基于LabVIEW 和DS18B20 的智能恒温控制系统设计

王芳原

（西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西西安 710048）

0 引言

随着科学技术的发展和应用，测量温度逐渐趋于智能化和高精度。在温度控制行业国内外有不同类型的温度测量与控制的方法，其中最重要的就是研发智能恒温控制的传感器。DS18B20 作为一种新型智能温度传感器在温度检测中被普遍应用，它的基本特点是体积很小，能够适用较宽范围的电压，和单片机接口也十分简单。它的测温检测范围较宽，分辨率较高（0.5 ℃），采用12 位数字读写方式，内部主要由ROM、寄存器、报警触发器、温度传感器等组成[1]。

智能恒温控制系统采用STM32F103RCT6 作为主控芯片，温度采用DS18B20 温度传感器对环境温度进行实时采集。具体方法是将温度传感器接入电路中，利用感应器可将温度转换成输出数字信号。通过单片机Keil 程序语言编程，将温度信息在单片机显示屏上进行显示。上位机系统是利用LabVIEW 软件来实现的。LabVIEW 软件可以将所采集到的温度数据变化以及温度曲线实时显示在显示屏幕上，并保存在电脑中方便查询分析以及智能化控制。

1 系统方案

1.1 下位机设计方案

控制系统下位机主要由温度传感器及信号处理单元、A/D 转换采样单元、中央控制单元、温度控制单元、显示单元、输入设备单元等组成[2]。

下位机以STM32F103RCT6 单片机作为系统温度的控制核心单元，通过单片机程序执行温度的自动化控制。温度传感器作为环境温度的采集和数字输出，通过单片机的OLED 显示屏最终显示环境温度值。控制设计采用DS18B20 温度传感器组成温度信号采集及信号处理单元检测环境温度，它本身就能将测量到的环境温度转换成数字信号，并将得到的数字信号通过采用“一线总线”接口通信输送给STM32 单片机进行控制并输出，STM32 单片机的显示单元利用OLED 屏显示出当前的环境温度信息。方案采用价格便宜且性能稳定、抗干扰能力强、精度较高的器件。但由于传感器和单片机本身具有一定的误差，所以测量的结果可能会有一些误差，但已经满足诸多行业的实际应用[3]。

1.2 上位机设计方案

应用LabVIEW 简便的图形化编程的特点编辑上位机界面[4]，LabVIEW 是美国NI 公司开发的一种图形化编程软件，用图标来创建应用程序，产生的程序是框图形式。LabVIEW 编程非常方便，给用户内置了常用的控件，控件保持与传统仪器相似的风格（如示波器、多用表），可用来方便地创立用户界面（前面板）。并且能够通过编程控制前面板上的控件完成界面的显示功能。LabVIEW 软件为STM32 开发了专门的接口工具包，把这个工具包和NI 软件结合起来，通过LabVIEW软件即可实现对STM32 的控制或交换数据。从下位机传输至上位机的数据都可以在LabVIEW 中实时显示、绘制波形。在温度传感器检测到相应的测量数据后，将数据打包发送至STM32 单片机，在处理数据后向上位机LabVIEW 发送数据，从而达到显示数据的要求[5]。

2 主要硬件设计

2.1 主控模块

STM32F103RCT6 芯片是ARM Cortex-M 内核的32 位微控制器，兼容标准MCS-51 指令系统，引脚也和80C51 引脚兼容，它的内部集成通用32 位中央处理器和ISPFlash 存储单元，STM32F103RCT6 功能强大的微处理器能够实现多种嵌入式控制应用系统的方案，它的性价比较高。STM32F103RCT6 芯片具有以下特性：①指令集和芯片引脚与Intel 公司的8051 兼容；②512 KB可编程Flash 程序存储器；③时钟频率为0～72 MHz；④64 字节片内随机读写存储器（RAM）；⑤64 个可编程输入/输出引脚；⑥84 个中断源，2 级优先级；⑦全双工串行通信接口；⑧监视定时器。

