多點(diǎn)高速同步溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙 睿 ，馬殷元

（蘭州交通大學(xué) 機(jī) 電技術(shù)研究所， 蘭州 7 30070）

針對傳統(tǒng)的溫度采集方法。速度慢、多點(diǎn)信號不同步等問題，本文提出了多點(diǎn)、高速、同步溫度采集的方法，采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器來采集溫度信號。通常在單總線上串聯(lián)很多DS18B20，需要查詢DS18B20的64位ROM才能得到對應(yīng)傳感器的溫度值，為了節(jié)省掉64位序列號的時(shí)間開銷，采取在每個(gè)總線上掛載一個(gè)DS18B20的方法，通過并口對多個(gè)DS18B20進(jìn)行統(tǒng)一操作，既節(jié)省了大量的存儲(chǔ)空間，又提高了溫度轉(zhuǎn)換的同步性和速度。

圖1 多點(diǎn)高速同步溫度采集系統(tǒng)

1 系統(tǒng)構(gòu)成

多點(diǎn)并行溫度采集系統(tǒng)如圖1，ATmega16單片機(jī)的每個(gè)I/O口上掛接一個(gè)DS18B20數(shù)字溫度傳感器，通過讀取每個(gè)口的電平值來同時(shí)讀取多路DS18B20的溫度值，并在LCD顯示器上顯示，同時(shí)通過RS232發(fā)送到上位機(jī)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主要元件介紹

AVR ATmega16單片機(jī)是一款采用RISC指令的8位高速單片機(jī)， 具有速度快、片上資源豐富、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、功耗低、性價(jià)比高、保密性好等眾多的優(yōu)點(diǎn)。

DS18B20溫度傳感器，屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。DS18B20采用單線的接口方式，在與微處理器連接時(shí)僅需要一條I/O 口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。并支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，在使用中，DS18B20不需要任何外圍元件，大大簡化了數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)。

另外，DS18B20輸出的信號是數(shù)字量，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力，與采集模塊之間的連接電纜可以很長，采用屏蔽3芯線作為信號線，DS18B20的可靠傳輸距離可以達(dá)到200 m。作為智能傳感器，用戶可以設(shè)定傳感器的報(bào)警溫度，此溫度值存儲(chǔ)在EEPROM中，掉電后不會(huì)丟失。DS18B20還具有自診斷功能，當(dāng)由于意外原因?qū)е聜鞲衅鞴收蠒r(shí)，傳感器將返回錯(cuò)誤代碼FF。 DS18B20測溫范圍-55℃～125℃，測溫誤差在±0.5℃以內(nèi)，這與各監(jiān)測點(diǎn)的溫度范圍和測量精度都是符的，所以設(shè)計(jì)時(shí)選用該溫度傳感器。

圖2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用一片ATmega16單片機(jī)作為核心控制單元，其中PA、PB、PC、PD口的32個(gè)引腳作為輸入輸出使用，PA、PB口的16個(gè)引腳分別掛載16個(gè)DS18B20,PC口的PC2、PC3、PC4、PC5引腳作為程序下載端口使用，PC0、PC1、PC7三個(gè)引腳分別掛載3個(gè)DS18B20,PD口的PD0和PD1作為串口通訊引腳使用，PD3~PD7，5個(gè)引腳分別掛載5個(gè)DS18B20.整個(gè)系統(tǒng)充分利用了mega16單片機(jī)的I/O資源，掛載了24個(gè)DS18B20,可同時(shí)采集24路溫度信號。由于mega16單片機(jī)價(jià)格低廉如需采集更多路的溫度信號可將多個(gè)mega16單片機(jī)并聯(lián)使用。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)如圖2。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)與單總線溫度傳感器是通過1根信號線鏈接的，主機(jī)要實(shí)現(xiàn)各類操作命令以及溫度的讀取與設(shè)置，必須嚴(yán)格地按照DS18B20的通信協(xié)議來進(jìn)行。在進(jìn)行數(shù)據(jù)寫“0”、寫“1”時(shí)隙、讀“0”、讀“1” 時(shí)隙，所有的數(shù)據(jù)傳輸必須從字節(jié)的低位開始，編寫程序時(shí)必須按照其對應(yīng)的時(shí)序操作，否則不能獲得正確完整的數(shù)據(jù)。下面對DS18B20進(jìn)行各類操作的重要函數(shù)說明如下：

resetDS18B20_ABCD(void):發(fā)送復(fù)位脈沖，每次對DS18B20的操作必須調(diào)用此函數(shù)。

*readByteDS18B20_ABCD(void)：向DS18B20讀一個(gè)字節(jié)。

writeByteDS18B20_ABCD(BYTE wb)：向DS18B20寫一個(gè)字節(jié)。

*readTempDS18B20_ABCD(void)：分別從24個(gè)DS18B20中讀取24路溫度。

UART_transmit（）：串口發(fā)送函數(shù)，將24路溫度值發(fā)送上位機(jī)顯示。

在本系統(tǒng)中，DS18B20 采用9位分辨率，溫度的最大轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)到93.75 ms。采集多路溫度信號的時(shí)間約為750 ms。大大的提高了溫度采集的速度，實(shí)現(xiàn)了多路溫度的同步采集。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采取模塊化設(shè)計(jì)，首先對mega16單片機(jī)的I/O口、定時(shí)器和串口進(jìn)行初始化，然后調(diào)用resetDS18B20_ABCD(void)復(fù)位函數(shù)對24個(gè)DS18B20進(jìn)行復(fù)位操作，接著調(diào)用*readTemp-DS18B20_ABCD(void)函數(shù)讀取24路溫度值，并通過一個(gè)數(shù)據(jù)換算函數(shù)將溫度值轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制，最后調(diào)用UART_transmit（）串口發(fā)送函數(shù)將24路溫度值發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示處理，主程序流程如圖3。

3.2 主要子程序設(shè)計(jì)

并行溫度采集的難點(diǎn)在于對多路DS18B20數(shù)字溫度傳感器的同步操作。如同步讀時(shí)序、同步寫時(shí)序等。本文設(shè)計(jì)了同步讀寫時(shí)序函數(shù)，能夠同時(shí)讀寫24路DS18B20。下面對讀字節(jié)函數(shù)*read-ByteDS18B20_ABCD(void)進(jìn)行詳細(xì)說明：

圖3 主程序流程圖

定義數(shù)組Adata[24]用來存放24路溫度值，定義DATA,DATA1,DATA2,DATA3來分別存放讀取的A,B,C,D口的電平值。

每次讀取24路溫度信號的一位，并將其分別存放在數(shù)組Adata中，每次讀取完畢后將Adata中的每個(gè)數(shù)均右移一位（讀取溫度時(shí)，先讀取低位信號）當(dāng)讀取完8次后，將獲得24路溫度值，程序流程如圖4。

圖4 讀字節(jié)程序流程圖

4 結(jié)束語

系統(tǒng)采用AVR ATmega16高速單片機(jī)和24路DS18B20數(shù)字溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)對多路溫度信號的高速同步采集。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率，通過設(shè)計(jì)同步讀寫多路DS18B20時(shí)序函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了同步性。通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了高速同步采集溫度的目的，具有較好的實(shí)用性。

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