基于DS18B20的多点温度采集系统设计

ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　ＷＯＲＬＤ・技术交流　基于Ｄ￥１８Ｂ２０的罗　点温度采集系统设计　岭南师范学院网络与信息技术中心　叶小乐　【摘要】￣ＸＤＳＩ８Ｂ２０数字温度传感器和ＡＴ８９Ｃ５２单片机为核心，设计了一种多点温度采集系统。系统由Ｄｓ１８Ｂ２０ｉ￣度采集模块、ＲＳ一２３２串　．口通信模块、ＬＣＤ１６０２液晶显示模块和声光报警等模块组成。给出了系统的具体硬件电路与程序设计，实现了对多点温度的采集、显示、传　输和异常报警。系统可以广泛应用于粮仓、温室大棚等农业生产领域，具有广阔的应用前景。　【关键词】温度采集；ＤＳ１８Ｂ２０；单片机　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｍｕｌｔｉ－ｐｏｉｎｔ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＤＳ１８Ｂ２０　ＹＥ　Ｘｉａｏ—ｌｅ　（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｚｈａｎｊｉａｎｇ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈａｎｊｉａｎｇ　５２４０４８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｍｕｌｔｉ－ｐｏｉｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉＳ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＤＳ　Ｉ　８ｂ２０　ｄｉｇｉｔａｌ　ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ　ａｎｄ　ＡＴ８９Ｃ５２　ＭＣＵＴｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｎｓｉｓｔｓ　．ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ，ＲＳ－２３２　ｓｅｒｉａｌ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ，ＬＣＤＩ６０２　ｍｏｄｕｌｅ，ｖｏｉｃｅ　ａｎｄ　ｌｉｇｈｔ　ａｌａｒｍ　ｍｏｄｕｌｅＴｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　．ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｏｆｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｒｅａｌｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ。ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　ａｂｎｏｒｍａｌ　ａｌａｒｍ　ｏｆｍｕｌｔｉ—　ｐｏｉｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｂｅ　ｗｉｄｅｌｙ　ａｐｐｌｉｅ　ｉｎ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　ｄｏｍａｉｎ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｇｒａｎａｒｙ，ｇｒｅｅｎ　ｈｏｕｓｅ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ，ｉｔ　ｈａｓ　ｗｉｄｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ．　ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ：ＤＳ１８Ｂ２０：ＭＣＵ　０引言　温度是农业生产中的一个重要参数，在众多农业生产领域中需　要对温度进行监测，大型粮仓需要对上百个点的温度进行监测，掌　握各个点在不同时刻的温度变化，以提高仓储量，同时有效地避免　发生霉变现象。针对这种需要多点温度采集的情况，本文设计提出　了一种基于ＡＴ８９Ｃ５２单片机和ＤＳ１８Ｂ２０数字温度传感器的多点温度　采集系统。系统可以实时获取多点温度数据，并将温度值与报警设　定值进行比较，判断是否发出声光报警，同时将温度值送ＬＣＤＩ６０２　进行实时显示，并把温度数据通过串口通讯传输给上位ＰＣ机，由　ＰＣ机处理后通过网络传输到控制中心。　２３２串行接口，通信距离能够达到ｌ５米，上位ＰＣ机通过ＶＣ程序控制　串口来接收单片机发送的温度数据，所以系统能够满足在需要较大　范围温度测控的场合布置使用。　１　多点温度采集系统设计　１．１系统结构设计　系统的控制核心选用８位单片机ＡＴ８９Ｃ５２，由ＤＳＩ８Ｂ２０温度采　集模块、ＲＳ．２３２串口通信模块、ＬＣＤＩ６０２液晶显示模块和声光报警　模块组成，如图１所示。　图２系统电路图　２硬件模块设计　图１系统结构图　１．２系统电路设计　根据系统结构设计出包含ＡＴ８９Ｃ５２单片机与ＤＳｌ　８Ｂ２０数字温度传　感器、串Ｌ１、ＬＣＤ以及声光报警电路的整体电路图，如图２所示。　这里ＡＴ８９Ｃ５２单片机采用ＤＩＰ一４０封装，包括４组８位的输入／输　出口：ＬＣＤ１６０２的ＤＯ～Ｄ７引脚连接单片机的Ｐ０．Ｏ～Ｐ０．７口，ＲＳ引　脚连接单片机的Ｐ３．５口，Ｅ引脚连接单片机的Ｐ３．４口；声光报警电　路连接单片机的Ｐ２＿３口；ＤＳｌ８Ｂ２０数字温度传感器采用单总线技术　（１．ＷｉｒｅＢｕｓ），即在单片机接口中只用一根导线（Ｉ／０信号线）就　可以连接多个数字温度传感器，并能够直接把被测温度值转化为串　行信号在单总线上传输，这里选用单片机的Ｐ２．１口通过单总线与两　个ＤＳｌ８Ｂ２０的数据线引脚ＤＱ相连，单总线通过１ＯＫ的上拉电阻Ｒ６　连接＋５ｖ电源，ＤＳＩ８Ｂ２０传感器可位于离单片机ｌ５０ｍ以内的任何地　方：并且为了能够和上位ＰＣ机进行长距离数据传输，系统选用ＲＳ．　２．１　ＤＳ１８Ｂ２０温度采集模块　系统使用的是美国ＤＡＬＬＡＳ半导体公司推出的系列单总线温　度传感器芯片ＤＳ１　８Ｂ２０…，该芯片具有以下优点：　（１）体积　小，只有电源、接地、数据线共３个引脚，极大地节约了系统资　源　Ｊ：　（２）功耗低、成本低、性能高；　（３）测温范围，　。可　测范围在．５５℃到＋１２５℃之间；　（４）可组网，每个ＤＳｌ８Ｂ２０都有　唯一的序列号，可用于多点测温：　（５）线路简单，ＤＳｌ８Ｂ２０作为　１．ｗｉｒｅ单总线数字温度传感器，采用一根信号线实现信号的双向传　输，接Ｅｌ简单，便于扩展和维护　，只需要占用单片机的一个端　口即可通信，本设计采用ＡＴ８９Ｃ５２单片机的Ｐ２．１端口与ＤＳｌ８Ｂ２０　进行通信，详见图２所示：　（６）适用电压宽，从３Ｖ一直到５．