基于Arduino的溫度測量系統的研究

許鵬　鎖雪萍　邱鴻帥　王以忠

摘要：設計了一種基于Arduino Mega 2560和DS18B20的多點溫度測量系統。該溫度測量系統主要包含溫度檢測單元和控制單元兩個部分，利用DS18B20的單總線結構，實現了電路簡單、功能可靠的多點溫度測量系統。可用于多點溫度測量和溫度場的分布測量等多種場合。

關鍵詞：溫度測量DS18B20Arduino單總線

中圖分類號：TB393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）06-0000-00

很多場合都需要進行溫度檢測，最常用的方法是采用單片機和溫度傳感器配合工作。但通常使用的單片機往往不容易上手，開發周期長。Arduino的出現解決了這一問題，它是一類便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺[1]。基于AVR平臺，Arduino對AVR庫進行了二次編譯封裝，將端口都進行打包處理，因此不需要了解其內部硬件結構和寄存器設置，不需要用戶直接處理底層系統，提高了應用程序的開發效率。本文利用Arduino的便捷靈活、方便上手這一特性，并選用DS18B20作為溫度采集傳感器，設計了一套多點溫度測量系統。

1系統總體設計

系統的結構如圖1所示，主要由溫度采集單元和Arduino主控板構成。溫度傳感器DS18B20以單總線的連接方式將采集到的溫度數據發送給Arduino主控板，Arduino主控板通過串口將整合后的溫度數據上傳到PC端，在PC端對接收到的數據進行顯示、存儲、分析。

2溫度檢測系統的硬件設計

2.1 主控板Arduino Mega 2560

Arduino Mega 2560是采用USB接口的核心電路板，它的處理器核心是ATmega 2560，具有54路數字輸入/輸出口，其中16路可作為PWM輸出，16路模擬輸入，4路UART接口，一個16MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復位按鈕[2]，其開發板圖如圖2所示。

與Arduino系列其他型號的開發板相比，Mega 2560是一個增強型的Arduino控制器，它提供了更多的輸入輸出口，可以控制更多的設備，以及擁有更大的程序空間和內存，為以后系統的升級提供了硬件基礎。

2.2 DS18B20溫度傳感器

DS18B20是由美國DALLAS半導體公司推出的一種“一線總線”接口的溫度傳感器。具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高等特點，其常見的封裝形式如圖3所示。

DS18B20采用單總線的連接方式，單總線系統包括一個總控制器和多個DS18B20從機構成。通過單總線訪問DS18B20的基本協議為：初始化、ROM操作命令、存儲器操作命令和執行/數據四個步驟[3]。

由于每個DS18B20都有一個獨特的片序列號，所以多只DS18B20可以同時連在一根單線總線上，系統中數據口為主控板的P10引腳，用于讀寫和溫度轉換，電源由主控板的5V電壓口直接提供，無需外部電源[4]。

2.3 溫度測量電路設計

本文設計的溫度檢測系統利用了主控板自帶的5V電源直接供電，省去了外部電源電路的設計。并采用了一個4.7KΩ的上拉電阻驅動多個DS18B20，省去了大量的上拉電阻，避免了因總線上節點過多而造成供電不足，同時進一步提高了溫度傳感器布線的靈活性，設計的溫度測量電路如圖4所示。

3溫度檢測系統的軟件設計

首先Arduino在數據線上發出低復位脈沖，然后恢復總線為高，隨后DS18B20發出響應脈沖，Arduino發現有響應脈沖后再搜索，按位逐個取得器件的序列號，也就是器件地址，再對各個器件發出轉換命令進行測溫，由每個DS18B20測溫并把結果保存到自己的RAM中，經過轉換時間后，由Arduino按地址讀出每個DS18B20的測溫結果，將溫度數據發送到串口，上傳至PC，其程序主流程圖如圖5所示。

4系統實現及實驗

實現了一個13點的溫度測量系統，為了驗證該系統的可靠性，進行了溫度場的分布測量實驗。實驗中采用醫用特定電磁波治療儀（TDP）的治療燈頭[5]的溫度場分布作為測量對象，測試系統實物圖如圖6所示。

為得到醫用TDP治療燈頭的溫度場分布，進行了多次測溫實驗，燈頭與測溫系統的垂直距離分別取10cm，20cm，30cm，測溫范圍為50cm2的水平面。關于空間內的溫度數據分析，本文以垂直距離為10cm時的溫度數據為例進行了3D建模分析，其空間分布情況如圖7所示，其中Z軸表示攝氏溫度值，X-Y平面為10cm處的測溫水平面，從圖中可以看出，燈頭中心處溫度最高，隨著與燈頭中心距離的增加，溫度逐漸降低。

5 結語

本文設計并實現了一種基于Arduino的多點溫度測量系統，并利用該系統測量了醫用TDP治療燈頭的溫度場分布。TDP燈頭的結構為圓盤形，其電熱絲由內到外環繞在圓盤內，故其溫度分布為中心處最高，由內到外逐漸降低。對系統的測溫數據進行分析后得到其溫度場呈圓形分布，這與TDP燈頭的實際溫度場分布一致。實驗結果表明本系統具有良好的實用性和可靠性。

參考文獻

[1]趙廣元，王文慶，蔡秀梅.基于Arduino和Matlab/Simulink的仿真環境設計研究

[J].測控技術，2014，38（08）：123-129.

[2]賈瑞.基于ArduinoMega2560的無線監控小車設計[J].數字技術與應用，2013，

（10）：144-146.

[3]覃鮮艷.基于DS18B20的無線測溫系統的研究與設計[D].武漢：武漢理工大學，2012 .

[4]何宗虎，張德祥，張玲君.基于單片機的高精度溫度測量系統設計[J].現代電子技

術.2011，34（09）：131-135.

[5]趙宏濤.TDP治療儀的故障分析與維護[J].醫療裝備，2015，（07）：125-125.