基于數字溫度傳感器的檢測實驗室環境溫度監測系統設計及應用（上）

2013-11-15 07:21:20蔡志軍

家電科技 2013年12期

蔡志軍

(廣東中質檢測技術有限公司廣東廣州 510663)

1 前言

在微機及其傳感技術領域，近年來出現了一大批的新型器件和先進技術，如帶有Flash存儲技術的單片微機，數字化的溫度傳感器件等。諸多的微機智能化控制及檢測系統已經廣泛應用于諸多領域。傳統的溫度檢測系統皆采用熱電偶或熱敏電阻作為溫度敏感元件，其成本低，但需要后續信號處理電路，可靠性相對較差，系統的精度不高，且不易實現網絡化的實時自動化監測系統。

因而本系統的設計選用了美國DALLAS推出的DS18B20數字式溫度傳感器。它能夠直接讀出被測的溫度值并可根據實際要求通過相應的編程實現9～12位的數字值讀數方式，可以在93.75ms～750ms內將溫度值轉化9位和12位的數字量。因而使用DS18B20可使系統結構更趨簡單，可靠性更高。采用單總線通信技術，可實現多至128通道的溫度點采集，特別適合一些要求較多溫度點測量的檢測實驗室、高層建筑樓體溫度檢測、橋梁橋體溫度檢測等場合。

2 系統設計概述

本系統的設計包括硬件電路設計和軟件設計兩部分。硬件電路的設計主要包括以下模塊：

(1)由單片機89C51和新型數字溫度傳感器DS18B20組成的溫度采集模塊；

(2)由單片機89C51、輸出鎖存器74LS377和七段數碼管組成的溫度顯示模塊；

圖1 系統框圖

(3)下位單片機與PC機通信模塊；

(4)鍵盤輸入和發光LED、蜂鳴器模塊；

軟件部分的設計主要包括以下模塊：

(1)下位單片機匯編程序；

(2)上位PC機VB程序；

(3)RS232通信模塊程序；

以上模塊構成了一個完整的具有溫度采集、LED顯示、鍵盤輸入、通信、數據庫處理、實時溫度曲線顯示、曲線打印等功能的溫度檢測系統。

下位溫度采集模塊以ATMEL系列單片機89C51和數字溫度傳感器DS18B20為核心；采用RS232串行總線接口與PC機通訊，配備有系統顯示、通訊、LED指示和蜂鳴器響音等，能夠實時監視系統運行的狀態是否良好及測量值是否越限，及時以光信號和聲音信號形式告知檢測人員。

3 系統組成框圖

系統組成框圖如圖1所示。

4 溫度采集單元

4.1 原理與功能

主要完成各檢測點的溫度采集與處理。首先由數字溫度傳感器DS18B20將被測溫度直接轉換成計算機能識別的9到12位（最高位為符號位，即“1”為正溫度，“2”為負溫度）二進制數字信號，并存儲于DS18B20的溫度寄存器中。單片機89C51向總線發出某位DS18B20的匹配命令，該位DS18B20響應并發回響應脈沖，其他DS18B20不響應。單片機發出啟動DS18B20進行溫度轉換命令，接著單片機發出讀溫度命令信號時，DS18B20將溫度寄存器中的數字溫度值按串行傳送方式傳到單總線中，由單片機89C51按單總線通信協議規定的時序進行接收并進行相應處理后，將溫度分整數位和小數位存放于單片機的RAM中，以供顯示和向上位PC機傳送。如此循環，可將所有的數字溫度傳感器的溫度值讀取到單片機的相應的RAM單元中。具體的有關DS18B20的結構及原理功能參見DALLAS的DS18B20技術規格書。

圖2 原理框圖

4.2 原理框圖（見圖2）

4.3 數據I/O接口

采用89C51的P1.2口作為數據線接口與DS18B20進行通信。另采用三線通信制，即VCC、GND、DATA三線（可采用數據線供電方式）。

4.4 硬件電路

4.4.1 溫度采集電路

如圖3所示。溫度采集電路以單片機89C51為核心，采用上電復位方式。利用DS18B20數字溫度傳感器的1-WIRE總線技術，以89C51的P1.2口作為溫度數據線接口，在該單總線上并聯多個溫度傳感器。為了提高DS18B20的信號輸送的穩定性，采用了直接電源供電方式，而不采用從數據線上取電的方式。因而，DS18B20與89C51的通信為三線制（VCC、GND、DATA），傳輸線采用普通的三芯線。89C51的每個I/O口均可接多達8個溫度傳感器，因而系統最多可接多達2×8×8=128個溫度采集通道，本系統只掛了6個溫度傳感器，若要增加到128個通道，則只須將溫度傳感器掛到89C51的P1口和P2口即可，另軟件需作一些改變，以配合硬件電路。

若要擴大通道數目，則可通過擴展89C51的I/O口，或在每條單總線上增加溫度傳感器的數目，但當單總線上所掛DS18B20超過8個或進行長距離通信時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。

圖3 溫度采集電路

5 溫度顯示與控制單元

5.1 原理與功能

本模塊的設計采取了下位單片機系統與上位PC機同步顯示的方式，以便更容易觀測到所檢測溫度點的實時溫度值。下位單片機系統用六位LED數碼顯示，可顯示各點溫度傳感器的實時溫度測量值T ，以及顯示上、中、下三個不同的系統溫度設定值T上、T中、T下。上位PC機則用VB編程界面進行顯示，并具有實時溫度曲線顯示功能。

下位機的LED數碼管采用了動態顯示方式，以簡化硬件電路，節約成本，同時又不影響顯示效果。

另系統具有溫度限值設定功能，檢測員可以根據現場實際情況，用選擇鍵K1和參數設定鍵K2(＋)、K3(－)來設定T上、T下限溫度值。用K4鍵來啟/停測控系統。

5.2 原理框圖（見圖4）

5.3 數據I/O接口

P0口：七段數碼LED數據口

P2口：鍵盤輸入

5.4 硬件電路

5.4.1 溫度顯示電路

主要采用了動態顯示原理，由于單片機的P0口為8位的I/O口，因而某一時刻只能點亮一個LED數碼管，同時單片機的I/O口的驅動電流不夠大，所以必須加輸出鎖存器74LS377，89C51將顯示字符從P0口送出，經74LS377鎖存后點亮相應的LED數碼管。用另一片的74LS377控制LED數碼管的選通位，從而逐位點亮各個LED數碼管，由于顯示刷新的時間很短，大約為20ms，因而人感覺不到其是逐位顯示的，即實現了動態顯示。