基于單總線的小環境溫度監測系統研究

鄒顯圣

（大連職業技術學院，遼寧大連 116037）

小環境溫度監測在各種不同類型的精密儀器間、倉庫中有著廣泛的應用。但目前多數精密儀器間、倉庫溫度的管理水平仍然停留在人工監測、人工記錄數據、人工控制的較低水平，往往無法做到實時自動控制，離無人值守的自動化水平還有較大的差距［1］。為此，針對小環境溫度控制的發展現狀和事實，開發了一套基于AT89C51單片機和單總線技術的通用型溫度監測系統。該系統的溫度傳感器采用Dallas公司的DS18B20數字式溫度傳感器。利用計算機技術實現對小環境溫度的智能化監測，符合溫度自動化控制的發展趨勢［2］。

1 單總線技術

單總線（1－Wire）是美國Dallas Semiconductor公司的一項專利技術。與目前廣泛使用的其他串行數據總線（如I2C總線、SPI總線等）不同，它采用單根信號線完成數據的雙向傳輸，并同時通過該信號線為單總線器件提供電源，具有節省I/O引腳資源、結構簡單、成本低廉、便于總線擴展和維護等諸多優點。它將地址線、數據線、控制線合為一根信號線，設備（主機或從機）通過一個漏極開路或三態端口連至該數據線，以允許設備在不發送數據時能夠釋放總線，而讓其他設備使用總線。其內部等效電路如圖1所示［3］。單總線通常要求外接一個約為4．7 kΩ的上拉電阻，這樣，當總線閑置時，其狀態為高電平。主機和從機之間的通信可通過3個步驟完成，分別為初始化1－Wire器件、識別1－Wire器件和交換數據。由于它們是主從結構，只有主機呼叫從機時，從機才能應答，因此主機訪問1－Wire器件都必須嚴格遵循單總線命令序列，即初始化、ROM命令、功能命令。如果出現序列混亂，1－Wire器件將不響應主機（搜索ROM命令，報警搜索命令除外）［4］。

單總線器件通常采用3引腳TO－92封裝，外形類似于小功率三極管。在3個引腳中有1個公共地端、1個數據輸入/輸出端和1個電源端，這個電源端可以為單總線器件提供電源，從而免除總線集中饋電。對于大多數采用總線集中供電的單總線器件，等效于在各器件內部有1個5 mA的恒流電源，從而使得單總線器件功耗較低。單總線技術允許在這根信號線上掛上百個由Dallas公司提供的芯片作為控制對象。單總線器件的最基本特點就是每個器件都有1個采用激光刻制的序列號。該序列號是由64位二進制數組成的識別碼，其中包括8位單總線芯片的分類碼（Family Code）、48位標識器件本身的序列號（Serial Number）和8位循環校驗碼（CRC Code），如圖2所示［5］。

2 數字式溫度傳感器DS18B20的功能結構

DS18B20是美國Dallas公司生產的單總線數字式溫度傳感器，如圖3所示。具有結構簡單，操作靈活，無需外接電路的優點。在使用過程中，可由一根I/O數據線既供電又傳輸數據，并可由用戶設置溫度報警界限，被廣泛應用于精密儀器間、存儲倉庫等需要測量和控制溫度的地方［6］。

DS18B20測溫范圍為－55℃～125℃，在－10℃ ～85℃范圍內保持±0.5℃的精度;可編程的分辨率為9～12位，對應的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.062 5℃，可實現高精度測溫［7］。此外，傳感器內部還具有掉電數據不丟失的可擦寫存儲單元，可用該單元存儲設定的報警溫度值;DS18B20支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯在唯一的三線上，實現組網多點測溫。

DS18B20內部結構如圖4所示，主要由4部分組成:64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器。光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現一根總線上掛接多個DS18B20的目的［8］。

由于溫度傳感器采用數字輸出形式，故不需要A/D轉換器。

3 溫度監測系統硬件電路及原理

為了適應對多個監測點的監測與管理，系統設計時采用了分布式系統的組成方式。從機由1個上位機進行監測管理;上下采用主從式監測管理形式。

溫度監測系統的硬件電路主要包括溫度信號采集、單片機數據處理、報警電路和與上位機通信4部分組成。其中溫度信號采集選用了智能傳感器DS18B20，單片機選用AT89C51，報警電路選用了聲光報警。電路整體方案圖如圖5所示。

