基于DS18B20的数字式温度采集报警系统设计

汤锴杰， 栗 灿， 王 迪， 张 琴

(重庆交通大学 机电与汽车工程学院，重庆 400074)

0 引 言

测温系统在粮食仓储、医疗保健、交通运输、智能家居和温室大棚以及电力电讯系统等领域都有广泛应用，带有报警功能的系统还能减少温度事故的风险[1]。

目前，测温装置采集的温度值仍以模拟信号为主，微处理器只能处理数字信号，需先A/D转换，使得装置结构复杂、精度不高，数字式温度传感器的出现解决这一问题。以DS18B20为代表的新型数字温度传感器集温度采集和A/D转换于一体，直接输出数字信号，与单片机接口电路简单[2]。DS18B20具有单总线、体积小、分辨率高、抗干扰强等特点，在冻土区公路路基温度场测量[3]和轴承温度检测[4]等场合都有应用。该传感器有唯一的64位序列号，单信号线能挂多器件，实现远距离、多点分布式测温。

本文以51单片机为处理核心，利用DS18B20组成测温模块，加上按键模块、显示模块和报警模块等，设计出一种多场合适用的数字式温度采集报警系统，实现指定温度的同步采集、显示、报警和控制多重功能。该测温报警系统已通过PROTUS仿真平台的模拟仿真测试，并用电路板成功验证其功能，装置运行稳定、测温效果好、误差小。

1 系统方案结构设计

该系统包括核心AT89S52单片机及其外围电路、测温模块(DS18B20数字式温度传感器)、电源模块、显示模块(驱动电路、多位LED数码管)、按键模块、报警模块(蜂鸣器、LED发光二极管),如图1所示。

图1 测温系统框图

采用DS18B20智能温度传感器，输出数字信号，无需处理和转换，只要严格遵守DS18B20的读写时序就能准确读取实时温度[5]。

该系统精度高,程序相对复杂，但电路简单、体积小，有利于系统的智能化和轻量化。单总线挂多片DS18B20，微机只需一根数据线能与多片DS18B20通信的特点[6]也符合多点测温的要求。

2 主要元器件选型

2.1 处理器

本系统处理器选用AT89S52单片机。AT89S52是Atmel公司的一种高性能、低功耗8位CMOS微处理器，8K系统可编程FLASH存储器使其下载线路简单，并能实现串并行模式的在线编程[7]。该芯片内部有3个16位定时/计数器，1个全双工串行口，4个I/O口和256 bytes的RAM，程序调试方便。

2.2 数字式温度传感器DS18B20

DS18B20温度传感器是DALLAS半导体公司生产的一线式智能数字温度传感器，是世界上首片支持“单线总线”接口的温度传感器，具有传输距离远、体积小、接口简单等特点[8]。

DS18B20内部主要由温度传感器、配置寄存器、64位的ROM和高低报警触发器TH和TL等部件构成[9]，其中，光刻ROM是实现多点测温的关键。

温度测量转换后以16位带符号扩展的二进制补码形式输出，储存在DS18B20 2个8 bit的RAM中。

3 系统硬件设计

系统的硬件电路主要由测温模块、电源模块、显示模块、报警模块和按键模块这5大模块组成。总体电路原理图如图2所示，AT89S52单片机接一个11.059 2 MHz的晶振电路提供外部时钟，复位端RESET接看门狗电路，形成一个最小单片机系统。

系统能实现以下功能：

1)DS18B20采集温度，单片机负责对传感器的通信和控制；2)显示模块实时显示处理后的温度值；3)报警模块监测温度范围，当超过温度上下限时利用LED二极管和蜂鸣器产生报警信号，提醒使用者采取措施；4)按键模块根据需要设置报警值，提高实用性。

3.1 电源模块

电路采用+5 V的工作电压为单片机、采集、报警等电路供电，硬件制作时另外加入一个独立电源模块。

3.2 温度采集模块

DS18B20利用单总线特点，通过一只4.7 kΩ上拉电阻器把温度输出端DQ和P0.3口相连，单片机通过该导线对初始化传感器和完成温度采集。传感器的GND接地，VDD可以采用数据线供电，也可以采用外部供电，为提高抗干扰能力，本设计采用外部电源供电方式。

图2 硬件电路结构

3.3 显示模块

为节约硬件接口，采用动态扫描显示方案。动态扫描是循环移位法，利用人眼的视觉暂留实现连续显示的效果。本设计采用6位带小数点的8段共阴极数码管来显示温度值，其中,第一位是正负符号位，第二，三，四，五位分别显示温度的百位、十位、个位和小数位数值，最后一位显示温度单位℃。单片机的P2口(P2.0～P2.7共8位对应8个字段)通过驱动芯片74LS245与数码管的段选公共信号线相连，P3口的P3.0～P3.5与数码管的位选信号线相连，实现位选控制。

3.4 报警模块

为了增加安全系数，报警电路采用声光双重保障的报警方式，包括1个蜂鸣器和2个不同颜色的LED发光二极管。采集的温度不断地与设定的温度阈值比较，当温度高于上限阈值时，P3.7口的蜂鸣器发出高频报警信号，同时点亮P0.6口的红色LED灯，进行高温报警；当温度低于下限阈值时，蜂鸣器发出低频报警信号，同时点亮P0.7口的蓝色LED灯，进行低温报警。

