提出了基于AT89S51單片機和數字溫度傳感器DS18B20組成的多路溫度檢測系統，介紹了主要元器件的工作原理，詳細給出了硬件設計過程和軟件程序流程圖。此系統穩定性強、檢測精準度高、價格低廉，在自動控制領域具有廣闊的應用前景。

　　0引言

　　溫度檢測與控制技術在現階段的工業、農業和居民日常生活中都具有廣泛的應用。精確的溫度檢測和準確的溫度控制是保證各類生產順利開展以及居民生活方便快捷的基本條件。系統采用AT89S51單片機作為控制器，可靠性高、體積小、價格低廉；采用DS18B20作為多路溫度采集的傳感器，電路簡單、測量精度高、穩定性好。

　　1系統總體設計方案

　　整個多路溫度檢測系統如圖1所示，主要由計算機控制系統（上位機）、單片機測控系統（下位機）、多路溫度傳感器、功能模塊系統等部分組成。本系統在需要對溫度監控與測量的地方放置數字溫度傳感器，通過單總線將若干個溫度傳感器連接在一起。單片機按照單總線協議對各個傳感器進行控制并采集溫度信息，同時通過串口與上位機進行通信，同時單片機測控系統還可以增加顯示電路部分、按鍵設置部分、數據存儲部分等，可以在現場進行參數的顯示與設置。上位機系統通過串口接收下位機上傳的數據，通過上位機軟件進行實施顯示與控制。

　　圖1 多路測溫儀系統結構框圖

　　2系統硬件原理設計

　　2.1主控電路設計

　　多路溫度檢測系統的主控電路采用的是現階段廣泛使用的AF89S51單片機作為核心控制芯片。該芯片為低功耗、高性能的8位單片機，片內有4KB可系統編程的Flash程序存儲器，既可使用常規編程器也可在系統編程（ISP），片內有128B數據存儲器，兼容標準8051指令系統及引腳，4.0～5.5V 工作電壓范圍，全靜態工作模式0Hz～33MHz，有低功耗空閑和掉電工作模式，看門狗及雙數據指針。AT89S51單片機包括兩個最基本電路：時鐘電路與復位電路。本系統通過MAX232芯片與上位機RS-232串口連接。

　　2.2顯示電路設計

　　顯示電路采用可以采用數碼管顯示和液晶顯示兩種方案。數碼管顯示的特點是顯示亮度高、編程操作簡單、成本低，但顯示信息少、功耗大，如采用動態掃描占用 CPU資源多，而液晶顯示可以顯示更多的信息，同時耗電量低，硬件接口也較為簡單，本系統采用液晶顯示模式，使用市場上常見的LCD1602液晶，P0口進行數據傳輸，P2口連接液晶的RS、RW、EN三個引腳。

　　2.3按鍵電路設計

　　本系統按鍵采用觸點式機械按鍵，由于其造價低、控制簡單，普遍應用于電子產品中。按鍵與單片機接口采用非編碼矩陣鍵盤，可以通過P1口的8個引腳連接4×4矩陣鍵盤，方便輸入0～9數字以及其它功能鍵。

　　2.4數據存儲電路設計

　　數據存儲芯片采用ATMEL公司AT24系列的2線串行EEPROM芯片，它是低功耗CMOS存儲器，具有工作電壓寬、擦寫次數多、寫入速度快等特點。存儲芯片與單片機相連時，只需占用單片機的兩個I/O端口線作為數據線和時鐘線，如果只連接一片芯片，只需將地址線接地即可。

　　2.5單總線溫度傳感器

　　溫度傳感器采用市場上應用廣泛、接口簡單的DS18B20溫度傳感器，其特點是采用單總線的接口方式，與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與 DS18B20的雙向通訊；測量溫度范圍寬、測量精度高，DS18B20的測量范圍為-55℃～+125℃；多個DS18B20可以并聯在一條單線上，實現多點測溫；內置A/D轉換器，直接輸出9～12位被測溫度值。本系統所有DS18B20的DQ引腳并連在一個I/O端口上，外接一個4.7～10kΩ的上拉電阻。

