基于DS18B20恒溫監控系統的設計與實現

王江紅 朱麗君 孫學用

摘要：基于DS18B20恒溫監控系統在對國內外蔬菜花卉溫室智能控制應用的基礎上，針對影響蔬菜花卉溫室智能化控制的諸多因素，將傳感器監測和單片機控制相結合，提出了基于DS18B20恒溫監控系統的設計方案。整個系統采用模塊化設計，由數據采集、單片機控制、鍵盤管理、實時顯示、溫度超限報警和數據輔助存儲等功能模塊組成。該系統設備已廣泛應用于蔬菜花卉溫室中，取得了較好的經濟效益。

關鍵詞：恒溫監控系統；DS18B20溫度傳感器；單片機；蔬菜花卉溫室

中圖分類號：S625.5+1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）08-1947-03

隨著農業現代化的快速發展，溫室正朝著智能化方向發展。我國農業也逐漸地從傳統農業向優質、高效、高產為目的的現代農業轉變。因而蔬菜花卉溫室的建設自然也離不開現代化的科學技術。國內外大量的科學試驗、生產實踐證明，環境的監控對蔬菜花卉等植物的生長有著非常重要的作用，植物只有在適宜的環境下才能生長良好[1]。

蔬菜花卉溫室內環境的監控的一個主要方面是對環境溫度進行測量和控制。用單片機監控溫室的溫度，根據溫室溫度的變化自動地調溫，確保溫室中的植物生長在適宜的溫度下。

目前，國外現代化溫室的內部設施己經發展到比較完備的程度，并形成了一定的標準。溫室內的各環境因素大多由計算機集中控制，檢測傳感器也較為齊全，如溫室內外的溫度、濕度、光照度、CO2濃度、營養液濃度等，傳感器的檢測基本上可以實現對各個執行機構的自動控制，如無級調節的天窗通風系統、濕簾與風扇配套的降溫系統、由熱水鍋爐或熱風機組成的加溫系統、可定時噴灌或滴灌的灌溉系統、CO2施肥系統以及適用于溫室作業的農業機械等。計算機對這些系統的控制己經不是簡單的、獨立的、靜態的直接數字控制，而是基于環境模型上的監督控制以及基于專家系統上的人工智能控制，一些國家在實現自動化的基礎上正將計算機監控系統向著完全自動化、無人化、智能化的方向發展[2]。

1 系統設計要求與設計原理

該系統主要是完成一種集溫度測量、顯示、報警、控制于一體的單片機溫度監測控制系統的理論設計與仿真實現。主要包括相關理論探討、硬件電路實現、軟件程序設計以及仿真過程等。其基本原理是通過AT89C51單片機依次查詢蔬菜花卉溫室內多個DS18B20溫度傳感器的輸出信號，然后再對輸入信號進行相應處理，通過顯示模塊顯示出來后進行觀測；并將采集到的溫度與理論初始值設定的溫度上下限進行比較，如果參數值超過設定的上下限時，報警電路進行報警并啟動升降溫設備[3]。

2 系統硬件組成

2.1 系統的電路框架

系統的電路框架如圖1所示。

2.2 溫控原理及實現

DS18B20 的測溫原理如圖2所示，不同溫度下，溫度系數振蕩器產生不同的脈沖信號輸入到減法計數器，確定一個門周期。由于受溫度影響小，頻率幾乎恒定，在一個門周期內，DS18B20就對低溫度系數振蕩器產生的時鐘脈沖進行計數，即可完成溫度測量。測量前，首先將一個溫度基值對應的基數分別置入減法計數器和溫度寄存器中，當減法計數器減到0時，溫度寄存器的值將加l，減法計數器的預置值將重新被裝入繼續計數，如此循環，直到另一減法計數器計數到0時，停止溫度寄存器中數值的累加，此時溫度寄存器中的數值即為所測溫度。斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性溫差，在計數門未關閉的狀況下，重復修正減法計數器的預置值，直至溫度寄存器的數值達到被測溫度值[4]。

2.3 實時顯示電路

實時顯示電路是由LED發光二極管組合構成的。單片機與LED數碼顯示器有以硬件為主和以軟件為主的兩種接口方法，這里采用以軟件為主進行設計。單片機輸出信號經阻排連接到數碼管，數碼管采用動態顯示，對于接口電路來說，需要有兩個輸出口，其中一個用于輸出顯示段碼，另一個用于輸出控制信號。這樣就可以逐個循環點亮每個數碼管，每位間隔約1 ms，就好像在同時顯示不同的字符一樣[5]。實際狀況如圖3所示。

2.4 實際硬件的實現與連接

硬件系統實現單片機與各外圍電路的連接及各子模塊之間的連接。主要由單片機時鐘電路、復位電路、DS18B20溫度傳感器、顯示電路、鍵盤管理、控制電路和報警電路等組成。實際硬件電路如圖4所示。

3 系統軟件設計

該系統的軟件包括主程序、鍵盤管理子程序、顯示子程序、溫度轉換子程序、溫度控制子程序、異常報警子程序、溫度報警范圍設定子程序以及有關DS18B20的初始化程序等。

主程序負責系統的正常運行以及調用各種子程序和管理中斷服務程序。在主程序的設計中，首先對單片機的一些主要的端口進行定義，在初始化完成之后，調用各個子程序，實現傳感器的初始化、數據讀寫、溫度轉換、溫度顯示、判斷報警、鍵盤管理等功能，主程序循環執行各個模塊。主程序的流程如圖5所示。

4 小結

該系統以愛特梅爾公司的AT89C51單片機為核心進行硬件設計，數據采集采用DS18B20溫度傳感器，在開發過程中使用了Protel仿真和Keil開發軟件，這些都大大縮短了軟件的開發周期。為了便于編寫、調試、修改和增刪，系統軟件的編制采用了模塊化的設計方法。該套系統設備體積小、質量輕、便于攜帶、可靠性高，適用于現場實時工作。目前該系統已廣泛應用于蔬菜花卉溫室中，在農業生產中有著非常重要的作用。

參考文獻：

[1] 于海業，馬成林，陳曉光.發達國家溫室設施自動化研究的現狀[J].農業工程學報，1997，13（增刊）：253-257.

[2] 先鋒工作室.單片機程序設計實例[M].北京：清華大學出版社，2002.

[3] 王志強，陳 平.基于GPRS技術的糧庫溫濕度監測系統設計[J].安徽農業科學，2010，38（14）：7552-7554.

[4] 趙海蘭，趙祥偉.智能溫度傳感器DS18B20的原理與應用[J].現代電子技術，2003（14）：34-36.

[5] 陳立兵，樊瑾瑜，代 杰.基于AT89S52單片機的溫度采集系統設計[J].機械與電子，2011（2）：67-69.