基于DS18B20的粮食无线检温系统的设计

裴勇+袁家厚+刘洋

摘要：介绍基于DS18B20的粮仓无线检温系统的硬件与软件设计。该测温系统以单片机STC89C58RD为控制核心，采用模块化设计，结构简单、运行可靠、满足精度要求，具有较高的性价比，适宜在粮仓温度检测中应用推广。

关键词：无线检温系统；模块化结构；硬件；软件

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）12-0014-04

粮食温度检测是粮食日常保管的重要环节。现有粮食检温系统复杂，接点连线多，安装调试困难，急需一种廉价、稳定、可靠、高质、简单易用的检温系统，以彻底解决粮库的检温难题。为此，采用单总线数字测温元件，设计一种简单实用的测温系统。该系统接线少，组合方便，并可把检温结果实时地传送到远端的计算机中进行处理和打印。

1 系统结构及工作原理

1.1 系统组成

该测温系统主要由测温电缆（含传感器）、测温终端和微机组成。系统结构框图如图 1所示。

1.2 工作原理

控制室由计算机经USB-RS485转换器通过无线数据收发器向现场发布命令，由现场的无线数据收发器传送给单片机，单片机接到命令后进行处理。单片机与测温元件DS18B20进行双向通讯，可以进行温度的单点检测、单线缆检测、单仓检测与全部检测，也可以进行状态传输、数据维护等，现场的各个终端都具有各自独立的地址。传输方式更加灵活，在不便于施工架线或储粮现场与管理部门距离较远时，可以使用无线数据传输方式，若干个终端电路共用一个RS485无线模块。

2 硬件设计

该测温系统的所有元件均采用耐-40 ℃低温的元件，各电路均采用模块化设计。检测装置在保证功能可靠的前提下，尽量利用单片机本身的资源，以软代硬。单片机处理电路选用STC89C58RD，其最高时钟频率可达85 MHz，60 Kflash存储器，1 280 Byte RAM，16 K E2PROM，4 kV ESD保护，在系统可编程，这些特点决定了几乎不需要额外扩展接口电路，就可以完全满足要求。该系统采用11.059 2 MHz的系统时钟，这样可充分发挥STC89C58RD的资源优势，降低成本。

2.1 主电路

实际现场中各终端可能相距较远，因此采用RS485标准通信，采用光电耦合器与单片机系统进行隔离，以保证通讯的可靠性。为降低成本，现场的若干个单元电路共用一个RS485无线模块。为防止现场各种干扰造成通讯差错，在数据传输过程中使用CRC校验，以便在通讯错误发生时能够及时发现并予以更正。

2.2 传感器模块

温度传感器采用Maxim公司的1-wire数字测温元件DS18B20，克服了引线长短不同造成的测量误差，并且使应用设计上省略了信号调理、A/D转换、滤波等电路，一致性好，无需调试。其特点是：1） 可用数据线供电，电压范围3.0～5.5 V； 2） 测温范围

-55.0～125.0 ℃，在-10.0～85.0 ℃时精度为±0.5 ℃；3） 可编程的分辨率为9～12位，12位分辨率时可在750 ms内把温度值转换为数字；4） 每一个元件都具有全球唯一的64位序列号。

DS18B20的外形及引脚说明如图2所示，其内部结构如图3所示。DS18B20接线少，只用3根引线就可以挂接十几个测温元件，通过序列号对这十几个测温元件准确完整无误地管理，能够分辨出每个测温点的位置。

检测电路如图4所示。U2是具有光电隔离的RS485模块，采用隔离电源以减少干扰，直接连在通讯总线上或者连接在无线通讯模块上。P0，P2口外接16路检温电缆，传输距离为50 m，每根电缆可挂接20个DS18B20。SW1为8位地址选设置开关。

3 软件设计

该测温系统的应用程序在结构上与硬件配置相适应，采用模块化结构。主程序调用不同的子程序组成完整的系统程序。计算机管理程序以VB编写，具有检测、查询、管理、打印功能。

检测终端电路由初始化程序、主程序、DS18B20单字节读写子程序、序列号匹配子程序、通讯子程序、数据校验子程序、故障代码处理子程序等构成，能完成单点检测、单线缆检测、单仓检测、巡回采集等。终端电路主程序框图如图 5 所示。

在各种子程序设计中，单总线器件DS18B20难度较大，时序配合严密，否则极易造成通讯失败，下面给出了调试通过的DS18B20单字节读/写子程序及延时子程序清单。

4 系统运行可靠性

为了保证系统的可靠运行，必须采取有效的抗干扰措施。在硬件方面，将测量与控制电路电源分开，采用光电耦合器隔离。在软件方面，采用程序陷阱技术、CRC校验、程序冗余技术和看门狗技术（watchdog），保证当程序跑飞时能有效复位。

5 系统实际运行情况

某粮仓有5根电缆，每根电缆10个测温点，检测结果见表1。

由表1的检测结果可以看出，同一电缆的温度环境基本相同，重复性相当好。

目前该测温系统已投入应用，工作温度为-35.0～70.0 ℃，在-30.0～70.0 ℃的范围内无修正时精度可达±0.5 ℃。实际使用结果表明，该系统抗干扰性强，检温精度高，温度反应灵敏。

6 结语

可靠有效的粮食温度监测是安全储粮的关键。本文研发的测温系统，以数字测检温元件取代模拟测温元件，将常见的主机—分机—分线器的3级结构简化为单级结构并行检测终端，软硬件均采用模块化结构，简单可靠，数据传输方式灵活，安装调试方便，具有较高的性价比，能满足生产实际要求。