基于DS18B20的多路温度监测系统设计与仿真

摘要：提出一种基于DS18B20和AT89C51的多路温度监测系统，详细介绍了系统的硬软件设计。该设计通过DS18B20单总线结构与单片机多路并行输入相结合的硬件改进方式，克服了DS18B20采用单总线结构时温度数据读取慢、单总线驱动能力不足的问题，实现了多路温度实时快速读取和巡回监测。该系统还具有超温报警，与上位机通讯等功能。最后，利用Proteus与Keil C51软件联合仿真实现了设计的仿真调试。
关键词：温度监测；DS18B20；单总线；AT89C51；Proteus

0 引言
    在实时温度监控系统中，如大棚温度监控、冷库测温、智能建筑温度控制等系统中，经常需要进行多路温度的采集和检测。快速、可靠地采集到高精度温度数据可为控制系统的工作提供可靠的依据。传统上，温度测量方法多以热敏电阻、热电偶等为温度敏感元件，但都存在可靠性差、精度低、需A／D转换以及线路复杂等的缺点。本文提出采用美国Dalias公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20和AT89C51单片机构成高精度的多路温度监测系统，在单片机的控制下巡回监测多路温度，高低温度超限报警，并可实现与上位机通讯等功能。

1 DS18B20简介
    DS18B20是Dalias公司推出的1-Wire式单总线智能数字温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，温度测量范围为-55～125℃；可通过编程实现9～12位的转换精度，对应的可分辨温度分别为0．5℃，0．25℃，0．125℃和0．062 5℃，可满足高精度设计要求；在9位分辨率时最多在93．75 ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750 ms内把温度值转换为数字；电源供电范围3．0～5．5 V；读取或写入信息到DS18B20仅需要单总线接口(即将地址线、数据线、控制线合成一条信号线)；测量结果直接输出数字温度信号，串行传送给CPU同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；使用DS18B20可使系统结构简洁，可靠性更高。以上特性使得DS18B20非常适用于构建高精度的多路温度采集与检测系统。

2 硬件电路设计
    系统原理框图如图1所示，系统由多片DS18B20、AT89C51单片机、LED驱动显示电路、温度上下限设定电路、报警提示电路、串行通信接口、时钟电路、复位电路等构成。

    系统采用8片DS18B20构成温度采集电路，8片DS18B20采用单总线与并行输入相结合的方式接至单片机的P1口。单片机巡回采集各路DS18 B20送来的温度信息后，通过软件设计算法，将处理后的温度信息及相应的温度路数通过LED数码管显示出来，各路温度值的上下限可通过P3．2～P3．4独立式键盘进行设定。若某路超过温度设定的上下限将进行通过P3．5或P3．6进行报警提示。此外，可通过串行口RS 232模块将各路温度数据送上位机处理。系统采用Proteus仿真件设计的仿真电路如图2所示，此时LED显示的是第3路温度值。

2．1 测温电路设计
    采用8片DS18B20组成多路测温电路。DS18B20内部均有一个全球惟一的64位产品序列号，单片机通过序列号可对一条总线上的多路DS18 B20进行控制，读取其温度。但DS18B20仅由单总线采集多路温度数据时，软件设计算法复杂，读取速度慢，无法适用于实时性要求高的测温场合。特别是当单总线上挂接的DS18B20传感器个数大于8个时，采用寄生电源供电方式亦存在总线驱动能力不足等问题。为此，本设计采用“单总线结构+并行I／O口输入”相结合的方式，实时巡回采集多路DS18B20的温度信息。具体做法是：硬件上将8片DS18B20的单总线分别连到单片机的并行P1口引脚，同时各片DS18B20的电源端采用外部电源供电方式，且每个单总线另接一个4．7 kΩ的上拉电阻到5 V电源以保证达到足够的工作电流；软件上读取多路温度与读取单路温度的操作类似，不需读取读出所用DS18B20的序列号，而只需通过参数传递来循环读取各路温度数据(软件设计中介绍)。
2．2 键盘与LED显示电路设计
    LED显示电路设计：P0口输出显示代码经74LS245驱动后接到8位LED数码管的段选线，P2口输出接到LED的位选线。正常情况下，8位LED数码管用于循环显示通道号及该通道的温度值。
    键盘输入设计：采用独立式键盘P3．2～P3．4用来修改温度报警的上限与下限值。系统默认的温度报警上限为50℃，下限为-10℃。系统上电后，LED数码管将先后显示温度报警上／下限值。若按P3．2键报警值加1；若按P3．3键报警值减1；P3．4为确定键，用于保存修改值。
    此外，当系统检测到当前通道温度值超过设定的上、下限时，将通过P3．6，P3．7进行闪光报警提示。
2．3 串行通信设计
    检测系统可通过串行口与上位机进行通信，向上位机传送温度值及相应的通道号。实物中通过RS 232串行接口与上位机连接，上位机的控制界面由VB 6．0编写。当运行Proteus软件时，可以从虚拟终端看到上位机接收到的8个通道的温度数据及相应的通道号。

