基于數(shù)字溫度傳感器的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用（上）

蔡志軍

(廣東中質(zhì)檢測(cè)技術(shù)有限公司 廣東廣州 510663)

1 前言

在微機(jī)及其傳感技術(shù)領(lǐng)域，近年來(lái)出現(xiàn)了一大批的新型器件和先進(jìn)技術(shù)，如帶有Flash存儲(chǔ)技術(shù)的單片微機(jī)，數(shù)字化的溫度傳感器件等。諸多的微機(jī)智能化控制及檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)皆采用熱電偶或熱敏電阻作為溫度敏感元件，其成本低，但需要后續(xù)信號(hào)處理電路，可靠性相對(duì)較差，系統(tǒng)的精度不高，且不易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

因而本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用了美國(guó)DALLAS推出的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器。它能夠直接讀出被測(cè)的溫度值并可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)相應(yīng)的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，可以在93.75ms～750ms內(nèi)將溫度值轉(zhuǎn)化9位和12位的數(shù)字量。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。采用單總線通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多至128通道的溫度點(diǎn)采集，特別適合一些要求較多溫度點(diǎn)測(cè)量的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室、高層建筑樓體溫度檢測(cè)、橋梁橋體溫度檢測(cè)等場(chǎng)合。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括以下模塊：

(1)由單片機(jī)89C51和新型數(shù)字溫度傳感器DS18B20組成的溫度采集模塊；

(2)由單片機(jī)89C51、輸出鎖存器74LS377和七段數(shù)碼管組成的溫度顯示模塊；

圖1 系統(tǒng)框圖

(3)下位單片機(jī)與PC機(jī)通信模塊；

(4)鍵盤(pán)輸入和發(fā)光LED、蜂鳴器模塊；

軟件部分的設(shè)計(jì)主要包括以下模塊：

(1)下位單片機(jī)匯編程序；

(2)上位PC機(jī)VB程序；

(3)RS232通信模塊程序；

以上模塊構(gòu)成了一個(gè)完整的具有溫度采集、LED顯示、鍵盤(pán)輸入、通信、數(shù)據(jù)庫(kù)處理、實(shí)時(shí)溫度曲線顯示、曲線打印等功能的溫度檢測(cè)系統(tǒng)。

下位溫度采集模塊以ATMEL系列單片機(jī)89C51和數(shù)字溫度傳感器DS18B20為核心；采用RS232串行總線接口與PC機(jī)通訊，配備有系統(tǒng)顯示、通訊、LED指示和蜂鳴器響音等，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)是否良好及測(cè)量值是否越限，及時(shí)以光信號(hào)和聲音信號(hào)形式告知檢測(cè)人員。

3 系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

4 溫度采集單元

4.1 原理與功能

主要完成各檢測(cè)點(diǎn)的溫度采集與處理。首先由數(shù)字溫度傳感器DS18B20將被測(cè)溫度直接轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的9到12位（最高位為符號(hào)位，即“1”為正溫度，“2”為負(fù)溫度）二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，并存儲(chǔ)于DS18B20的溫度寄存器中。單片機(jī)89C51向總線發(fā)出某位DS18B20的匹配命令，該位DS18B20響應(yīng)并發(fā)回響應(yīng)脈沖，其他DS18B20不響應(yīng)。單片機(jī)發(fā)出啟動(dòng)DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換命令，接著單片機(jī)發(fā)出讀溫度命令信號(hào)時(shí)，DS18B20將溫度寄存器中的數(shù)字溫度值按串行傳送方式傳到單總線中，由單片機(jī)89C51按單總線通信協(xié)議規(guī)定的時(shí)序進(jìn)行接收并進(jìn)行相應(yīng)處理后，將溫度分整數(shù)位和小數(shù)位存放于單片機(jī)的RAM中，以供顯示和向上位PC機(jī)傳送。如此循環(huán)，可將所有的數(shù)字溫度傳感器的溫度值讀取到單片機(jī)的相應(yīng)的RAM單元中。具體的有關(guān)DS18B20的結(jié)構(gòu)及原理功能參見(jiàn)DALLAS的DS18B20技術(shù)規(guī)格書(shū)。