５Ｖ：　（７）用户可以在９位到ｌ２位之间选择数字温度的分辨率，传感器直　接输出温度值的数字信号，抗干扰能力好：　（８）可在内部设置温　度的上、下限告警。　基金项目：岭南师范学院自然科学基金项目（Ｌ１２１１）。　・１Ｏ０・电子世再　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　Ｗ０ＲＬＤ・　：　２＿２　ＡＴ８９Ｃ５２单片机　系统选用美国ＡＴＭＥＬ公司制造的８位单片机ＡＴ８９Ｃ５２做主控　制器。这种单片机采用ＡＴＭＥＬ公司的高密度非易失存储器技术生　产，兼容工业标准的ＭＣＳ一５１指令系统和８０５２的产品引脚，片内含　有８ｋ字节可擦写Ｆｌａｓｈ只读程序存储器（ＰＥＲＯＭ）与２５６字节随机数　据存储器（ＲＡＭ）。该单片机拥有１个８位ＣＰＵ，１个片内振荡器及　时钟电路，３个１６位定时／计数器，２１个特殊功能寄存器，４个８位并　行Ｉ／Ｏ口，共３２条可编程Ｉ／Ｏ端线，１个可编程全双工串行口，８个中　断源Ｈ　。ＡＴ８９Ｃ５２单片机可以为嵌入式系统行业提供高性价比、　高灵活度的解决方案。　２．３　ＬＣＤ１　６０２液晶显示模块　这里采用ＬＣＤ１６０２液晶显示模块来实时显示所测温度。该款　液晶显示模块以其功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧、体积小的优　势，被广泛应用于低功耗的应用系统和袖珍式仪表当中。这种工业　字符型的液晶显示模块能够同时显示２行，每行ｌ６个字符，共计３２　个字符，本设计每行显示一个采集点的温度值。该液晶模块自带标　准字库，有１６０个不同的点阵字符图形被存储于其内部字符发生存　储器（ＣＧＲＯＭ）中，这些字符包括英文字母的大小写、阿拉伯数　字、常用的符号等，每一个字符均对应有一个固定的代码。可以通　过指令编程来实现对液晶显示模块的读写、屏幕和光标的操作等。　２．４声光报警模块　系统实时测量各点温度，如果温度达到告警设置，则由单片机　的系统软件控￣ｌＪＰ２＿３引脚交替输出高低电平，使三极管驱动声光设　备发出报警。　２．５串口通信模块　ＡＴ８９Ｃ５２单片机的串行接口与ＲＳ．２３２标准串口通信连接的接　口电路详见图２所示。因为ＡＴ８９Ｃ５２单片机的串行接口采用ＴＴＬ电　平，从而和采用ＲＳ一２３２电平的ＰＣ机串口在接口规范上不一致，所　以需要在单片机的串行接口和ＰＣ机的标准串行接口之间进行电平　转换，这里采用的是ＭＡＸ２３２接口芯片来实现ＴＴＬ电平￣ｔＪＲＳ．２３２接　口电平的转换的。　３系统软件设计　系统软件使用Ｋｅｉｌ　Ｃ５１开发，采取模块化的设计方法，使程序　的结构清晰，提高了开发调试的效率，利于以后软件的升级和系　统功能的扩展。程序设计模块主要包括主程序、温度转换子程序、　ＤＳ１８Ｂ２０时序子程序等。　３．１主程序　主程序的主要功能是负责温度数据的实时处理：调用温度转换　子程序获取实时温度数据，将实时温度值与报警设定值进行比较，　判断是否发出声光报警，同时将温度值送ＬＣＤ１６０２进行实时显示，　并同时把温度数据由串口通讯实时发送给上位ＰＣ机。主程序流程　图如图３所示。　图３主程序流程图　主程序相关代码程序如下：　ｖｏｉｄ　ｍａｉｎ（）｛　ｕｉｎｔｉ；　ｌｆｏａｔ　ｔｅｍｐｒ；　ｉｎｉｔ０；／／初始化函数　ｗｈｉｌｅ（１）｛　ｆｏｒ（ｉ＝０１　ｉ＜２１　ｉＨ）｛　ｔｅｍｐｒ＝ｇｅｔ　ｔｅｍｐ（ｇｅｔ＿ｓｅｒｉａｌ＋ｉ　８）；／／调用温度　转换程序获取实时温度数据　ｉｆ（ｉ—Ｏ）ｆ，　骞一个温度传感器　ｉｆ（ｔｅｍｐｒ＞ｗａｒｎ１）｛ｗａｒｎ（１）；）／／判断温度是否超标报警　ｗｒｉｔｅ　ｃｏｍ（Ｏｘ８０）；／／ＬＣＤ　在　的第一行显示ｓｐｒｉｎｔｆｔａｂｌｅｌ＋６，”％０．