Design of a New Multiple Temperature Measurement System

ZHOU Xingwei, YUAN Yifang

(College of Optical and Electronics Engineering, University of Shangh ai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

　　Key words: temperature sensor; DS18B20; temperature measuring sy stem

1溫度傳感器DS18B20介紹
　　DALLAS公司單線數字溫度傳感器DS18B20是一種新的“一線器件”，它具有體積小、適用電壓寬等特點。一線總線獨特而且經濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網絡，為測量系統的構建引入全新概念。DS18B20支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內，精度為±0.5℃；通過編程可實現9～12位的數字值讀數方式；可以分別在93.75ms和750ms內將溫度值轉化為9位和12位的數字量。每個DS18B20具有唯一的64位長序列號，存放于DS18B20內部ROM只讀存儲器中。
　　DS18B20溫度傳感器的內部存儲器包括1個高速暫存RAM和1個非易失性的電可擦除E2RAM，后者存放高溫度和低溫度觸發器TH、TL和結構寄存器。暫存存儲器包含了8個連續字節，前2字節為測得的溫度信息，第1個字節為溫度的低8位，第2個字節為溫度的高8位。高8位中，前4位表示溫度的正(全“0”)與負(全“1”)；第3個字節和第4個字節為TH、TL的易失性拷貝；第5個字節是結構寄存器的易失性拷貝，此三個字節內容在每次上電復位時被刷新；第6、7、8個字節用于內部計算；第9個字節為冗余檢驗字節。所以，讀取溫度信息字節中的內容，可以相應地轉化為對應的溫度值。表1列出了溫度與溫度字節間的對應關系。

　　系統分為現場溫度數據采集和上位監控PC兩部分。圖1為系統的結構圖。需要指出的是，下位機可以脫離上位PC機而獨立工作。增加上位機的目的在于能夠更方便地遠離現場實現監控、管理。現場溫度采集部分采用8051單片機作為中央處理器，在P1.0口掛接10個DS18B20傳感器，對10個點的溫度進行檢測。非易失性RAM用作系統溫度采集及運行參數等的緩沖區。上位PC機通過RS485通信接口與現場單片微處理器通信，對系統進行全面的管理和控制，可完成數據記錄，打印報表等工作。

2.1DS18B20與單片機的接口電路
　　DS18B20與8051單片機連接非常簡單，只需將DS18B20信號線與單片機一位I/O線相連，且一位I/O線可連接多個DS18B20，以實現單點或多點溫度測量。DS18B20可以通過2種方式供電：外加電源方式和寄生電源方式。前者需要外加電源，電源的正負極分別與DS18B20的VDD和GND相連接。后者采用寄生電源，將DS18B20的VDD與GND接在一起，當總線上出現高電平時，上拉電阻提供電源；當總線低電平時，內部電容供電。由于采用外加電源方式更能增強DS18B20的抗干擾性，故本設計采用這種方式。在實際應用中，傳感器與單片機的距離往往在幾十米到幾百米，傳輸線的寄生電容對DS18B20的操作也有一定的影響，所以往往在接口的地方稍加改動，以增加芯片的驅動能力和減少傳輸線電容效應帶來的影響，達到遠距離傳輸的目的。
2.2鍵盤及顯示
　　鍵盤通過編程設置可完成以下功能：對溫度值進行標定，定時顯示各路的溫度值，單獨顯示某路的溫度值，給每一路設定上下限報警值等。LED則可為用戶提供直觀的視覺信息。在工作現場，用戶可通過6位LED的顯示數據來確定系統的當前工作狀態以及采樣的溫度值信息等。
2.3報警電路
　　當被測溫度值超過預先設定的上下限時，報警電路作出響應，蜂鳴器發出響聲，告知用戶溫度的異常。具體哪一個傳感器溫度值超限，可由軟件查詢各DS18B20內部告警標志而確定，繼而調整該現場溫度，以達到對溫度波動的控制。

3.1下位機軟件
　　系統下位測溫部分軟件采用MCS51匯編語言編寫，主要完成對DS18B20的讀寫操作，實現實時數據的采集，并獲取最終溫度值送至單片機內存。但需要注意的是，由于DS18B20的單總線方式，數據的讀寫都占用同一根線，所以每一種操作都必須嚴格按照時序進行。圖2為測溫子系統流程圖。單片機首先發送復位脈沖，該脈沖使信號線上所有的DS18B20芯片都被復位，接著發送ROM操作命令，使得序列號編碼匹配的DS18B20被激活。被激活后的DS18B20進入接收內存訪問命令狀態，內存訪問命令完成溫度轉換、讀取等工作(單總線在ROM命令發送之前存儲命令和控制命令不起作用)。
3.2上位機軟件
　　系統上位機的軟件采用VC++6.0編寫。主要完成的功能包括：與下位單片微機的實時通信；模擬顯示各采集點溫度曲線；保存各測溫點溫度數據；統計各采集點平均溫度值；打印各點溫度統計報表等。

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　　本系統具有如下特點：
　　a.結構簡單，成本低廉，維護方便。
　　b.直接將溫度數據進行編碼，可以只使用單根電纜傳輸溫度數據，通信方便，傳輸距離遠且抗干擾性強。
　　c.配置靈活、方便、易于擴展。可擴展多路下位溫度采集子系統，將它們通過RS485與上位PC機組網，形成多點溫度采集網絡。也可在各子系統中有選擇性地增減溫度傳感器。
　　d.工作穩定，測溫精度高。實驗表明，在長達200m的一位總線上掛接24個DS18B20溫度傳感器，系統可正確地進行溫度采集，分辨率為0.5℃。
　　e.適合于惡劣環境的現場溫度測量，如：環境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產品等。在大范圍溫度多點監控系統中具有十分誘人的應用前景。