圖2 原理框圖

4.2 原理框圖（見(jiàn)圖2）

4.3 數(shù)據(jù)I/O接口

采用89C51的P1.2口作為數(shù)據(jù)線接口與DS18B20進(jìn)行通信。另采用三線通信制，即VCC、GND、DATA三線（可采用數(shù)據(jù)線供電方式）。

4.4 硬件電路

4.4.1 溫度采集電路

如圖3所示。溫度采集電路以單片機(jī)89C51為核心，采用上電復(fù)位方式。利用DS18B20數(shù)字溫度傳感器的1-WIRE總線技術(shù)，以89C51的P1.2口作為溫度數(shù)據(jù)線接口，在該單總線上并聯(lián)多個(gè)溫度傳感器。為了提高DS18B20的信號(hào)輸送的穩(wěn)定性，采用了直接電源供電方式，而不采用從數(shù)據(jù)線上取電的方式。因而，DS18B20與89C51的通信為三線制（VCC、GND、DATA），傳輸線采用普通的三芯線。89C51的每個(gè)I/O口均可接多達(dá)8個(gè)溫度傳感器，因而系統(tǒng)最多可接多達(dá)2×8×8=128個(gè)溫度采集通道，本系統(tǒng)只掛了6個(gè)溫度傳感器，若要增加到128個(gè)通道，則只須將溫度傳感器掛到89C51的P1口和P2口即可，另軟件需作一些改變，以配合硬件電路。

若要擴(kuò)大通道數(shù)目，則可通過(guò)擴(kuò)展89C51的I/O口，或在每條單總線上增加溫度傳感器的數(shù)目，但當(dāng)單總線上所掛DS18B20超過(guò)8個(gè)或進(jìn)行長(zhǎng)距離通信時(shí)要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問(wèn)題。

圖3 溫度采集電路

5 溫度顯示與控制單元

5.1 原理與功能

本模塊的設(shè)計(jì)采取了下位單片機(jī)系統(tǒng)與上位PC機(jī)同步顯示的方式，以便更容易觀測(cè)到所檢測(cè)溫度點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度值。下位單片機(jī)系統(tǒng)用六位LED數(shù)碼顯示，可顯示各點(diǎn)溫度傳感器的實(shí)時(shí)溫度測(cè)量值T ，以及顯示上、中、下三個(gè)不同的系統(tǒng)溫度設(shè)定值T上、T中、T下。上位PC機(jī)則用VB編程界面進(jìn)行顯示，并具有實(shí)時(shí)溫度曲線顯示功能。

下位機(jī)的LED數(shù)碼管采用了動(dòng)態(tài)顯示方式，以簡(jiǎn)化硬件電路，節(jié)約成本，同時(shí)又不影響顯示效果。

另系統(tǒng)具有溫度限值設(shè)定功能，檢測(cè)員可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，用選擇鍵K1和參數(shù)設(shè)定鍵K2(＋)、K3(－)來(lái)設(shè)定T上、T下限溫度值。用K4鍵來(lái)啟/停測(cè)控系統(tǒng)。

5.2 原理框圖（見(jiàn)圖4）

5.3 數(shù)據(jù)I/O接口

P0口：七段數(shù)碼LED數(shù)據(jù)口

P2口：鍵盤(pán)輸入

5.4 硬件電路

5.4.1 溫度顯示電路

主要采用了動(dòng)態(tài)顯示原理，由于單片機(jī)的P0口為8位的I/O口，因而某一時(shí)刻只能點(diǎn)亮一個(gè)LED數(shù)碼管，同時(shí)單片機(jī)的I/O口的驅(qū)動(dòng)電流不夠大，所以必須加輸出鎖存器74LS377，89C51將顯示字符從P0口送出，經(jīng)74LS377鎖存后點(diǎn)亮相應(yīng)的LED數(shù)碼管。用另一片的74LS377控制LED數(shù)碼管的選通位，從而逐位點(diǎn)亮各個(gè)LED數(shù)碼管，由于顯示刷新的時(shí)間很短，大約為20ms，因而人感覺(jué)不到其是逐位顯示的，即實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)顯示。

