基于ARM和DS18B20的温度监测系统

王文，王直

（江苏科技大学 计算机科学与工程学院，江苏 镇江 212003）

温度是一种最基本的环境参数而且与我们的生活密切相关。温度监测在粮食仓库存储的温度监控、禽蛋孵化箱自动温度控制，冷藏库温度监测、环境监测、过程温度监测、中央空调监测等许多领域均具有良好的应用前景，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。

采用DS18B20温度传感器完成了信号的数字化，简化了外围电路。单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络。32位ARM微控制器S3C2440控制数字温度信号的采集，并与上位PC机通信。

1DS18B20和ARM简介

1.1 DS18B20简介

DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1-Wire即单总线器件，具有很多优点：

1）体积小巧，只有电源、接地、数据线共3个引脚，极大地节约了系统资源；

2）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，速度更快；

3）测温分辨率可达 0.0625℃，测温范围为-55～125℃，性能稳定。安全可靠；

4）完全数字化，读取非常方便；

5）测量结果直接输出数字温度信号，以“一 线总线”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；

6）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

与传统的分立式温度传感器不同的是，它是将被测量的温度值直接转化成串行数字信号，通过微处理器即可直接读出被测量的温度数据。因而把DS18B20应用于温度测控系统中，将大大简化线路结构和减少硬件开销，使系统结构更加简单，工作稳定，测温精度高，维护方便，安全可靠性更高。

1.2ARM简介

1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用 ARM技术知识产权（IP）核的微处理器，即我们通常所说的 ARM微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用约占据了 32位RISC微处理器75%以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。

采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：1）体积小、低功耗、低成本、高性能；

2）支持 Thumb（16 位）/ARM（32 位）双指令集，能很好地兼容8位/16位器件；

3）大量使用寄存器，指令执行速度更快；

4）大多数数据操作都在寄存器中完成；

5）寻址方式灵活简单，执行效率高；

6）指令长度固定。

基于ARM嵌入式技术所设计的数据采集器具有指令丰富、软件编程灵活、精度及实时性好的优点。同时，数据采集系统体积小、功耗低、数据采集及控制功能易于实现 ，能够很方便地用于对系统运行和环境参数进行监测 。

2 硬件组成

DS18B20的供电方式有寄生电源供电方式和外部电源供电方式。

外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。在外接电源方式下，可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围的优点，即使电源电压VCC降到3 V时，依然能够保证温度测量精度。所以本课题采用外部电源供电方式。

温度检测模块系统组成：

图1 DS18B20测温电路原理图Fig.1 DS18B20 circuit diagram of temperature measurement

3 DS18B20设备驱动程序设计

3.1 编写驱动程序源码

使用DS18B20进行温度测量的步骤为:初始化DS18B20→跳过ROM操作命令→启动温度转换命令→等待转换完成→初始化→跳过ROM操作命令→读取温度寄存器命令，这样就可以读出被测温度的数据了。

DS18B20对时序及电特性参数要求较高，必须严格按照DS18B20的时序要求操纵。它的数据读写主要由主机读写特定的时间片来完成，包括复位（初始化）、读时间片和写时间片。

DS18B20进行温度测量复位时序

使用DS18B20时，首先需将其复位，然后才能执行其他命令。复位时，主机将数据线拉为低电平并保持480～960 μs，然后释放数据线，再由上拉电阻将数据线拉高15～60 μs，等待DS18B20发出存在低脉冲，存在脉冲有效时间为60～240 μs，主CPU收到此信号表示复位成功。

做为从器件的DS18B20在一上电后就一直在检测总线上是否有480－960 μs低电平出现，如果有，在总线转为高电平后等待 15－60 μs 将总线电平拉低 60－240 μs 出响应存在脉冲，告诉主机本器件已做好准备。若没有检测到就一直在检测等待。

DS18B20进行温度测量的读写时序

DS18B20的写时序?：

写周期最少为 60 μs，最长不超过 120 μs。

对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。

对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60 μs，保证DS18B20能够在15～45 μs之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15 μs之内就得释放单总线。

作为从机的DS18B20则在检测到总线被拉低后等待15μs然后从15～45 μs开始对总线采样，在采样期内总线为高电平则为1，若采样期内总线为低电平则为0。

DS18B20的读时序

对于DS18B20的写时序仍然分为读0时序和读1时序两个过程。

对于DS18B20的读时序：

完成一个读时序过程，至少需要60 μs才能完成

读时序是从主机把单总线拉低之后，在1 μs之后就得释放单总线为高电平，以让DS18B20把数据传输到单总线上。

主机总线t0时刻从高拉至低电平时，总线只需保持低电平1 μs，之后在t1时刻将总线拉高，产生读时间隙，读时间隙在 t1时刻后 t2时刻前有效。t2距 t0为 15 μs，也就是说，t2时刻前主机必须完成读位，并在t0后的60 μs至120 μs内释放总线。