　　系統硬件原理圖如圖2所示。

　　圖2 多路測溫儀系統硬件原理圖

　　3系統軟件程序設計

　　數字溫度傳感器DS18B20是采用由一條數據線實現數據雙向傳輸的單總線協議方式。該協議定義了三種通信時序：初始化時序、讀時序、寫時序。而AT89S51單片機在硬件上并不支持單總線協議，因此必須采用軟件方式模擬單總線協議時序來完成與DS18B20間的通信。

　　3.1單總線協議

　　單總線協議的所有時序都是將主機作為主設備，單總線器件作為從設備。每次命令和數據的傳輸都是從主機主動寫時序開始，如果要求單總線器件傳輸數據，則在進行寫命令之后，主機啟動讀時序完成數據接收。數據和命令的傳輸都是以低位在先的串行方式進行。

　　3.1.1初始化時序

　　主機首先發出一個480～960μs的低電平脈沖，然后釋放總線變為高電平，并在隨后的480μs時間內對總線進行檢測，如果有低電平出現，說明總線上有器件已做出應答。若無低電平出現一直都是高電平，說明總線上無器件應答。如圖3所示。

　　圖3 初始化時序

　　3.1.2寫時序

　　寫周期最少為60μs，最長不超過120μs.寫周期一開始作為主機先把總線拉低1μs表示寫周期開始。隨后若主機想寫0，則繼續拉低電平最少60μs直至寫周期結束，然后釋放總線為高電平。若主機想寫1，在一開始拉低總線電平1μs后就釋放總線為高電平，一直到寫周期結束。而作為從機的DS18B20則在檢測到總線被拉低后等待15μs，然后從15μs到45μs開始對總線采樣，在采樣期內總線為高電平則為1，若采樣期內總線為低電平則為0.如圖4所示。

　　圖4 寫時序

　　3.1.3讀時序

　　對于讀數據操作時序也分為讀0時序和讀1時序兩個過程。讀時隙是從主機把單總線拉低之后，在1μs之后就得釋放單總線為高電平，以讓DS18B20把數據傳輸到單總線上。DS18B20在檢測到總線被拉低1μs后，便開始送出數據，若是要送出0就把總線拉為低電平直到讀周期結束。若要送出1則釋放總線為高電平。主機在一開始拉低總線1μs后釋放總線，然后在包括前面的拉低總線電平1μs在內的15μs時間內完成對總線進行采樣檢測，采樣期內總線為低電平則確認為0.采樣期內總線為高電平則確認為1.完成一個讀時序過程，至少需要60μs才能完成。如圖5所示。

　　圖5 讀時序

　　3.2軟件程序設計

　　系統軟件設計采用模塊化設計方法，采用工程上使用比較普遍的C51語言編寫程序。其中，采集溫度時要對多個DS18B20進行操作，按照前面所述的操作時序，依照以下步驟對多個溫度傳感器進行溫度采集：初始化；搜索ROM命令；匹配ROM命令；發送溫度轉換命令；讀取溫度值；判斷是否訪問完畢；依次循環。系締程序流程圖如圖6所示。

　　圖6 系統程序流程圖

　　4結束語

　　本多路測溫儀系統實用性強，能很好地巡回采集多路溫度信息，并能及時傳送給上位機，具有速度快、精度高、易擴展等優點。此系統所采用的傳感器全為數字化芯片，大大簡化了結構，降低了成本。本系統可以應用于農業溫室大棚，可以實時監測植物生長環境變化，也可以應用于工業車間，測量各部分工作環境溫度。結合此系統的設計思路，可以將傳感器修改為其它種類的測量器件，采集不同種類的物理量，具有很強的推廣價值。