采用DS18B20和AT89C51设计高精度的多路温度监测系统与进行仿真调试
引言
在实时温度监控系统中，如大棚温度监控、冷库测温、智能建筑温度控制等系统中，经常需要进行多路温度的采集和检测。快速、可靠地采集到高精度温度数据可为控制系统的工作提供可靠的依据。传统上，温度测量方法多以热敏电阻、热电偶等为温度敏感元件，但都存在可靠性差、精度低、需a/d转换以及线路复杂等的缺点。
本文提出采用美国dallas 公司生产的单总线数字温度传感器ds18b20和at89c51单片机构成高精度的多路温度监测系统，在单片机的控制下巡回监测多路温度，高低温度超限报警，并可实现与上位机通讯等功能。
1 ds18b20 简介
dsl8b20是dallas公司推出的1-wire式单总线智能数字温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，温度测量范围为-55~125 ℃；可通过编程实现9~12位的转换精度，对应的可分辨温度分别为0.5 ℃，0.25 ℃，0.125 ℃和0.062 5 ℃，可满足高精度设计要求；在9位分辨率时最多在93.75 ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750 ms内把温度值转换为数字；电源供电范围3.0~5.5 v;读取或写入信息到ds18b20仅需要单总线接口（即将地址线、数据线、控制线合成一条信号线）；测量结果直接输出数字温度信号，串行传送给cpu 同时可传送crc 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；使用ds18b20可使系统结构简洁，可靠性更高。以上特性使得dsl8b20 非常适用于构建高精度的多路温度采集与检测系统。
2 硬件电路设计
系统原理框图如图1 所示，系统由多片ds18b20、at89c51单片机、led 驱动显示电路、温度上下限设定电路、报警提示电路、串行通信接口、时钟电路、复位电路等构成。
系统采用8 片ds18b20 构成温度采集电路，8 片ds18b20采用单总线与并行输入相结合的方式接至单片机的p1口。单片机巡回采集各路ds18b20送来的温度信息后，通过软件设计算法，将处理后的温度信息及相应的温度路数通过led 数码管显示出来，各路温度值的上下限可通过p3.2~p3.4独立式键盘进行设定。若某路超过温度设定的上下限将进行通过p3.5或p3.6进行报警提示。此外，可通过串行口rs 232 模块将各路温度数据送上位机处理。系统采用proteus仿真软件设计的仿真电路如图2所示，此时led显示的是第3路温度值。
2.1 测温电路设计
采用8 片ds18b20 组成多路测温电路。ds18b20内部均有一个全球惟一的64位产品序列号，单片机通过序列号可对一条总线上的多路ds18b20进行控制，读取其温度。但ds18b20仅由单总线采集多路温度数据时，软件设计算法复杂，读取速度慢，无法适用于实时性要求高的测温场合。特别是当单总线上挂接的ds18b20传感器个数大于8个时，采用寄生电源供电方式亦存在总线驱动能力不足等问题[3].为此，本设计采用“单总线结构+并行i/o 口输入”相结合的方式，实时巡回采集多路ds18b20的温度信息。具体做法是：硬件上将8片ds18b20的单总线分别连到单片机的并行p1口引脚，同时各片ds18b20的电源端采用外部电源供电方式，且每个单总线另接一个4.7 kω的上拉电阻到5 v电源以保证达到足够的工作电流；软件上读取多路温度与读取单路温度的操作类似，不需读取读出所用ds18b20的序列号，而只需通过参数传递来循环读取各路温度数据（软件设计中介绍）。
2.2 键盘与led显示电路设计
led显示电路设计：p0口输出显示代码经74ls245驱动后接到8 位led 数码管的段选线，p2 口输出接到led的位选线。正常情况下，8位led数码管用于循环显示通道号及该通道的温度值。
键盘输入设计：采用独立式键盘p3.2~p3.4用来修改温度报警的上限与下限值。系统默认的温度报警上限为50 ℃，下限为-10 ℃。系统上电后，led数码管将先后显示温度报警上/下限值。若按p3.2 键报警值加1;若按p3.3键报警值减1;p3.4为确定键，用于保存修改值。
此外，当系统检测到当前通道温度值超过设定的上、下限时，将通过p3.6,p3.7进行闪光报警提示。
2.3 串行通信设计
检测系统可通过串行口与上位机进行通信，向上位机传送温度值及相应的通道号。实物中通过rs 232串行接口与上位机连接，上位机的控制界面由vb 6.0 编写。当运行proteus软件时，可以从虚拟终端看到上位机接收到的8个通道的温度数据及相应的通道号。
3 软件设计
3.1 软件总体设计
如图3所示。
系统上电复位后，程序主要包括：
（1）系统初始化设置。
（2）按键处理子程序：led 数码管显示上限报警温度值并闪烁，若10 s中之内有按键输入修改温度值，则进行键盘操作直至修改完成，并保存温度上限值；若10 s之内无按键输入或按p3.4“确定”键，则保存上限温度；接着显示下限报警温度值并闪烁，重复上述操作后保存下限报警温度值。
（3）温度报警值设置子程序：实现将8 路的报警温度写入ds18b20中，流程图详见图4所示。
（4）读取温度子程序：在对显示路数初始化后，进行温度值读取，这是软件设计的关键，下面将单独介绍。
（5）温度报警处理：读取某路ds18b20温度值及报警上下限值后，进行比较，若超出范围则启动定时器0,驱动上/下限报警提示单元。