3.5 按键模块

通过按键实现人机交互，调整温度阈值，使系统适用更多场合。此模块由两部分组成，一部分是控制按键(K1～K4)，另一部分是指示灯，占用单片机P1.0～P1.5端口，具体见图3。当按下K1，红灯亮，表明进入上限设置状态，通过按键K2(+)和K3(-)调整温度，同时显示模块同步显示温度值设置，调整完成后再次按下K1退出。下限温度值调整(K4)过程与上限一致，不再赘述。

4 系统软件设计

DS18B20硬件电路简单，须用相对复杂的软件设计提供合理的逻辑时序，才能保证工作的可靠准确[10]。DS18B20主要包括初始化、总线读取和总线写入3种操作，而且都必须严格遵循时序要求，下面将对这三方面进行深入分析。

4.1 指令说明

根据DS18B20的通信协议，传感器在工作时必须利用其提供的ROM指令和存储器RAM指令进行操作，2种指令都以8 bit字长的十六进制形式在程序中出现，常用的代码和具体含义如表1和表2所示。每次温度转换一般都经过三步：复位操作、发送ROM指令、发送RAM指令，然后读取温度。

表1 ROM指令

表2 RAM指令

4.2 初始化时序

初始化是DS18B20底层基本操作之一，相当在单片机和传感器之间建立通信桥梁，为后面操作做准备。初始化脉冲包括CPU发出的复位脉冲和传感器发出的响应脉冲。初始化脉冲时序如图3所示。

图3 DS18B20初始化时序

主机先发出480～960 μs的复位脉冲(低电平信号)，然后释放总线进入接收模式(RX)，当DS18B20检测到总线释放时的上升沿后等待15～60 μs，然后发出一个延时60～240 μs的低电平响应脉冲，此时传感器的DQ置1，主机也置1，初始化过程完毕，传感器处于既可读取又可写入的状态。

4.3 总线写入时序

单片机向DS18B20写数据，是指令和数据发送的基本操作，采用位右移操作实现低位在前高位在后的逐位写入，主要包括写“0”和写“1”2种时序。写时序从主机拉低总线大于1 μs开始，在随后的15 μs内把待发送的信号发送至DQ上，等待传感器对其进行采样，传感器在45 μs内完成对数据的采集。数据采集时，如果总线是高电平，写入逻辑“1”；反之，写入逻辑“0”。从图4的写时序看出，一个写周期至少需要60 μs，2个写周期之间须有一个大于1 μs的间隔。

图4 DS18B20写入时序

4.4 总线读取时序

单片机从DS18B20读取数据，包括温度的采集和其他状态信息的回传，也是以位为单位，包括读“0”和读“1”两种时序。读取也是以总线拉低至少1 μs作为启动信号，然后置1并保持至少60 μs进入接收状态。传感器在接收到启动信号后15 μs内把数据(0或1)发送到DQ端供单片机读取，主机由低到高依次读取8位二进制数，随后的45 μs又释放总线。读时序如图5所示，这是一个读“1”的时序图，即使主机在15 μs内就完成数据读取，仍要求1个读周期应大于60 μs，且2个读周期之间要有一个大于1 μs的恢复间隔。

图5 DS18B20读取时序

4.5 温度采集程序

下面以温度采集程序为例，对源代码进行简单说明：

∥功能：启动DS18B20温度转换

Void Convert_18B20(Void)

{RST_18B20(); ∥初始化

WR_18B20(0xcc); ∥跳过ROM识别

WR_18B20(0x44); ∥启动温度转换}

∥功能：读取返回DS18B20温度值

Int Read_18B20(Void)

{RST_18B20(); ∥初始化

WR_18B20(0xcc); ∥跳过ROM识别

WR_18B20(0xbe); ∥读DS18B20暂存器

Temp_8[0]=RD_18B20; ∥读温度低位

Temp_8[1]=RD_18B20; ∥读温度高位

return(Temp_8); ∥返回2字节温度值}

5 实验测试

测试温度值如表3。

表3 真实值与测量值对比

系统误差小于0.5，测试结果表明：系统的精确度较高，实用性强。

6 结束语

本文设计了一种基于AT89S52单片机和DS18B20数字温度传感器的温度采集报警系统，对软硬件设计进行详细说明。该设计具有结构简单、精度高和稳定性好等优点， 适用于粮仓、电力机房、轴瓦、空调、冰箱和工农业等领域，DS18B20单总线和多点式测温特点使其扩展性加强，具有广阔的市场前景。

参考文献:

[1] 李会聪.DS18B20多点测温方法探讨[J].微计算机信息，2010，26 (9)：166-167,188.

[2] 张宇宁，周 颖.DS18B20数字式温度测量装置的研究[J].机械工程与自动化，2012(4)：149-151.

[3] 何东坡，任贵波，韩春鹏 ，等.DS18B20在季冻土区公路路基温度场测量中的应用[J ].电子技术应用，2010，36 (4 )：48-50.

[4] 张海传，吴晨霞，许东卫，等.低功耗轴承温度无线检测系统的设计[J ].电子技术应用，2009，35 (10 )：96-98，102.

[5] 赵海兰，赵祥伟.智能温度传感器DS18B20的原理与应用[J].现代电子技术，2003(4)：32-34.

[6] 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(9)：91-93.

[7] 胡亚琦.单片机原理及应用系统设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2010，10.

[8] 刘建亭，毛善坤.DS18B20工作原理及基于C语言的接口设计[J].仪器仪表用户，2005(6)：138-140.

[9] Qiao Xiaojun，He Xiuhong.Design and implement of multi-point soil temperature measurement system[J].Journal of Shenyang Agricultural University，2006(37)：126-127.

[10] 顾振宇，刘鲁源，杜振辉.DS18B20接口的C语言程序设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2002(7)：22-24.