基于DS18B20的多路温度监测系统设计与仿真

摘 要： 提出一种基于DS18B20和AT89C51的多路温度监测系统，详细介绍了系统的硬软件设计。该设计通过DS18B20单总线结构与单片机多路并行输入相结合的硬件改进方式，克服了DS18B20采用单总线结构时温度数据读取慢、单总线驱动能力不足的问题，实现了多路温度实时快速读取和巡回监测。该系统还具有超温报警，与上位机通讯等功能。最后，利用Proteus与Keil C51软件联合仿真实现了设计的仿真调试。

关键词： 温度监测； DS18B20； 单总线； AT89C51； Proteus

中图分类号： TN964?34； TP274 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）10?0122?03

0 引 言

在实时温度监控系统中，如大棚温度监控、冷库测温、智能建筑温度控制等系统中，经常需要进行多路温度的采集和检测。快速、可靠地采集到高精度温度数据可为控制系统的工作提供可靠的依据。传统上，温度测量方法多以热敏电阻、热电偶等为温度敏感元件，但都存在可靠性差、精度低、需A/D转换以及线路复杂等的缺点。本文提出采用美国Dallas 公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20和AT89C51单片机构成高精度的多路温度监测系统，在单片机的控制下巡回监测多路温度，高低温度超限报警，并可实现与上位机通讯等功能。

1 DS18B20简介

DSl8B20是Dallas公司推出的1?Wire式单总线智能数字温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，温度测量范围为-55～125 ℃；可通过编程实现9～12位的转换精度，对应的可分辨温度分别为0.5 ℃，0.25 ℃，0.125 ℃和0.062 5 ℃，可满足高精度设计要求；在9位分辨率时最多在93.75 ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750 ms内把温度值转换为数字；电源供电范围3.0～5.5 V；读取或写入信息到DS18B20仅需要单总线接口（即将地址线、数据线、控制线合成一条信号线）；测量结果直接输出数字温度信号，串行传送给CPU同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；使用DS18B20可使系统结构简洁，可靠性更高。以上特性使得DSl8B20非常适用于构建高精度的多路温度采集与检测系统[1]。

2 硬件电路设计

2.1 测温电路设计

2.2 键盘与LED显示电路设计

LED显示电路设计：P0口输出显示代码经74LS245驱动后接到8位LED数码管的段选线，P2口输出接到LED的位选线。正常情况下，8位LED数码管用于循环显示通道号及该通道的温度值。

键盘输入设计：采用独立式键盘P3.2～P3.4用来修改温度报警的上限与下限值。系统默认的温度报警上限为50 ℃，下限为-10 ℃。系统上电后，LED数码管将先后显示温度报警上/下限值。若按P3.2键报警值加1；若按P3.3键报警值减1；P3.4为确定键，用于保存修改值。

此外，当系统检测到当前通道温度值超过设定的上、下限时，将通过P3.6，P3.7进行闪光报警提示。

2.3 串行通信设计

检测系统可通过串行口与上位机进行通信，向上位机传送温度值及相应的通道号。实物中通过RS 232串行接口与上位机连接，上位机的控制界面由VB 6.0编写。当运行 Proteus软件时，可以从虚拟终端看到上位机接收到的8个通道的温度数据及相应的通道号。

3 软件设计

3.1 软件总体设计

如图3所示，系统上电复位后，程序主要包括：

（1）系统初始化设置。

（2）按键处理子程序：LED数码管显示上限报警温度值并闪烁，若10 s中之内有按键输入修改温度值，则进行键盘操作直至修改完成，并保存温度上限值；若10 s之内无按键输入或按P3.4“确定”键，则保存上限温度；接着显示下限报警温度值并闪烁，重复上述操作后保存下限报警温度值。

（3）温度报警值设置子程序：实现将8路的报警温度写入DS18B20中，流程图详见图4所示。

（4）读取温度子程序：在对显示路数初始化后，进行温度值读取，这是软件设计的关键，下面将单独介绍。

（5）温度报警处理：读取某路DS18B20温度值及报警上下限值后，进行比较，若超出范围则启动定时器0，驱动上/下限报警提示单元。

（6）显示当前通道温度子程序：取得当前通道号后，根据读取的2字节温度值（温度暂存器格式参考DS18B20技术手册），判断其符号位并分别读取其整数部分和小数部分，通过运算后保存到显示缓冲区，进行动态显示，并刷新显示若干时间。

