江曉軍，王建軍，陳寶玉，王素娟（上海第二工業(yè)大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院，上海 201209）

基于DS18B20溫度傳感器的虛擬溫度指示系統(tǒng)

江曉軍，王建軍，陳寶玉，王素娟
（上海第二工業(yè)大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院，上海 201209）

設(shè)計(jì)了一種基于DS18B20溫度傳感器的虛擬溫度指示系統(tǒng)。該系統(tǒng)以數(shù)字溫度傳感器和單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集終端并以RS232作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路，利用以LabVIEW為平臺(tái)開發(fā)的溫度指示系統(tǒng)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)中照明光源的工作溫度進(jìn)行了監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)測量照明光源的工作溫度，同時(shí)也便于在圖形界面上觀察該工作溫度的變化。

溫度測量；DS18B20；單片機(jī)；LabVIEW

0 引言

隨著半導(dǎo)體工業(yè)、光學(xué)制造業(yè)和激光加工業(yè)的發(fā)展，光學(xué)檢測系統(tǒng)中廣泛采用了鹵素?zé)糇鳛檎彰鞴庠碵1-3]。然而，鹵素?zé)糸L期工作會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，這一現(xiàn)象影響著照明光源的使用壽命，嚴(yán)重的發(fā)熱現(xiàn)象還會(huì)導(dǎo)致照明光源工作異常，從而影響光學(xué)檢測系統(tǒng)的性能，因此監(jiān)測照明光源的工作溫度成為人們掌控照明光源性能的必然要求[4-5]。通常的測量方法是在照明光源處放置溫度計(jì)，但這種方法要求工作者不時(shí)地走近溫度計(jì)讀取數(shù)值，消耗了工作者大量的時(shí)間。本文研制了一種虛擬溫度指示系統(tǒng)，它采用DS18B20作為溫度傳感器，并用單片機(jī)對(duì)DS18B20進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，然后通過RS232通訊總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，再以LabVIEW為平臺(tái)開發(fā)了溫度指示系統(tǒng)；該系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，實(shí)時(shí)顯示光學(xué)系統(tǒng)中照明光源的工作溫度，方便工作者對(duì)照明光源的溫度情況進(jìn)行觀察和評(píng)估。

1 虛擬溫度指示系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)及工作原理

虛擬溫度指示系統(tǒng)是一個(gè)溫度數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可見，該系統(tǒng)主要由照明光源（50W鹵素?zé)簦?、DS18B20溫度傳感器、STC單片機(jī)、MAX232轉(zhuǎn)換變送單元、RS232通訊總線和計(jì)算機(jī)組成。該系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)向STC單片機(jī)發(fā)送讀取照明光源工作溫度的命令，當(dāng)STC單片機(jī)收到此命令后向DS18B20溫度傳感器發(fā)出溫度測量指令，DS18B20溫度傳感器在一定的時(shí)間內(nèi)完成溫度的測量，由STC單片機(jī)采集該溫度數(shù)據(jù)，再由STC單片機(jī)將采集到的溫度數(shù)據(jù)送出，并經(jīng)MAX232轉(zhuǎn)換變送單元進(jìn)行信號(hào)電平轉(zhuǎn)換后由RS232通訊總線上傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最后將測量結(jié)果形象地顯示在計(jì)算機(jī)顯示屏上。

圖1 虛擬溫度指示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 Structure diagram of the virtual temperature indicating system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 DS18B20數(shù)字溫度傳感器