Ｉｆ”，￣ｍｐＯ；／／精确　到小数点后一位　ＤｉｓｐｌａｙＬＣＤＳｔｒｉｎｇ（ｔａｂｌｅ１）／／送往ＬＣＤ显示　ＳｅｎｄＣＯＭ＿Ｓｔｒｉｎｇ（ｔａｂｌｅ１）１／／由串口发送给上位Ｐｃ机　｝　ｉｆ（ｉ＝＝１）ｆ，／第二个温度传感器　ｉｆ（ｔｅｍｐｒ＞ｗａｒｎ２）｛ｗａｎｒ（２）；｝／／判断温度是否超标报警　ｗｒｉｔｅ　ｃｏｒｎ（０ｘ８０＋Ｏｘ４０）；∥在ＬＣＤ的第二行显示　ｓｐｒｉｎｔｆ（ｔａｂｌｅ２＋６，”％０．１　ｒ＇，ｔｅｍｐＯ１／／精确　到小数点后一位　ＤｉｓｐｌａｙＬＣＤ＿Ｓｔｒｉｎｇ（ｔａｂｌｅ２）１／／送往ＬｃＤ显示　ＳｅｎｄＣＯＭ＿Ｓｔｒｉｎｇ（ｔａｂｌｅ２）；／，由串口发送给上位Ｐｃ机　｝）｝｝　３＿２温度转换子程序　ＤＳ１８Ｂ２０在上电后是处于空闲状态的，依据其单总线协议，每　次温度转换都需要单片机通过以下４个步骤器发送命令控制传感器　来完成：　（１）对ＤＳ１８Ｂ２０进行初始化即复位操作；　（２）初始化成　功后发送ＲＯＭ指令用于识别器件：　（３）发送一条ＲＡＭ指令控制　ＤＳ１８Ｂ２０完成相应操作；（４）收发数据。由此设计温度转换子程序的　程序流程图如图４所示。　图４温度转换子程序流程图　ＤＳ１８Ｂ２０完成温度转换后得到的ｌ２位数据存储于两个８位的　ＲＡＭ中，如果温度小于０，需要把测得的数值取反加１再乘以０．０６２５　便是实际温度，如果温度大于Ｏ，把测得的数值乘以０．０６２５就是实　际温度。编写设计温度转换子程序如下：　ｌｆｏａｔ　ｇｅｔｔｅｍｐ（ｕｅｈａｒ　ｒｏｍ）∥Ｄｓｌ８Ｂ２Ｏ温度转换函数　＿｛　ｕｃｈａｒ　ａ，ｂ：　ｕｉｎｔｔｅｍｐ；　ｌｆｏａｔｆ＿ｔｅｍｐ；　ｄｓｒｅｓｅｔ０：／／对ＤＳ１８Ｂ２０进行初始化即复位操作　ｄｅｌａｙ（１）；　ｔｅｍｐｗｒｉｔｅｂｙｔｅ（０ｘ５５）￣／／匹配ＲｏＭ指令，用来选定与所给ＲＯＭ编码相匹　配的传感器　电子ｔ蟹Ｉ●・１０１・　ＥＬＥＣＴＲＯＮｌＣＳ　ＷＯＲＬＤ・　ｔｅｍｐｗｒｉｔｅｒｏｍｃｏｄｅ（ｒｏｍ）：／／发送一个ＲＯＭ编码　笏　ｊ＝ｔｅｍｐｒｅａｄｂｉｔ０；　ｔｅｍｐｗｒｉｔｅｂｙｔｅ（０ｘ４４）；／／发送温度转换指令　ｄｓｒｅｓｅｔ０；／／对ＤＳ１８Ｂ２０进行初始化即复位操作　ｄｅｌａｙ（１）；　｝　ｄａｔ＝０＜＜７）ｉ（ｄａｔ＞＞１）；，，刚好一个字节在ｄａｔ里　ｒｅｔｕｒｎ（ｄａｔ）；　ｔｅｍｐｗｒｉｔｅｂｙｔｅ（Ｏｘ５５）；，／匹配ＲｏＭ指令，用来选定与所给ＲＯＭ编码相匹　配的传感器　ｔｅｍｐｗｆｉｔｅｒｏｍｃｏｄｅ（ｒｏｍ）；／／发送一个ＲＯＭ编码　）　（３）写时序：对于ＤＳ１８Ｂ２０的写时序分为写０时序与写１时序　两个过程。写“Ｏ”时序用于主机向ＤＳ１８Ｂ２０写入Ｏ，写“１”时序　ｔｅｍｐｗｒｉｔｅｂｙｔｅ（０ｘｂｅ）；／／发送读出暂存器指令　ａ＝ｔｅｍｐｒｅａｄｂｙｔｅ０；／／读低８位　ｂ＝ｔｅｍｐｒｅａｄｂｙｔｅ０：／／读高８位　ｔｅｍｐ＝ｂ：　ｔｅｍｐ‘＜：８；／／两个字节组合为１个字　ｔｅｍｐ　ｔｅｍｐ　ｌ　ａ：　ｉｆ（（ｔｅｍｐ＆０ｘｆＳ００）一０ｘｆＳ００）｛，，判断温度正负值　ｆｔｅｍｐ＝（￣ｔｅｍｐ＋１）　Ｏ．０６２５　一１；　｝ｅｌｓｅ｛　ｆ　ｔｅｍｐ＝ｔｅｍｐ　Ｏ．０６２５：，／温度在寄存器中为ｌ２位分辨率　位０．０６２５度　）　ｒｅｔｕｒｎ　ｆｔｅｍｐ；／／返回实际温度值　）　３．３时序子程序　由于ＤＳ１８Ｂ２０是采用单总线协议方式在一根Ｉ／Ｏ线上进行数据　的读写，这要求对数据位的读写有着严格的时序来保证各位数据得　到正确完整地传输，并且所有的数据读写均由最低位开始。