圖4 原理框圖

圖5 鍵盤(pán)輸入電路

圖6 傳感器和溫度選擇順序

圖7 系統(tǒng)報(bào)警電路

圖8 單片機(jī)89C51與PC機(jī)通信接線

圖9 通信硬件電路

圖10 通信協(xié)議格式

5.4.2 鍵盤(pán)輸入電路

本模塊中的鍵盤(pán)輸入電路(見(jiàn)圖5)采用了軟件去抖動(dòng)的方法，用一片輸入鎖存器74LS245對(duì)鍵輸入進(jìn)行鎖存，然后送到單片機(jī)的P0口，由軟件判別鍵值。其中各鍵的功能及操作順序如下：

K1為復(fù)合功能鍵（溫度傳感器選擇+上中下限切換），K2為加鍵，K3為減鍵，K4為系統(tǒng)運(yùn)行/停止鍵。當(dāng)K4沒(méi)按過(guò)時(shí)，按K1，此時(shí)進(jìn)行溫度傳感器的選擇，使相應(yīng)的溫度傳感器的實(shí)時(shí)溫度值在LED上顯示，其順序?yàn)閳D6（a）。

當(dāng)K4沒(méi)按過(guò)時(shí)，K2、K3不可用，在按下K4后，系統(tǒng)進(jìn)入溫度上下限值設(shè)定狀態(tài)，此時(shí)LED5閃爍，提示系統(tǒng)處于限值設(shè)定狀態(tài)。此時(shí)按K1鍵在上中下限狀態(tài)切換，其順序?yàn)閳D6（b）。

此時(shí)按K2或K3可在相應(yīng)的限值檔上設(shè)定溫度的上下限值，中限取其平均值，由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算。設(shè)定完畢后，按下K4鍵，系統(tǒng)返回溫度顯示狀態(tài)。

5.4.3 系統(tǒng)報(bào)警電路（見(jiàn)圖7）

主要利用單片機(jī)89C51的P1口直接驅(qū)動(dòng)LED和蜂鳴器，在檢測(cè)的溫度值超過(guò)設(shè)定的溫度上限時(shí)進(jìn)行響音提示以及燈光提示。

6 與PC機(jī)通信單元

6.1 通信硬件電路

下位單片機(jī)與上位PC機(jī)的通信采用了常用的RS232串行總線進(jìn)行通信。其中計(jì)算機(jī)的RS232的引腳定義如表1所示。

單片機(jī)89C51與PC機(jī)的通信的接線如圖8所示。

表1 RS232的引腳定義

6.2 通信協(xié)議設(shè)定

為了使下位單片機(jī)與上位PC機(jī)間能正確握手，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正常通信，因此必須設(shè)定相應(yīng)的通信協(xié)議。本系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)主要為6路的實(shí)測(cè)溫度值及相應(yīng)的溫度上下限設(shè)定值，共為14個(gè)字節(jié)。另加一個(gè)前導(dǎo)符，共為16個(gè)字節(jié)。其格式見(jiàn)圖10。

前導(dǎo)符定義為FFH，溫度的測(cè)量范圍為0—99℃

代表一個(gè)字節(jié)，每個(gè)溫度值由整數(shù)部分和小數(shù)部分組成。

串行口的通信協(xié)議為：

波特率：9600bps；奇偶校驗(yàn)：無(wú)；數(shù)據(jù)位：8；停止位：1

單片機(jī)的字符幀格式為：一個(gè)起始位（0）、8個(gè)數(shù)據(jù)位、一個(gè)停止位（1）。

(未完待續(xù))