湯鍇杰， 栗 燦， 王 迪， 張 琴

(重慶交通大學(xué) 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

測(cè)溫系統(tǒng)在糧食倉(cāng)儲(chǔ)、醫(yī)療保健、交通運(yùn)輸、智能家居和溫室大棚以及電力電訊系統(tǒng)等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，帶有報(bào)警功能的系統(tǒng)還能減少溫度事故的風(fēng)險(xiǎn)[1]。

目前，測(cè)溫裝置采集的溫度值仍以模擬信號(hào)為主，微處理器只能處理數(shù)字信號(hào)，需先A/D轉(zhuǎn)換，使得裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度不高，數(shù)字式溫度傳感器的出現(xiàn)解決這一問(wèn)題。以DS18B20為代表的新型數(shù)字溫度傳感器集溫度采集和A/D轉(zhuǎn)換于一體，直接輸出數(shù)字信號(hào)，與單片機(jī)接口電路簡(jiǎn)單[2]。DS18B20具有單總線、體積小、分辨率高、抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，在凍土區(qū)公路路基溫度場(chǎng)測(cè)量[3]和軸承溫度檢測(cè)[4]等場(chǎng)合都有應(yīng)用。該傳感器有唯一的64位序列號(hào)，單信號(hào)線能掛多器件，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)分布式測(cè)溫。

本文以51單片機(jī)為處理核心，利用DS18B20組成測(cè)溫模塊，加上按鍵模塊、顯示模塊和報(bào)警模塊等，設(shè)計(jì)出一種多場(chǎng)合適用的數(shù)字式溫度采集報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)指定溫度的同步采集、顯示、報(bào)警和控制多重功能。該測(cè)溫報(bào)警系統(tǒng)已通過(guò)PROTUS仿真平臺(tái)的模擬仿真測(cè)試，并用電路板成功驗(yàn)證其功能，裝置運(yùn)行穩(wěn)定、測(cè)溫效果好、誤差小。

1 系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包括核心AT89S52單片機(jī)及其外圍電路、測(cè)溫模塊(DS18B20數(shù)字式溫度傳感器)、電源模塊、顯示模塊(驅(qū)動(dòng)電路、多位LED數(shù)碼管)、按鍵模塊、報(bào)警模塊(蜂鳴器、LED發(fā)光二極管),如圖1所示。

圖1 測(cè)溫系統(tǒng)框圖

采用DS18B20智能溫度傳感器，輸出數(shù)字信號(hào)，無(wú)需處理和轉(zhuǎn)換，只要嚴(yán)格遵守DS18B20的讀寫(xiě)時(shí)序就能準(zhǔn)確讀取實(shí)時(shí)溫度[5]。

該系統(tǒng)精度高,程序相對(duì)復(fù)雜，但電路簡(jiǎn)單、體積小，有利于系統(tǒng)的智能化和輕量化。單總線掛多片DS18B20，微機(jī)只需一根數(shù)據(jù)線能與多片DS18B20通信的特點(diǎn)[6]也符合多點(diǎn)測(cè)溫的要求。

2 主要元器件選型

2.1 處理器

本系統(tǒng)處理器選用AT89S52單片機(jī)。AT89S52是Atmel公司的一種高性能、低功耗8位CMOS微處理器，8K系統(tǒng)可編程FLASH存儲(chǔ)器使其下載線路簡(jiǎn)單，并能實(shí)現(xiàn)串并行模式的在線編程[7]。該芯片內(nèi)部有3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，1個(gè)全雙工串行口，4個(gè)I/O口和256 bytes的RAM，程序調(diào)試方便。

2.2 數(shù)字式溫度傳感器DS18B20

DS18B20溫度傳感器是DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一線式智能數(shù)字溫度傳感器，是世界上首片支持“單線總線”接口的溫度傳感器，具有傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、接口簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[8]。

DS18B20內(nèi)部主要由溫度傳感器、配置寄存器、64位的ROM和高低報(bào)警觸發(fā)器TH和TL等部件構(gòu)成[9]，其中，光刻ROM是實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫的關(guān)鍵。

溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換后以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式輸出，儲(chǔ)存在DS18B20 2個(gè)8 bit的RAM中。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路主要由測(cè)溫模塊、電源模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊和按鍵模塊這5大模塊組成?？傮w電路原理圖如圖2所示，AT89S52單片機(jī)接一個(gè)11.059 2 MHz的晶振電路提供外部時(shí)鐘，復(fù)位端RESET接看門(mén)狗電路，形成一個(gè)最小單片機(jī)系統(tǒng)。

