DS18B20数字温度计的设计及在轧机轴承温度测控中应用

摘要：针对狭窄空间的轧钢机轴承的温度测量，设计一种基于温度传感器DS18B20的数字温度计，阐明了使用温度传感器DS18B20的必然性，简要介绍并给出了硬件电路和软件设计构思，通过现场实测，突破了传统温度传感器的应用，达到了预期效果。
关键词：单总线数字温度传感器，单片机，测温，控温

    温度是许多监控系统中的一个重要参数。对于轧钢机轴承温度的测量与控制是非常重要的。传统的温度计测量精度低，对于正在运转的轧钢机更没有办法测量。针对大型钢铁厂急需解决轧钢机轴承温度实时有效监测的瓶颈问题，轴承测温装置就应运而生了。温度传感器是选择的关键，有的采用热电偶、铂热电阻PT100，其输出与温度一般为非线性关系，需要做线性化处理。集成温度传感器AD590解决了传统温度传感器非线性的问题，但其输出的信号为模拟量，不能与单片机直接接口。这些传感器不能用于数字化温度测控，特别是用于狭窄空间的轧钢机轴承的温度数字化测量，更是无能为力。基于温度传感器DS18B20的单总线数字温度计能满足要求。
    新型数字化接口温度传感器DS18B20，是美国达拉斯公司生产的一种9位串行单总线多点温度传感器，从根本上克服了模拟传感器与单片机接口时需要A／D转换器和复杂的外围电路的弊端，由它和单片机组成的数字温度计，系统简单，仅占用单片机一个双向I／O线，可靠性高，抗干扰性强。

1 数字温度计的硬件设计
1．1 设计框图
    基于数字化接口的温度传感器DS18B20的数字温度计硬件框图，如图1所示。

1．2 AT89C2051单片机
    AT89C2051单片机是ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，双列直插封装为20引脚，比8051单片机更加节省空间。片内含2K bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128 bytes的随机数字存储器(RAM)。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术，兼容标准MCS-51指令系统，片内是用8位中央处理器和FLASH存储单元，功能强大的AT89C2051单片机更多应用到高性价比的场合。AT89C2051单片机有20个引脚，电源引脚2根，外接晶体振荡器引脚2根，复位引脚1根以及P1、P3口可编程I／O引脚15根。AT89C2051单片机的引脚图如图2所示。

    引脚功能简介：
    (1)主电源引脚(2根)
       VCC(Pin20)：电源输入，接+5 V电源
       GND(Pin10)：接地线
    (2)2外接晶振引脚(2根)
       XTAL1(Pin5)：片内振荡电路的输入端
       XTAL2(Pin4)：片内振荡电路的输出端
    (3)3控制引脚(1根)
       RST／VPP(Pin1)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位
    (4)可编程输入／输出引脚(15根)
       P1口：8位准双向I／O口线，P1．0～P1．7，共8根
       P3口：8位准双向I／O口线，P3．0～P3．5、P3．7，共7根
1．3 温度传感器DS18B20
    温度传感器在本设计中是关键器件。采用达拉斯公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20，它支持单总线接口，与AT89C2051连接时仅需一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通信。测温范围为-55℃～+125℃，在-10℃～85℃范围内，测温误差为±0．5℃。最大特点
是支持多点组网功能。多个DS18B20并联在一条供电和数据传输线上，可实现多点测温。工作电源为+5 V，封装类似于小型三极管，特别适用于各种狭窄空间设备数字测温和控制领域。
    温度传感器DS18B20主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警除法器TH和TL、配置寄存器。ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看做是DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。它的内部结构如图3所示。

    DS18B20管脚排列如图4所示。GND为电源地，DQ为数字信号输入／输出端，VDD为外接供电电源输入端。

1．4 键盘控制
    键盘由独立按键组成，控制AT89C2051复位以及控制温度实时显示等功能。采用低功耗设计，即温度显示一段时间后关闭数码管显示，直到按键按下后继续显示或设置显示时间，当在关闭显示的同时，发光二极管表示系统正运行在低功耗状态。
1．5 数字温度计的硬件电路
    数字温度计的硬件电路主要由DS18B20、AT89C2051、4位数码管LED等组成，如图5所示。

    硬件电路的核心控制单元，采用AT89C2051作为主控芯片，正常工作时需提供5 V的直流稳压电源。选择12 MHz晶振和30pf的电容，为AT89C2051正常工作产生必要的时钟脉冲信号。同时，使用22微法的电解电容及1 kΩ电阻组成自动上电复位电路，当系统接通电源后，单片机自动进行复位。
    单总线数字温度传感器DS18B20的DQ引脚输出的方波信号连接到AT89C2051的P3．4口线，实现被测温度信号输入，在软件中统计频率数值，4位数码管用于显示测量温度值，输出段码由AT89C2051的P1口输出，P3．0，P3．1，P3．2，P3．3是DS1，DS2，DS3，DS的选通信号，P3．7连接蜂鸣器和绿色发光二极管，当测量的温度超过“预设报警温度65℃”时，发出声光报警。
    DS18B20传感器的外保护套，用直径10 mm，长20 mm的紫铜，做成一端封闭的圆筒形，DS18B20顶端与内封闭面良好的接触，灌入环氧树脂，另一端安装三孔插座，以便三针测温电缆配合使用。将DS18B20放置在轧机轴承座内，可实现测温与控温目的。

2 数字温度计的软件设计
    采用AT89C2051作为主控芯片，把经过数字温度传感器DS18B20现场实时采集的温度数据，存入单片机内数据存储器，送数码管显示，并检阅是否有按键按下，来由单片机控制是否显示，进行温度检测和显示为设计应考虑下列问题：

    温度实时采集，精确显示温度，采用4位数码显示管LED显示当前温度，精确到0．01℃，定时器启动，设计显示持续时间，按键处理，判断按键然后显示温度。软件设计主要有：主程序、系统初始程序、温度采集子程序、显示子程序、键盘查询子程序、按键处理子程序、具体流程图如图6所示。

3 数字温度计在轧机轴承测温中的应用
    将封装好的DS18B20温度传感器嵌在轧机中，轴承座内开有盲孔，孔中固紧测温传感器，能实时监测轧机在运行过程中轧辊的轴承温度状况，可以有效地预防一些突发性情况造成轧辊过热而严重烧毁，当监测到的温度高于极限设定值时，及时报警，避免故障扩大，并采取有效措施，是确保轧机安全稳定运行的有效手段。

4 结束语
    该数字温度计研制成功后，经现场测试表明，可准确地检测到轴承运转过程中的温度及其变化，监测轴承运行状态，超温报警，避免了重大事故的发生，该数字温度计具有实用价值，值得推广。