系統的各個部分功能為:主機為管理機，完成參數設置、數據存儲、處理及管理功能;從機為控制機，采用單片機AT89C51，直接實現對溫度的監測功能，并能在主機關機的條件下實現所有的監測功能;從機與主控機的通信采用RS－232數據通信方式。主機通過其向從機發送控制參數，從機將現場采集數據通過其傳給主機;數據采集實現對傳感器及運行設備的監測;輸入部分的輸入模塊將采集的信號轉換后輸入到從機，經數據線將該信號傳送到上位管理機進行最后的數據的處理。

系統以AT89C51單片機為核心，可對16個測點的溫度進行監測。測量所得到的溫度值存儲在非易失性RAM芯片DS1230Y中，AT89C51同時可以通過RS－232串行接口將數據集中上傳到監控中心的PC機進行存檔、分析。監測系統將不間斷對下屬的各個節點進行巡檢，并將溫度值間隔一段時間進行一次存儲，對于出現了溫度異常的時刻及溫度數值立即進行存儲，并發出聲光報警信號。當監控中心從監測系統讀取測量數據時，監測系統將記錄的數據上傳給監控中心。

圖5中，蜂鳴器B1用于在溫度超出設定值范圍時提供聲音報警。它由單片機的 P1．1引腳控制，當P1.1引腳被置為低電平時，蜂鳴器鳴叫。發光二極管DS1用于在溫度超出設定范圍時提供閃爍的光報警信號。它由單片機的P1．0引腳控制，當P1．0引腳被置為低電平時，發光二極管 DS1處于閃爍狀態。DS1230Y是Dallas公司生產的非易失性RAM存儲器，存儲容量為32 kB。將地址線A15用于DS1230Y的片選，這樣得到DS1230Y的地址范圍是0000H～7FFFH。CN2插座用于連接數字溫度傳感器DS18B20，監測系統可連接的16個測點都并行連接在從CN2引出去的3個接線端子上，用于DS18B20數據輸入/輸出的I/O端口DQ連接到單片機的P1．2引腳。

4 溫度監測系統軟件設計

4．1 主程序設計

在單總線系統中，軟件設計是技術的關鍵。簡單的硬件配置是靠復雜的軟件來支撐的。在溫度監測系統的軟件設計過程中，采用了模塊化的設計思想，利用C51語言進行程序設計。主程序流程圖如圖6所示［9］。

4．2 數字溫度傳感器DS18B20序號的獲取子程序

4．3 讀取DS18B20數據子程序

4．4 向DS18B20寫入TH、TL及配置寄存器數據子程序

5 計算溫度平均值的主要算法

采用滑動平均算法計算各個區域的溫度平均值。滑動平均算法:采用隊列作為測量數據存儲器，隊列長度固定為16，每進行一次新的測量，就把測量結果放在隊尾，而去掉原來隊首的1個數據，使隊列中始終有16個新數據。只要把隊列中的16個數據進行算術平均，就可得到新的算術平均值。這樣，每進行一次測量，就可以計算出1個新的算術平均值。若系統中連接有16個傳感器即有16個采樣點，則各去掉最大和最小的各2點，對余下的12個點再求平均值。

設采樣值按大小順序排序后為x1＜x2＜…＜x15＜x16，則實時計算的各個區域溫度平均值ˉY為

實驗證明:這種算法效果好，速度快，完全可以用于系統計算平均值［10］。

6 結語

該監測系統是為較小面積的精密儀器實驗室、倉庫、工作間而設計，所以在軟、硬件的設計上僅僅預留了16個測點。但該系統采用了完全模塊化的設計思想，并為眾多監測系統的組網使用提供了接口，使得該監測系統既可以作為一個獨立的小系統運行，也可以作為大型監控系統的一個子系統運行，具有較強的靈活性。

［1］楊金巖，鄭應強，張振仁．8051單片機數據傳輸接口擴展技術與應用實例［M］．北京:人民郵電出版社，2005．

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［4］鄒顯圣．單片機原理與應用項目式教程［M］．北京:機械工業出版社，2010．

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