基于Arduino的温度测量系统的研究

摘要：设计了一种基于Arduino Mega 2560和DS18B20的多点温度测量系统。该温度测量系统主要包含温度检测单元和控制单元两个部分，利用DS18B20的单总线结构，实现了电路简单、功能可靠的多点温度测量系统。可用于多点温度测量和温度场的分布测量等多种场合。

关键词：温度测量DS18B20Arduino单总线

中图分类号：TB393 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）06-0000-00

很多场合都需要进行温度检测，最常用的方法是采用单片机和温度传感器配合工作。但通常使用的单片机往往不容易上手，开发周期长。Arduino的出现解决了这一问题，它是一类便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台[1]。基于AVR平台，Arduino对AVR库进行了二次编译封装，将端口都进行打包处理，因此不需要了解其内部硬件结构和寄存器设置，不需要用户直接处理底层系统，提高了应用程序的开发效率。本文利用Arduino的便捷灵活、方便上手这一特性，并选用DS18B20作为温度采集传感器，设计了一套多点温度测量系统。

1系统总体设计

系统的结构如图1所示，主要由温度采集单元和Arduino主控板构成。温度传感器DS18B20以单总线的连接方式将采集到的温度数据发送给Arduino主控板，Arduino主控板通过串口将整合后的温度数据上传到PC端，在PC端对接收到的数据进行显示、存储、分析。

2温度检测系统的硬件设计

2.1 主控板Arduino Mega 2560

Arduino Mega 2560是采用USB接口的核心电路板，它的处理器核心是ATmega 2560，具有54路数字输入/输出口，其中16路可作为PWM输出，16路模拟输入，4路UART接口，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮[2]，其开发板图如图2所示。

与Arduino系列其他型号的开发板相比，Mega 2560是一个增强型的Arduino控制器，它提供了更多的输入输出口，可以控制更多的设备，以及拥有更大的程序空间和内存，为以后系统的升级提供了硬件基础。

2.2 DS18B20温度传感器

DS18B20是由美国DALLAS半导体公司推出的一种“一线总线”接口的温度传感器。具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高等特点，其常见的封装形式如图3所示。

DS18B20采用单总线的连接方式，单总线系统包括一个总控制器和多个DS18B20从机构成。通过单总线访问DS18B20的基本协议为：初始化、ROM操作命令、存储器操作命令和执行/数据四个步骤[3]。

由于每个DS18B20都有一个独特的片序列号，所以多只DS18B20可以同时连在一根单线总线上，系统中数据口为主控板的P10引脚，用于读写和温度转换，电源由主控板的5V电压口直接提供，无需外部电源[4]。

2.3 温度测量电路设计

本文设计的温度检测系统利用了主控板自带的5V电源直接供电，省去了外部电源电路的设计。并采用了一个4.7KΩ的上拉电阻驱动多个DS18B20，省去了大量的上拉电阻，避免了因总线上节点过多而造成供电不足，同时进一步提高了温度传感器布线的灵活性，设计的温度测量电路如图4所示。

3温度检测系统的软件设计

首先Arduino在数据线上发出低复位脉冲，然后恢复总线为高，随后DS18B20发出响应脉冲，Arduino发现有响应脉冲后再搜索，按位逐个取得器件的序列号，也就是器件地址，再对各个器件发出转换命令进行测温，由每个DS18B20测温并把结果保存到自己的RAM中，经过转换时间后，由Arduino按地址读出每个DS18B20的测温结果，将温度数据发送到串口，上传至PC，其程序主流程图如图5所示。

4系统实现及实验

实现了一个13点的温度测量系统，为了验证该系统的可靠性，进行了温度场的分布测量实验。实验中采用医用特定电磁波治疗仪（TDP）的治疗灯头[5]的温度场分布作为测量对象，测试系统实物图如图6所示。

为得到医用TDP治疗灯头的温度场分布，进行了多次测温实验，灯头与测温系统的垂直距离分别取10cm，20cm，30cm，测温范围为50cm2的水平面。关于空间内的温度数据分析，本文以垂直距离为10cm时的温度数据为例进行了3D建模分析，其空间分布情况如图7所示，其中Z轴表示摄氏温度值，X-Y平面为10cm处的测温水平面，从图中可以看出，灯头中心处温度最高，随着与灯头中心距离的增加，温度逐渐降低。

5 结语

本文设计并实现了一种基于Arduino的多点温度测量系统，并利用该系统测量了医用TDP治疗灯头的温度场分布。TDP灯头的结构为圆盘形，其电热丝由内到外环绕在圆盘内，故其温度分布为中心处最高，由内到外逐渐降低。对系统的测温数据进行分析后得到其温度场呈圆形分布，这与TDP灯头的实际温度场分布一致。实验结果表明本系统具有良好的实用性和可靠性。

参考文献

[1]赵广元，王文庆，蔡秀梅.基于Arduino和Matlab/Simulink的仿真环境设计研究

[J].测控技术，2014，38（08）：123-129.

[2]贾瑞.基于ArduinoMega2560的无线监控小车设计[J].数字技术与应用，2013，

（10）：144-146.

[3]覃鲜艳.基于DS18B20的无线测温系统的研究与设计[D].武汉：武汉理工大学，2012 .

[4]何宗虎，张德祥，张玲君.基于单片机的高精度温度测量系统设计[J].现代电子技

术.2011，34（09）：131-135.

[5]赵宏涛.TDP治疗仪的故障分析与维护[J].医疗装备，2015，（07）：125-125.