系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)DS18B20采集溫度，單片機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)傳感器的通信和控制；2)顯示模塊實(shí)時(shí)顯示處理后的溫度值；3)報(bào)警模塊監(jiān)測(cè)溫度范圍，當(dāng)超過(guò)溫度上下限時(shí)利用LED二極管和蜂鳴器產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，提醒使用者采取措施；4)按鍵模塊根據(jù)需要設(shè)置報(bào)警值，提高實(shí)用性。

3.1 電源模塊

電路采用+5 V的工作電壓為單片機(jī)、采集、報(bào)警等電路供電，硬件制作時(shí)另外加入一個(gè)獨(dú)立電源模塊。

3.2 溫度采集模塊

DS18B20利用單總線特點(diǎn)，通過(guò)一只4.7 kΩ上拉電阻器把溫度輸出端DQ和P0.3口相連，單片機(jī)通過(guò)該導(dǎo)線對(duì)初始化傳感器和完成溫度采集。傳感器的GND接地，VDD可以采用數(shù)據(jù)線供電，也可以采用外部供電，為提高抗干擾能力，本設(shè)計(jì)采用外部電源供電方式。

圖2 硬件電路結(jié)構(gòu)

3.3 顯示模塊

為節(jié)約硬件接口，采用動(dòng)態(tài)掃描顯示方案。動(dòng)態(tài)掃描是循環(huán)移位法，利用人眼的視覺(jué)暫留實(shí)現(xiàn)連續(xù)顯示的效果。本設(shè)計(jì)采用6位帶小數(shù)點(diǎn)的8段共陰極數(shù)碼管來(lái)顯示溫度值，其中,第一位是正負(fù)符號(hào)位，第二，三，四，五位分別顯示溫度的百位、十位、個(gè)位和小數(shù)位數(shù)值，最后一位顯示溫度單位℃。單片機(jī)的P2口(P2.0～P2.7共8位對(duì)應(yīng)8個(gè)字段)通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片74LS245與數(shù)碼管的段選公共信號(hào)線相連，P3口的P3.0～P3.5與數(shù)碼管的位選信號(hào)線相連，實(shí)現(xiàn)位選控制。

3.4 報(bào)警模塊

為了增加安全系數(shù)，報(bào)警電路采用聲光雙重保障的報(bào)警方式，包括1個(gè)蜂鳴器和2個(gè)不同顏色的LED發(fā)光二極管。采集的溫度不斷地與設(shè)定的溫度閾值比較，當(dāng)溫度高于上限閾值時(shí)，P3.7口的蜂鳴器發(fā)出高頻報(bào)警信號(hào)，同時(shí)點(diǎn)亮P0.6口的紅色LED燈，進(jìn)行高溫報(bào)警；當(dāng)溫度低于下限閾值時(shí)，蜂鳴器發(fā)出低頻報(bào)警信號(hào)，同時(shí)點(diǎn)亮P0.7口的藍(lán)色LED燈，進(jìn)行低溫報(bào)警。

3.5 按鍵模塊

通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，調(diào)整溫度閾值，使系統(tǒng)適用更多場(chǎng)合。此模塊由兩部分組成，一部分是控制按鍵(K1～K4)，另一部分是指示燈，占用單片機(jī)P1.0～P1.5端口，具體見(jiàn)圖3。當(dāng)按下K1，紅燈亮，表明進(jìn)入上限設(shè)置狀態(tài)，通過(guò)按鍵K2(+)和K3(-)調(diào)整溫度，同時(shí)顯示模塊同步顯示溫度值設(shè)置，調(diào)整完成后再次按下K1退出。下限溫度值調(diào)整(K4)過(guò)程與上限一致，不再贅述。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

DS18B20硬件電路簡(jiǎn)單，須用相對(duì)復(fù)雜的軟件設(shè)計(jì)提供合理的邏輯時(shí)序，才能保證工作的可靠準(zhǔn)確[10]。DS18B20主要包括初始化、總線讀取和總線寫(xiě)入3種操作，而且都必須嚴(yán)格遵循時(shí)序要求，下面將對(duì)這三方面進(jìn)行深入分析。

4.1 指令說(shuō)明

根據(jù)DS18B20的通信協(xié)議，傳感器在工作時(shí)必須利用其提供的ROM指令和存儲(chǔ)器RAM指令進(jìn)行操作，2種指令都以8 bit字長(zhǎng)的十六進(jìn)制形式在程序中出現(xiàn)，常用的代碼和具體含義如表1和表2所示。每次溫度轉(zhuǎn)換一般都經(jīng)過(guò)三步：復(fù)位操作、發(fā)送ROM指令、發(fā)送RAM指令，然后讀取溫度。