DS18B20在检测到总线被拉低1 ws后，便开始送出数据，若是要送出0就把总线拉为低电平直到读周期结束。若要送出1则释放总线为高电平。

内核延时函数 udelay（）。 u 表示希腊字母“mu”（m），它代表“微”。其的原型如下：

#include

void udelay（unsigned long usecs）； //软件循环延迟指定数目的微秒数

该函数在绝大多数体系结构上是作为内联函数编译的。

udelay函数只能用于获取较短的时间延迟，因为loops_per_second值的精度只有8位，所以，当计算更长的延迟时会积累出相当大的误差。尽管最大能允许的延迟将近1s（因为更长的延迟就要溢出），推荐的udelay函数参数最大值是取 1 000 μs（1 ms）。

udelay是个忙等待函数，在延迟的时间段内无法运行其他的任务。

DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.062 5℃/LSB形式表达，其中S为符号位。

如果测得的温度大于0℃，则这5位为0，只要将测到的数值乘以0.062 5即可得到实际温度，如果温度小于0℃，则这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘以0.062 5即可得到实际温度。

3.2 编写驱动程序到内核中

本课题使用的内核版本是Linux-2.6.30.4，开发环境是Vmware工具+Fedora10系统，解压内核源码到PC中，使用解压命令：#tar xvfj linux-2.6.30.4.tar.bz2–C，进入内核源码修改Makefile文件，修改为ARCH=arm，CORSS_COMPILE=armlinux-，是系统添加对arm的支持，还要修改平台的实时时钟，修改内核源码的arch/arm/mach-s3c2440/mach-smdk2440.c， 把16.9344 MHz改 为 12 MHz， 即 s3c24xx_init_clocks（12000000）；

因为可以把ds18b20看作一个字符设备，则编写其字符设备的驱动程序。进入内核源码的“drives/char”目录下新建一个名为“ds18b20.c”的文件。修改同目录下的“Kconfig”文件，添加如下内容：

config DS18B20

配置内核：进入到内核文件目录:cd/opt/linux－2.6.30.4/

输入menuconfig，然后配置如下

图2 内核配置界面Fig.2 Kernel configuration interface

将其选择为“M”（模块），然后保存配置，编译出内核镜像烧写到开发板中；

使用命令#make SUBDIR=drives/char/modules，编译出驱动模块，在内核目录的drivers/char/目录下面，名字为DS18B20.ko，使用U盘中转复制到开发板中即文件系统的/lib/目录下面。

驱动程序已经编译好了，使用insmod DS18B20.ko命令把驱动程序安装到系统中去。在/proc/devices可以看到设备DS18B20，并且可以看到它的主设备号。然后输入命令mknod/dev/DS18B20 c 232 0。若要卸载，则运行rmmod DS18B20.ko。

3.3 单传感器的数字滤波

数字滤波常用算法有限幅滤波法，中位值滤波法，算术平均滤波法，递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法），中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤波法），限幅平均滤波法，一阶滞后滤波法等，本课题采用中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤波法）。

中位值滤波法优点：能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，对温度、液位的变化缓慢地被测参数有良好的滤波效果。

算术平均滤波法优点：适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波，这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动。

中位值平均滤波法相当于 “中位值滤波法”+“算术平均滤波法”，连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算N－2个数据的算术平均值。N值的选取：3～14。融合了两种滤波法的优点，对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。

3.4 QT的图形界面设计

Qtopia是一个基于Qte的类似桌面系统的应用环境，是TrollTech公司为采用嵌入式linux系统的消费电子设备而开发的综合应用平台。本课题使用的版本是Qtopia2.2.0.使用4.3.3 的交叉编译器编译。

启动QT designer，使用命令

界面设计主要包括如下工作：创建和初始化子部件，设置子部件布局，设置Tab键次序（不是必须），简历信号与槽的链接。

根据功能需求分析，设计构建了监控系统的GUI界面如图3所示。

图3 监控系统的GUI设计界面Fig.3 GUI design interface of monitoring system

保存为ds18b20.ui，建立转换ui为源码的脚本文件，使用命令 gedit ui2cpp，设置ui2cpp脚本为可执行，执行脚本，转换项目文件为源码，添加main.cpp文件，使用progen命令获取 ds18b20.pro 文件，

修改ds18b20.cpp文件，添加函数的具体实现

最后使用交叉编译器编译使用ARM版本的QT程序，分别将编译后的文件复制到开发板的相应位置，使用U盘中转，启动开发板之后可以正常使用。

图4 开发板运行截图Fig.4 Running screenshots of development board

4 结 论

在实验过程中当电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。验证了DS18B20良好的负压特性。

基于ARM和DS18B20的温度采集系统，外围电路简单，方便实用，低功耗，精度高，抗干扰能力强，与上位机实时通信可靠性高，稳定性好，并且使系统具备了远程监控能力。该系统在环境监测领域具备了良好的应用和推广价值[8]。

采用Qt/Embedded作为开发图形界面工具，利用其结构清晰的特点和跨平台性，能有效缩短项目的开发周期，提高程序代码的重用率，是开发嵌入式系统GUI界面的有效工具。

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