3 软件设计
3．1 软件总体设计
    如图3所示，系统上电复位后，程序主要包括：

    (1)系统初始化设置。
    (2)按键处理子程序：LED数码管显示上限报警温度值并闪烁，若10 s中之内有按键输入修改温度值，则进行键盘操作直至修改完成，并保存温度上限值；若10 s之内无按键输入或按P3．4“确定”键，则保存上限温度；接着显示下限报警温度值并闪烁，重复上述操作后保存下限报警温度值。
    (3)温度报警值设置子程序：实现将8路的报警温度写入DS18B20中，流程图详见图4所示。
    (4)读取温度子程序：在对显示路数初始化后，进行温度值读取，这是软件设计的关键，下面将单独介绍。
    (5)温度报警处理：读取某路DS18B20温度值及报警上下限值后，进行比较，若超出范围则启动定时器0，驱动上／下限报警提示单元。
    (6)显示当前通道温度子程序：取得当前通道号后，根据读取的2字节温度值(温度暂存器格式参考DS18B20技术手册)，判断其符号位并分别读取其整数部分和小数部分，通过运算后保存到显示缓冲区，进行动态显示，并刷新显示若干时间。
    (7)上位机通信子程序：每采集一路温度数据，通过RS 232串口，将其通道号、温度值发送给上位机，完成相应通道的温度数据采集处理。
    (8)循环修改：修改通道号，进行下一路温度数据采集，直至8路温度处理完成，如此循环往复。
3．2 读取温度子程序设计
    采用DS18B20进行单路测量时，可直接与单片机相连，不需读取读出器件的64位产品序列号。当采用DS18B20进行多路测温时，在初始化操作后，通常的做法是需要在线逐个地搜索64位ROM编码以确认各个DS18B20所在位置，并需对ROM编码进行冗余校验，算法设计复杂。且等待多路搜索是否完成需要消耗大量的时间，使程序执行的效率和系统实时性受到了影响。
    本设计采用“单总线结构+并行I／O口输入”结合的方式巡回读取多路温度。DS18B20作为单总线芯片，进行信息交换时有严格的读／写时序要求。读取温度子程序流程如图5所示。首先通过参数传递将通道号传给读取温度子程序，接着对DS18B20进行初始化，然后直接执行跳过ROM命令(CCH)，即不读取64位ROM编码而直接向DS18B20发出功能命令，节约了时间。之后，再向DS18B20发送温度转换命令(44H)，DS18B20启动温度采样与A／D转换，并将转换数据存储在暂存器中。
    然后再次初始化DS18B20，并在再一次跳过ROM命令后，执行单片机读暂存器命令(BEH)，根据传递参数确定的通道号，可将通道号对应的DS18B20高速暂存存储器的9个字节数据读入单片机中，其中第0，1字节分别是温度值低位(LS byte)和高位(MS byte)，第2，3字节分别是高温限值(TH)和低温限值(TL)，从而完成某通道DS18B20的温度采集。
3．3 软件设计流程
    软件设计流程如图4，图5所示。

4 Keil C51与Proteus联合仿真
    软件采用C语言编程，在Keil C51集成开发环境下将编写的程序进行编译、调试，并生成目标文件(XX．hex)。同时利用嵌入式仿真软件Proteus绘制出电路仿真原理图，CPU选择AT89C51。双击AT89C51，在出现的对话框中的“Program file”加入已生成的XX．hex文件，并进行仿真调试，调试成功则可以修改温度报警值，及在正常运行时看到循环显示所采集到的温度值、通道号，仿真效果图如图6所示。

5 结语
    本设计以Proteus仿真软件作为开发工具，以AT89C51单片机作为控制核心，使用DS18B20芯片作为温度传感器，加上适当的外围电路，组成了多路温度巡回监测系统。与传统温度传感器相比，可直接输出数字信号而不必考虑A／D转换问题，抗干扰能力与可靠性大大提升。同时，采用单总线与多路并行输入相结合的方法，克服了DS18B20传统上采用单总线结构时所存在的问题，实现多路温度实时读取、巡回监测、与上位机通信等功能，且系统具有结构简洁、精度高、适应性强、维护方便等优点，在多路温度采集与监测领域中有很好的实用价值。