DS18B20是美國半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的“一線總線”接口溫度傳感器，測溫范圍是?550 ℃ ～ +1 250 ℃，可以程序設(shè)定9 ～ 12位的分辨率，測量分辨率最高為0.065 ℃，測量時(shí)間可達(dá)93.78 ms；此外，DS18B20的內(nèi)部集成了64位ROM、3字節(jié)的EEROM、9字節(jié)的RAM，并具有獨(dú)特的單線接口方式[6-7]。在本設(shè)計(jì)中，將DS18B20放置在照明光源的金屬外殼上，測量分辨率設(shè)為0.5 ℃，溫度范圍設(shè)為0 ℃ ～ 100 ℃，溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時(shí)間設(shè)為200 ms，并在DS18B20與STC單片機(jī)之間用一條帶4.7 k?上拉電阻的連線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通訊。另外，在考慮選擇電源的供電方式時(shí)，由于DS18B20具有良好的負(fù)壓特性，當(dāng)電源極性接反時(shí)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，因此采用了外部電源的供電方式。

2.2 數(shù)據(jù)采集終端

數(shù)據(jù)采集終端是由STC12C5A08AD單片機(jī)和MAX232轉(zhuǎn)換變送單元組成。STC12C5A08AD是高速、超強(qiáng)抗干擾的新一代CMOS八位單片機(jī)，具有8 k字節(jié)的系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)單元和一個(gè)全雙工串行口[8]。當(dāng)STC12C5A08AD單片機(jī)對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫操作時(shí)，首先將DS18B20復(fù)位，即將DS18B20的DQ線拉低480 ～ 960 μs，再將數(shù)據(jù)線拉高15 ～ 60 μs，然后由DS18B20發(fā)出60 ～ 240 μs的低電平作為應(yīng)答信號(hào)，此時(shí)STC12C5A08AD單片機(jī)可以開始對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫操作。MAX232轉(zhuǎn)換變送單元完成STC12C5A08AD單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的電平轉(zhuǎn)換，再通過RS232通訊總線可使兩者在電氣上連接在一起，經(jīng)過軟件的操作，完成STC12C5A08AD單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊。

2.3 溫度數(shù)據(jù)采集與傳送系統(tǒng)

圖2所示的是溫度數(shù)據(jù)采集與傳送系統(tǒng)原理圖，其中DS18B20與STC12C5A08AD單片機(jī)的P2.0端口之間經(jīng)上拉電阻R2相連，電阻R3和電容C1為RST端口提供復(fù)位信號(hào)，電容C8、C9和晶振XTAL為STC12C5A08AD單片機(jī)的工作提供振蕩信號(hào)，MAX232轉(zhuǎn)換變送單元通過J1端口連接RS232通訊總線的一端，RS232通訊總線的另一端連接計(jì)算機(jī)，從而完成溫度數(shù)據(jù)的采集與傳送。

圖2 溫度數(shù)據(jù)采集與傳送系統(tǒng)原理圖Fig. 2 Schematic diagram of the temperature data collection and sending system

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

STC12C5A08AD單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫操作的功能是由匯編語言編程完成的。通過keil C開發(fā)平臺(tái)用匯編語言進(jìn)行編程，可以直接對(duì)STC12C5A08AD單片機(jī)存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)的單元進(jìn)行操作，較快地縮短了測量溫度的時(shí)間，提高了測量的實(shí)時(shí)性。STC12C5A08AD單片機(jī)進(jìn)行的溫度數(shù)據(jù)采集流程圖如圖3所示。

圖3 溫度數(shù)據(jù)采集的工作流程圖Fig. 3 Flow chart of the temperature data collection

由圖3可見，系統(tǒng)初始化完成了對(duì)串口初始化的設(shè)置，并將定時(shí)器T1設(shè)定為定時(shí)器工作方式2，然后由STC12C5A08AD單片機(jī)向DS18B20發(fā)出握手信號(hào)并延時(shí)。當(dāng)DS18B20回應(yīng)的握手信號(hào)出現(xiàn)時(shí)就接收該信號(hào)，然后判斷該信號(hào)是否正確。當(dāng)判斷為正確時(shí)單片機(jī)發(fā)送命令字，由DS18B20負(fù)責(zé)接收并進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。完成溫度采集后就向單片機(jī)發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，由單片機(jī)負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)并通過MAX232轉(zhuǎn)換變送單元和RS232通訊總線完成傳送溫度數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)的工作。

