設(shè)計(jì)[J].儀器儀表與分析監(jiān)測(cè),2012(1):23-25.