本系统　单片机使用的晶振频率是１１．０５９２ＭＨｚ，根据ＤＳ　ｌ　８Ｂ２０的初始化时　序、写时序和读时序要求，分别设计编写了３个子程序。　（１）初始化时序：它是单总线上所有传输过程的开始。整个　初始化过程由主机发出的复位脉冲和ＤＳ１８Ｂ２０发出的响应脉冲组　成。初始化时序子程序如下：　ｖｏｉｄ　ｄｓｒｅｓｅｔ（ｖｏｉｄ）ｆ∥初始化时序函数　ｕｉｎｔｉ；　ｄｓ＝０；　／／拉低总线　ｉ＝１０３；　ｗｈｉｌｅ（ｉ＞０）／／延时　ｉ－－；　ｄｓ＝１；／／释放总线　ｉ＝４：　ｗｈｉｌｅｆｉ＞０）／／延时　ｉ－－；　｝　（２）读时序：ＤＳ１８Ｂ２０只有在检测到主机启动读时序后才向　主机传输数据。因此在主机发送了读数据命令后，必须马上产生读　时序，以便ＤＳ１８Ｂ２０￣够传输数据。读时序子程序如下：　ｂｉｔｔｅｍｐｒｅａｄｂｉｔ（ｖ０ｉｄ）｛　∥读１位数据时序函数　ｕｉｎｔｉ；　ｂｉｔ　ｄａｔ；　ｄｓ＝Ｏ；　／／拉低总线　ｉ＋＋；／／ｉ＋＋起延时作用　ｄｓ＝１；／／释放总线　ｉ＋＋；／／ｉ＋＋起延时作用　ｉ＋＋：　ｄａｔ＝ｄｓ；／／读１位数据　ｉ＝８：　ｗｈｉｌｅ（ｉ＞０）／／延时　ｉ－－；　ｒｅｔｕｒｎ（ｄａｔ）；　）　ｕｃｈａｒｔｅｍｐｒｅａｄｂｙｔｅ（ｖｏｉｄ）／／读１个字节数据时序函数　｛　ｕｃｈａｒｉ，Ｊ，ｄａｔ；　ｄａｔ＝０：　ｆｏｒ（ｉ＝１；ｉ＜－－８；ｉ＋＋）｛　・１０２・屯子世界　用于主机向ＤＳ１８Ｂ２０写入１。写时序子程序如下：　ｖｏｉｄｔｅｍｐｗｒｉｔｅｂｉｔ（ｂｉｔｄａｔ）｛／／写１位数据时序函数　ｕｉｎｔｉ；　ｉｆ（ｄａｔ）／／写１　｛　ｄｓ＝０；　／／拉低总线　ｉ＋＋；／／ｉ＋＋起延时作用　ｉ＋＋：　ｄｓ＝１；∥释放总线，由上拉电阻将单总线拉至高电平　ｉ＝８：　ｗｈｉｌｅ“＞０１／／延时　ｉ－－；　｝ｅｌｓｅ｛∥写０　ｄｓ＝０：／／拉低总线　ｉ＝８：　ｗｈｉｌｅ　ｒｉ＞０　／／延时　ｉ－－；　ｄｓ＝ｌ；∥释放总线　ｉ＋＋；／／ｉ＋＋起延时作用　ｉ＋＋；　｝）　ｖｏｉｄ　ｔｅｍｐｗｒｉｔｅｂｙｔｅ（ｕｃｈａｒ　ｄａｔ１／／写一个字节数据时序函数　｛　ｕｃｈａｒ　Ｊ；　ｂｉｔ　ｔｅｓｔｂ；　ｏｆｒＯ＝１　）　｝　４结束语　在通过模块化的电路调试、软件测试和整体集成后，系统各方　面性能都满足设计要求，测温准确，数据显示、传输和声光报警都　工作正常。随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普　及，数据采集技术将有更为广阔的发展前景　］，本文设计的远距　离多点数字式温度采集系统作为一种数据采集技术可以广泛应用于　粮仓、温室大棚等农业生产领域。　参考文献　【１］ＤＡＬＬＡＳ公司．ＤＳ１８Ｂ２０使用手册『ｚ】．２００３．　［２１宋丹．多路温度巡检系统的设计与应用【Ｉ１＿自动化与仪表，２００８，　２３（９）：１３—１５．　【３】张彦兵，刘永前，李义强．１￣ｗｉｒｅ总线驱动电路设计…．传感技术　学报，２００６，１９（４）：１０２０—１０２８．　【４］李文娟，海霞，叶谌雯．一种基于超声波的检测防撞系统的设计　自动化博览，２００７（６）：８０—８１　【５】王安敏，张凯．基于ＡＴ８９Ｃ５２单片机的超声波测距系统ｌ＿Ｉ１ｌ仪表　技术与传感器，２００６（６）：４５—４６．　［６］朱晓荣，周东辉．一种实用的分布式数据采集和控制系统ＵＩｌ电　子产品世界　２００３（８）：３４－３６．　作者简介：　叶小乐（１９７９一），男，江西大余人，硕士研究生，计算机科　学与技术实验师，研究方向：嵌入式系统、计算机网络。