3.2 計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)采用LabVIEW為平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)完成的溫度指示系統(tǒng)主界面如圖4所示。溫度指示系統(tǒng)中程序主要分成四個(gè)模塊：通訊參數(shù)設(shè)置、發(fā)送命令字、讀入溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)顯示。其中通訊參數(shù)設(shè)置模塊包括選擇串口、設(shè)置波特率、設(shè)置數(shù)據(jù)位、設(shè)置奇偶校驗(yàn)、設(shè)置停止位和設(shè)置讀取數(shù)據(jù)延時(shí)。讀入溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)模塊的入口條件與溫度數(shù)據(jù)顯示模塊的入口相容，而與通訊參數(shù)設(shè)置和發(fā)送命令字模塊的入口相斥，即執(zhí)行讀入溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)模塊時(shí)可以執(zhí)行溫度數(shù)據(jù)顯示模塊，但不能響應(yīng)通訊參數(shù)設(shè)置和發(fā)送命令字模塊。這種方法提高了溫度指示系統(tǒng)的可靠性。由圖4可見該界面使用了溫度計(jì)的外形來形象地表示實(shí)物溫度計(jì)。該系統(tǒng)不但可實(shí)時(shí)顯示光學(xué)系統(tǒng)中照明光源的工作溫度，還可方便工作者對(duì)照明光源的溫度情況進(jìn)行觀察和評(píng)估。

圖4 溫度指示系統(tǒng)主界面Fig. 4 Main interface of the virtual temperature indicating system

完成上述系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)后，在室內(nèi)進(jìn)行了溫度測量，采用4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，將DS18B20放置于照明光源金屬外殼的上、下、左、右共四個(gè)位置進(jìn)行試驗(yàn)，得到了4個(gè)溫度測量值。再用測量分辨率為0.1 ℃的FLUKE572紅外線測溫儀對(duì)同樣的位置進(jìn)行測量，得到4個(gè)溫度測量值并以此作為參考值，將這些數(shù)據(jù)整理后由表1所示。從表1可以看出，用DS18B20測量得到的溫度值與相應(yīng)的參考值之間的最大誤差為0.5 ℃，最大相對(duì)誤差為2.2 % ，說明可以使用DS18B20作為溫度傳感器來監(jiān)測照明光源的工作溫度。

表1 溫度測量Tab. 1 Temperature measurement

4 結(jié)論

本文研制了一種基于DS18B20溫度傳感器的虛擬溫度指示系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用DS18B20測量光學(xué)系統(tǒng)中照明光源的工作溫度，并利用STC12C5A08AD單片機(jī)通過時(shí)序控制的方法對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫操作，獲得的溫度數(shù)據(jù)由STC12C5A08AD單片機(jī)通過RS232傳輸給計(jì)算機(jī)，最后用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)中照明光源的工作溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)也便于在圖形界面上觀察該工作溫度的變化。因此，本文所研制的基于DS18B20溫度傳感器的虛擬溫度指示系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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Virtual Temperature Indicating System Based on DS18B20 Temperature Sensor

JIANG Xiao-jun, WANG Jian-jun, CHEN Bao-yu, WANG Su-juan
(School of Electronic & Electrical Engineering, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China)

A virtual temperature indicating system based on DS18B2 temperature sensor is designed. After the digital temperature sensor and the microprocessor are taken as data collecting terminal and RS232 is taken a data transfer link, the working temperature of the illumination light in the optical system is monitored by the temperature indicating system, which is developed under LabVIEW platform. Real-Time measurement of the working temperature of the illumination light is realized, and observation of the change of the working temperature is convenient.

temperature measurement; DS18B20; microprocessor; LabVIEW

TH811

A

1001-4543(2012)01-0007-05

2011-12-26;

2012-02-15

江曉軍（1970－），男，四川內(nèi)江人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)榫芄怆姕y控技術(shù)，電子郵箱xjjiang@ee.sspu.cn。

上海市教委重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（No. J51801）