（6）显示当前通道温度子程序：取得当前通道号后，根据读取的2 字节温度值（温度暂存器格式参考ds18b20技术手册），判断其符号位并分别读取其整数部分和小数部分，通过运算后保存到显示缓冲区，进行动态显示，并刷新显示若干时间。
（7）上位机通信子程序：每采集一路温度数据，通过rs 232 串口，将其通道号、温度值发送给上位机，完成相应通道的温度数据采集处理。
（8）循环修改：修改通道号，进行下一路温度数据采集，直至8路温度处理完成，如此循环往复。
3.2 读取温度子程序设计
采用ds18b20进行单路测量时，可直接与单片机相连，不需读取读出器件的64 位产品序列号。当采用ds18b20进行多路测温时，在初始化操作后，通常的做法是需要在线逐个地搜索64 位rom 编码以确认各个ds18b20所在位置，并需对rom编码进行冗余校验，算法设计复杂。且等待多路搜索是否完成需要消耗大量的时间，使程序执行的效率和系统实时性受到了影响。
本设计采用“单总线结构+并行i/o口输入”结合的方式巡回读取多路温度。ds18b20作为单总线芯片，进行信息交换时有严格的读/写时序要求。读取温度子程序流程如图5所示。首先通过参数传递将通道号传给读取温度子程序，接着对ds18b20进行初始化，然后直接执行跳过rom命令（cch），即不读取64位rom编码而直接向ds18b20发出功能命令，节约了时间。之后，再向ds18b20发送温度转换命令（44h），ds18b20启动温度采样与a/d 转换，并将转换数据存储在暂存器中。
然后再次初始化ds18b20,并在再一次跳过rom 命令后，执行单片机读暂存器命令（beh），根据传递参数确定的通道号，可将通道号对应的ds18b20高速暂存存储器的9个字节数据读入单片机中，其中第0,1字节分别是温度值低位（ls byte）和高位（ms byte），第2,3 字节分别是高温限值（th）和低温限值（tl），从而完成某通道ds18b20的温度采集。
3.3 软件设计流程
软件设计流程如图4,图5所示。
4 keil c51 与proteus 联合仿真
软件采用c语言编程，在keil c51集成开发环境下将编写的程序进行编译、调试[6],并生成目标文件（xx.hex）。
同时利用嵌入式仿真软件proteus绘制出电路仿真原理图，cpu 选择at89c51.双击at89c51,在出现的对话框中的“program file”加入已生成的xx.hex文件，并进行仿真调试，调试成功则可以修改温度报警值，及在正常运行时看到循环显示所采集到的温度值、通道号，仿真效果图如图6所示。
5 结语
本设计以proteus 仿真软件作为开发工具，以at89c51单片机作为控制核心，使用ds18b20芯片作为温度传感器，加上适当的外围电路，组成了多路温度巡回监测系统。与传统温度传感器相比，可直接输出数字信号而不必考虑a/d转换问题，抗干扰能力与可靠性大大提升。同时，采用单总线与多路并行输入相结合的方法，克服了ds18b20传统上采用单总线结构时所存在的问题，实现多路温度实时读取、巡回监测、与上位机通信等功能，且系统具有结构简洁、精度高、适应性强、维护方便等优点，在多路温度采集与监测领域中有很好的实用价值。
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采用8 片ds18b20 组成多路测温电路。ds18b20内部均有一个全球惟一的64位产品序列号，单片机通过序列号可对一条总线上的多路ds18b20进行控制，读取其温度。但ds18b20仅由单总线采集多路温度数据时，软件设计算法复杂，读取速度慢，无法适用于实时性要求高的测温场合。特别是当单总线上挂接的ds18b20传感器个数大于8个时，采用寄生电源供电方式亦存在总线驱动能力不足等问题[3].为此，本设计采用“单总线结构+并行i/o 口输入”相结合的方式，实时巡回采集多路ds18b20的温度信息。具体做法是：硬件上将8片ds18b20的单总线分别连到单片机的并行p1口引脚，同时各片ds18b20的电源端采用外部电源供电方式，且每个单总线另接一个4.7 kω的上拉电阻到5 v电源以保证达到足够的工作电流；软件上读取多路温度与读取单路温度的操作类似，不需读取读出所用ds18b20的序列号，而只需通过参数传递来循环读取各路温度数据（软件设计中介绍）。
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键盘输入设计：采用独立式键盘p3.2~p3.4用来修改温度报警的上限与下限值。系统默认的温度报警上限为50 ℃，下限为-10 ℃。系统上电后，led数码管将先后显示温度报警上/下限值。若按p3.2 键报警值加1;若按p3.3键报警值减1;p3.4为确定键，用于保存修改值。
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（8）循环修改：修改通道号，进行下一路温度数据采集，直至8路温度处理完成，如此循环往复。
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3.3 软件设计流程
软件设计流程如图4,图5所示。
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同时利用嵌入式仿真软件proteus绘制出电路仿真原理图，cpu 选择at89c51.双击at89c51,在出现的对话框中的“program file”加入已生成的xx.hex文件，并进行仿真调试，调试成功则可以修改温度报警值，及在正常运行时看到循环显示所采集到的温度值、通道号，仿真效果图如图6所示。
5 结语
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