2.2 温度传感器（图1）

图1 温度传感器

美国达拉斯半导体公司的DS18B20 智能型温度传感器是具有“一线总线”方式的新型智能型温度传感器，采用“一线总线”的连接方式后，接线简化，ST32单片机采用通信的方式来对DS18B20 温度数据等进行读取操作。DS18B20 也不需要使用外部元器件就能给总线提供电源，正常工作电压在3.0～5.5 V，它的测量温度范围最低可达-55 ℃、最高是+125 ℃。如果温度在-10～+85 ℃的范围内，它的测量精度能达到±0.5 ℃。可编程温度传感器的分辨率为9～12 位，温度转换成最大值为750 ms 的12 位数字格式。因为DS18B20 在出厂时候就有了不同的身份识别号，所以在使用上就非常方便的在一条总线上可以同时连接多个DS18B20 传感器。DS18B20 传感器有不同的引脚封装方式，而且具备在恶劣环境中工作，可以应用到许多不同的场合还能够组成网络。由于是“一线总线”方式通信，在程序编写时候就需要多ROM 事先编程设定，这样可以使用传感器的记忆控制功能。在使用中用户也可自己设定非易失性温度报警范围。它的应用范围非常广泛，可以应用在食品冷冻库、药品储存、电信机房、生产车间、家用电器等领域，也可以适用狭小空间的工业设备的测温控温，也能作为供热/制冷管道热量计量。其主要技术性能如下[6]：测温范围-55～+125 ℃，固有测温误差1 ℃；支持多点组网功能，多个DS18B20 传感器可在唯一的三线上并联，最多只能并联8 个，实现多点测温，若数量过多则会造成供电电压过低，造成信号传递不稳定；工作电源：DC 3.0～5.5 V（可以数据线寄生电源）；使用过程中不需要任何外设部件；以9～12 位的数字量串行传送测量结果；不锈钢保护管直径Φ6 mm；适用于各种介质工业管道及DN15～DN25、DN40～DN250 的狭小空间设备测温；标准安装螺纹任选；PVC 线直接出线或德式球形接线盒出线，与其他电器设备连接方便。

3 系统软件流程设计

3.1 系统软件流程设计（图2）

图2 系统软件流程

系统软件设计流程包括开始配置程序、初始化程序、DS18B20 查询、ROM 操作命令、存取操作命令、读取温度值等程序块主要实现使用单片机对温度传感器数据采集和读取操作，主要过程是STM32F103RCT6 单片机的初始化配置，检测温度传感器是否存在，根据编写的单片机程序进行工作，读取环境温度值并在单片机显示屏上展示温度。同时上传到上位机上，将温度变化曲线显示出来。在LabVIEW 上位机中设置好串口信息并点击串口开关，可以把从下位机监测到的数据显示到上位机的波形图上，并将数据保存在数据读取缓冲区等待读取。同时，数据文件还能保存在Excel 文件中，便于后期查询历史数据。部分程序代码如下：

3.2 DS18B20 传感器原理与LabVIEW 串口配置程序

温度传感器原理及上位机LabVIEW 与STM32 串口通信配置如图3 所示。DS18B20 对温度的采集更为准确。LabVIEW 程序能够实现上位机的实时数据和曲线的显示和保存，在LabVIEW 上位机中设置好串口信息并点击串口开关，可以把从下位机监测到的数据显示到上位机的波形图上，并将余量数据保存在数据读取缓冲区等待读取。同时，数据文件还能保存在Excel文件中，便于后期查询历史数据。

图3 温度传感器原理和LabVIEW 串口配置

4 结束语

智能恒温控制作为测控技术与仪器专业的前沿技术，在计算机硬件与软件技术不断发展进步下，智能恒温控制的深入研究已经步入了一个全新的智能化阶段，设计的基于LabVIEW 和DS18B20 智能恒温控制系统设计，只是对温度控制系统做了一个比较基础的设计方案，但整个设计还是具有较好的实用性，精确度更高、功耗更低、集成度更高、接口电路简单等优点，可以很方便地应用到各行业的温度控制系统中。该方案的设计参考了经典的恒温控制技术，同时借鉴了先进的智能自动控温技术，集成了传感器技术、控制技术、微处理器技术、软件技术等，实现了对温度的智能监测和调节，具有一定的实用价值。