一種基于DS18B20的溫度采集系統設計

王 響,白金柯,王志鵬

(1.許繼電氣股份有限公司 河南 許昌461000；2.河南化工職業學院 河南 鄭州450042)

一種基于DS18B20的溫度采集系統設計

王 響1,白金柯2,王志鵬1

(1.許繼電氣股份有限公司 河南 許昌461000；2.河南化工職業學院 河南 鄭州450042)

設計了一種溫度采集系統,以單片機AT89C51為控制核心,由一線式數字溫度傳感器DS18B20對溫度進行信號采樣,以數字信號的形式由單片機讀取,并通過LED實時顯示溫度。采用模塊化結構進行軟件設計,程序的邏輯關系十分清晰,降低了硬件設計的復雜性。

單片機；DS18B20；溫度采集；傳感器

近年來,隨著自動測試技術、計算機技術和微電子技術的迅猛發展,在溫度測量領域,開發出一種新型的將數字電路和溫度傳感器集成在一起的數字式溫度傳感器。在數字式溫度傳感器的內部一般包含有溫度傳感器、接口電路、存儲器（或寄存器）、信號處理器和A/D轉換器。與傳統的模擬溫度傳感器相比,數字式溫度傳感器在器件微小化、抗干擾能力、可靠性、分辨率以及精度方面都具有明顯的優點,此外,其輸出的溫度數據以及相關的溫度控制量能夠與各種微處理器相適配［1-2］。

1 硬件設計

1.1 溫度傳感器

該系統的溫度采樣元件采用DALLAS半導體公司生產的一線式數字溫度傳感器DS18B20,微處理器僅需要1條端口線即可實現與DS18B20的雙向通信。DS18B20采用僅有3只引腳的小體積封裝形式TO-92,包括共用地線、外供電源線和單線數據傳輸總線端口。DS18B20可提供兩種不同的供電方式:一種是外部供電方式,外供電源線接+5 V,此種供電方式設計簡單,在較短的時間內就能完成溫度測量；另一種為數據線供電方式,要求外供電源線接地,數據線需用單片機的一個I/O口來實現上拉,空閑時通過內部電容從數據線獲取能量,此種供電方式設計較復雜,完成溫度轉換的時間也相對較長［3-6］。選擇一線式數字溫度傳感器DS18B20的主要原因有以下幾個方面:

1）系統的特性方面,溫度測量范圍在-55～+125℃之間,且在-10～+85℃溫度范圍內可滿足±0.5℃的最低精度,溫度A/D轉換精度可編程為9～12位,溫度轉換值能夠以16位二進制碼的格式直接串行輸出,完成12位高精度轉換的最大時間需要750 ms,通過選擇數據線供電方式,可以超低功耗工作。

2）系統復雜程度方面,因為DS18B20是采用單總線控制技術的器件,接口時僅需占用微處理器的其中一個I/O口,并且一條數據總線上可以同時連接幾十個相同器件,測溫時不需要其他任何外部元件,所以與傳統的模擬傳感器相比,接線的數量大大減少,系統的復雜程度大大降低,工程施工量也相應減少。

3）系統的調試和維護方面,系統接口由于引線的減少而大大簡化,系統調試更加便利,同時由于DS18B20屬于全數字元器件,其故障率非常低且抗干擾性很強,因此系統的日常維護工作輕松許多。

4）系統成本方面,隨著微電子技術和計算機技術的迅猛發展,集成電路的功能不僅越來越強大,其體積也變得越來越小,且價格也越來越便宜。

1.2 電路原理

本系統采用AT89C51單片機作為控制核心,AT89C51是一種帶有4 K字節FLASH閃速存儲器的低電壓、高性能8位CMOS微處理器,帶有128字節的內部RAM、2個16位定時/計數器、32個I/O口、1個5向量兩級中斷結構、片內振蕩器及時鐘電路。此外,AT89C51能夠降至0 Hz的靜態邏輯操作,可以支持軟件可選的兩種節電工作模式。處于空閑工作模式時,CPU停止工作,但允許RAM、定時/計數器和中斷系統繼續工作。

電路原理圖如圖1所示,DS18B20的供電方式采用外部電源,數據線通過一個 4.7 kΩ的上拉電阻接在單片機AT89C51的P1.7口,其他2只管腳分別對應接電源和地,此方式安全可靠且編程簡單。

圖1 電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of circuit

溫度顯示采用四位七段共陽LED數碼管,間隔2 ms通過位選通信號P20、P21、P22、P23逐個點亮各個LED數碼管,實現溫度值的動態顯示,可顯示-55～+125℃溫度測量范圍。

2 軟件開發流程

2.1 主程序

主程序主要負責通過DS18B20讀取到的當前溫度測量值和溫度的實時顯示,由于DS18B20的12位精度的轉換時間約為750 ms,可以每隔1 s進行一次溫度測量,其程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖Fig.2 Flow chart of main routine

2.2 讀溫度子程序

讀溫度子程序的功能主要是從RAM中讀取9字節數據,同事還需進行CRC校驗,當校驗出錯時不再進行溫度數據的讀寫,其子程序流程圖如圖3所示。

圖3 讀溫度子程序流程圖Fig.3 Flow chart of temperature read subroutine

2.3 溫度轉換命令子程序

溫度轉換命令子程序的主要功能為發送溫度轉換開始命令,當設置為12位采樣分辨率時完成轉換時間約為750 ms,故本程序設計中使用顯示程序延時法來等待轉換完成,延時時間設為1 s,其子程序流程圖如圖4所示。

圖4 溫度轉換命令子程序流程圖Fig.4 Flow chart of temperature transmission command subroutine

2.4 計算溫度子程序

計算溫度子程序的功能是從RAM中讀取值數據并進行BCD碼轉換運算,還需要判定溫度值的正負,其子程序流程圖如圖5所示。

圖5 計算溫度子程序流程圖Fig.5 Flow chart of temperature calculation subroutine

2.5 顯示數據刷新子程序

顯示數據刷新子程序的功能是刷新顯示緩沖器中的顯示數據,當顯示最高位為0時需將符號顯示位移到下一位,其子程序流程圖如圖6所示。

圖6 顯示數據刷新子程序流程圖Fig.6 Flow chart of refreshing display data subroutine

3 結論

此設計基于DS18B20的溫度采集系統具有測溫精度高、占用口線少、結構簡單、連接方便、成本低等優點,但是硬件電路的簡潔是以犧牲軟件為代價的。由于DS18B20與單片機AT89C51之間采用串行數據傳送,所以,在對DS18B20進行讀寫操作時,必須保證嚴格的讀寫時序,否則將無法正確讀取測溫結果。

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Design of temperature acquisition system based on DS18B20

WANG Xiang1,BAI Jin-ke2,WANG Zhi-peng1
（1.XJ Electric Co.,Ltd,Xuchang 461000,China；2.Henan Vocational College of Chemical Technology,Zhengzhou 450042,China）

A temperature acquisition system with MCU AT89C51 as the control core is designed，by using the 1-wire digital temperature sensor DS18B20 to sample temperature signals which are read by the MCU in the form of digital signal and displayed through the LED.Using the software design of modular structure makes the logic of the program very clear and reduces the complexity of hardware design.

MCU；DS18B20；temperature acquisition；sensor

TN86

：A

：1674-6236（2015）18-0090-03

2014-10-26稿件編號：201410195

王 響（1982—）,女,河南商水人,工程師。研究方向:智能控制。