（7）上位机通信子程序：每采集一路温度数据，通过RS 232串口，将其通道号、温度值发送给上位机，完成相应通道的温度数据采集处理。

3.2 读取温度子程序设计

采用DS18B20进行单路测量时，可直接与单片机相连，不需读取读出器件的64位产品序列号。当采用DS18B20进行多路测温时，在初始化操作后，通常的做法是需要在线逐个地搜索64位ROM编码以确认各个DS18B20所在位置[4]，并需对ROM编码进行冗余校验[5]，算法设计复杂。且等待多路搜索是否完成需要消耗大量的时间，使程序执行的效率和系统实时性受到了影响。

本设计采用“单总线结构+并行I/O口输入”结合的方式巡回读取多路温度。DS18B20作为单总线芯片，进行信息交换时有严格的读/写时序要求。读取温度子程序流程如图5所示。首先通过参数传递将通道号传给读取温度子程序，接着对DS18B20进行初始化，然后直接执行跳过ROM命令（CCH），即不读取64位ROM编码而直接向DS18B20发出功能命令，节约了时间。之后，再向DS18B20发送温度转换命令（44H），DS18B20启动温度采样与A/D转换，并将转换数据存储在暂存器中。然后再次初始化DS18B20，并在再一次跳过ROM命令后，执行单片机读暂存器命令（BEH），根据传递参数确定的通道号，可将通道号对应的DS18B20高速暂存存储器的9个字节数据读入单片机中，其中第0，1字节分别是温度值低位（LS byte）和高位（MS byte），第2，3字节分别是高温限值（TH）和低温限值（TL），从而完成某通道DS18B20的温度采集。

3.3 软件设计流程

4 Keil C51与Proteus联合仿真

软件采用C语言编程，在Keil C51集成开发环境下将编写的程序进行编译、调试[6]，并生成目标文件（XX.hex）。同时利用嵌入式仿真软件Proteus绘制出电路仿真原理图，CPU选择AT89C51。双击AT89C51，在出现的对话框中的“Program file”加入已生成的XX.hex文件，并进行仿真调试，调试成功则可以修改温度报警值，及在正常运行时看到循环显示所采集到的温度值、通道号，仿真效果图如图6所示。

5 结 语

本设计以Proteus仿真软件作为开发工具，以AT89C51单片机作为控制核心，使用DS18B20芯片作为温度传感器，加上适当的电路，组成了多路温度巡回监测系统。与传统温度传感器相比，可直接输出数字信号而不必考虑A/D转换问题，抗干扰能力与可靠性大大提升。同时，采用单总线与多路并行输入相结合的方法，克服了DS18B20传统上采用单总线结构时所存在的问题，实现多路温度实时读取、巡回监测、与上位机通信等功能，且系统具有结构简洁、精度高、适应性强、维护方便等优点，在多路温度采集与监测领域中有很好的实用价值。

参考文献

[1] 周茂霞.DS18B20多点温度检测报警系统的设计与实现[J].山东师范大学学报：自然科学版，2009，24（2）：66?68.

[2] 蒋鸿宇，王勇，植涌.由DS18B20构成的多点温度测量系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2007（1）：59?61.

[3] 俞绍安.数字温度传感器DS18B20在卫星电源系统中的应用[J].电子元器件应用，2007（8）：1?3.

[4] 潘勇，孟庆斌.基于DS18B20的多点温度测量系统设计[J].电子测量技术，2008，31（9）：91?93.

[5] 韩成浩，李柏峰，高晓红.单总线温度传感器的实用技术及冗余校验[J].制造业自动化，2009，31（9）：65?68.

[6] 彭伟.单片机C语言程序设计实训100例：基于8051+Proteus仿真[M].北京：电子工业出版社，2009.

[7] 蔡旭，裴志蕾，卢超.基于GSM温度检测系统的设计[J].电子科技，2011（3）：83?86.