多点高速同步温度采集系统的设计

2011-05-08马殷元

铁路计算机应用 2011年4期

赵睿，马殷元

（兰州交通大学机电技术研究所，兰州 7 30070）

针对传统的温度采集方法。速度慢、多点信号不同步等问题，本文提出了多点、高速、同步温度采集的方法，采用DS18B20数字温度传感器来采集温度信号。通常在单总线上串联很多DS18B20，需要查询DS18B20的64位ROM才能得到对应传感器的温度值，为了节省掉64位序列号的时间开销，采取在每个总线上挂载一个DS18B20的方法，通过并口对多个DS18B20进行统一操作，既节省了大量的存储空间，又提高了温度转换的同步性和速度。

图1 多点高速同步温度采集系统

1 系统构成

多点并行温度采集系统如图1，ATmega16单片机的每个I/O口上挂接一个DS18B20数字温度传感器，通过读取每个口的电平值来同时读取多路DS18B20的温度值，并在LCD显示器上显示，同时通过RS232发送到上位机。

2 系统硬件设计

2.1 主要元件介绍

AVR ATmega16单片机是一款采用RISC指令的8位高速单片机，具有速度快、片上资源丰富、驱动能力强、功耗低、性价比高、保密性好等众多的优点。

DS18B20温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。DS18B20采用单线的接口方式，在与微处理器连接时仅需要一条I/O 口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。并支持多点组网功能，在使用中，DS18B20不需要任何外围元件，大大简化了数据采集电路的设计。

另外，DS18B20输出的信号是数字量，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力，与采集模块之间的连接电缆可以很长，采用屏蔽3芯线作为信号线，DS18B20的可靠传输距离可以达到200 m。作为智能传感器，用户可以设定传感器的报警温度，此温度值存储在EEPROM中，掉电后不会丢失。DS18B20还具有自诊断功能，当由于意外原因导致传感器故障时，传感器将返回错误代码FF。 DS18B20测温范围-55℃～125℃，测温误差在±0.5℃以内，这与各监测点的温度范围和测量精度都是符的，所以设计时选用该温度传感器。

图2 系统硬件电路设计

2.2 硬件电路设计

本系统采用一片ATmega16单片机作为核心控制单元，其中PA、PB、PC、PD口的32个引脚作为输入输出使用，PA、PB口的16个引脚分别挂载16个DS18B20,PC口的PC2、PC3、PC4、PC5引脚作为程序下载端口使用，PC0、PC1、PC7三个引脚分别挂载3个DS18B20,PD口的PD0和PD1作为串口通讯引脚使用，PD3~PD7，5个引脚分别挂载5个DS18B20.整个系统充分利用了mega16单片机的I/O资源，挂载了24个DS18B20,可同时采集24路温度信号。由于mega16单片机价格低廉如需采集更多路的温度信号可将多个mega16单片机并联使用。系统硬件电路设计如图2。

3 系统软件设计

由于单片机与单总线温度传感器是通过1根信号线链接的，主机要实现各类操作命令以及温度的读取与设置，必须严格地按照DS18B20的通信协议来进行。在进行数据写“0”、写“1”时隙、读“0”、读“1” 时隙，所有的数据传输必须从字节的低位开始，编写程序时必须按照其对应的时序操作，否则不能获得正确完整的数据。下面对DS18B20进行各类操作的重要函数说明如下：

resetDS18B20_ABCD(void):发送复位脉冲，每次对DS18B20的操作必须调用此函数。

*readByteDS18B20_ABCD(void)：向DS18B20读一个字节。

writeByteDS18B20_ABCD(BYTE wb)：向DS18B20写一个字节。

*readTempDS18B20_ABCD(void)：分别从24个DS18B20中读取24路温度。

UART_transmit（）：串口发送函数，将24路温度值发送上位机显示。

在本系统中，DS18B20 采用9位分辨率，温度的最大转换时间可达到93.75 ms。采集多路温度信号的时间约为750 ms。大大的提高了温度采集的速度，实现了多路温度的同步采集。

3.1 主程序设计

本系统采取模块化设计，首先对mega16单片机的I/O口、定时器和串口进行初始化，然后调用resetDS18B20_ABCD(void)复位函数对24个DS18B20进行复位操作，接着调用*readTemp-DS18B20_ABCD(void)函数读取24路温度值，并通过一个数据换算函数将温度值转化为十进制，最后调用UART_transmit（）串口发送函数将24路温度值发送到上位机进行显示处理，主程序流程如图3。