表1 ROM指令

表2 RAM指令

4.2 初始化時(shí)序

初始化是DS18B20底層基本操作之一，相當(dāng)在單片機(jī)和傳感器之間建立通信橋梁，為后面操作做準(zhǔn)備。初始化脈沖包括CPU發(fā)出的復(fù)位脈沖和傳感器發(fā)出的響應(yīng)脈沖。初始化脈沖時(shí)序如圖3所示。

圖3 DS18B20初始化時(shí)序

主機(jī)先發(fā)出480～960 μs的復(fù)位脈沖(低電平信號(hào))，然后釋放總線進(jìn)入接收模式(RX)，當(dāng)DS18B20檢測(cè)到總線釋放時(shí)的上升沿后等待15～60 μs，然后發(fā)出一個(gè)延時(shí)60～240 μs的低電平響應(yīng)脈沖，此時(shí)傳感器的DQ置1，主機(jī)也置1，初始化過(guò)程完畢，傳感器處于既可讀取又可寫(xiě)入的狀態(tài)。

4.3 總線寫(xiě)入時(shí)序

單片機(jī)向DS18B20寫(xiě)數(shù)據(jù)，是指令和數(shù)據(jù)發(fā)送的基本操作，采用位右移操作實(shí)現(xiàn)低位在前高位在后的逐位寫(xiě)入，主要包括寫(xiě)“0”和寫(xiě)“1”2種時(shí)序。寫(xiě)時(shí)序從主機(jī)拉低總線大于1 μs開(kāi)始，在隨后的15 μs內(nèi)把待發(fā)送的信號(hào)發(fā)送至DQ上，等待傳感器對(duì)其進(jìn)行采樣，傳感器在45 μs內(nèi)完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)采集時(shí)，如果總線是高電平，寫(xiě)入邏輯“1”；反之，寫(xiě)入邏輯“0”。從圖4的寫(xiě)時(shí)序看出，一個(gè)寫(xiě)周期至少需要60 μs，2個(gè)寫(xiě)周期之間須有一個(gè)大于1 μs的間隔。

圖4 DS18B20寫(xiě)入時(shí)序

4.4 總線讀取時(shí)序

單片機(jī)從DS18B20讀取數(shù)據(jù)，包括溫度的采集和其他狀態(tài)信息的回傳，也是以位為單位，包括讀“0”和讀“1”兩種時(shí)序。讀取也是以總線拉低至少1 μs作為啟動(dòng)信號(hào)，然后置1并保持至少60 μs進(jìn)入接收狀態(tài)。傳感器在接收到啟動(dòng)信號(hào)后15 μs內(nèi)把數(shù)據(jù)(0或1)發(fā)送到DQ端供單片機(jī)讀取，主機(jī)由低到高依次讀取8位二進(jìn)制數(shù)，隨后的45 μs又釋放總線。讀時(shí)序如圖5所示，這是一個(gè)讀“1”的時(shí)序圖，即使主機(jī)在15 μs內(nèi)就完成數(shù)據(jù)讀取，仍要求1個(gè)讀周期應(yīng)大于60 μs，且2個(gè)讀周期之間要有一個(gè)大于1 μs的恢復(fù)間隔。

圖5 DS18B20讀取時(shí)序

4.5 溫度采集程序

下面以溫度采集程序?yàn)槔?，?duì)源代碼進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明：

∥功能：?jiǎn)?dòng)DS18B20溫度轉(zhuǎn)換

Void Convert_18B20(Void)

{RST_18B20(); ∥初始化

WR_18B20(0xcc); ∥跳過(guò)ROM識(shí)別

WR_18B20(0x44); ∥啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換}

∥功能：讀取返回DS18B20溫度值

Int Read_18B20(Void)

{RST_18B20(); ∥初始化

WR_18B20(0xcc); ∥跳過(guò)ROM識(shí)別

WR_18B20(0xbe); ∥讀DS18B20暫存器

Temp_8[0]=RD_18B20; ∥讀溫度低位

Temp_8[1]=RD_18B20; ∥讀溫度高位

return(Temp_8); ∥返回2字節(jié)溫度值}

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

測(cè)試溫度值如表3。

表3 真實(shí)值與測(cè)量值對(duì)比

系統(tǒng)誤差小于0.5，測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)的精確度較高，實(shí)用性強(qiáng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于AT89S52單片機(jī)和DS18B20數(shù)字溫度傳感器的溫度采集報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。該設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)， 適用于糧倉(cāng)、電力機(jī)房、軸瓦、空調(diào)、冰箱和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，DS18B20單總線和多點(diǎn)式測(cè)溫特點(diǎn)使其擴(kuò)展性加強(qiáng)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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