基于DS18B20温度传感器的虚拟温度指示系统

江晓军，王建军，陈宝玉，王素娟（上海第二工业大学电子与电气工程学院，上海 201209）

基于DS18B20温度传感器的虚拟温度指示系统

江晓军，王建军，陈宝玉，王素娟
（上海第二工业大学电子与电气工程学院，上海 201209）

设计了一种基于DS18B20温度传感器的虚拟温度指示系统。该系统以数字温度传感器和单片机作为数据采集终端并以RS232作为数据传输链路，利用以LabVIEW为平台开发的温度指示系统对光学系统中照明光源的工作温度进行了监测，实现了实时测量照明光源的工作温度，同时也便于在图形界面上观察该工作温度的变化。

温度测量；DS18B20；单片机；LabVIEW

0 引言

随着半导体工业、光学制造业和激光加工业的发展，光学检测系统中广泛采用了卤素灯作为照明光源[1-3]。然而，卤素灯长期工作会产生发热现象，这一现象影响着照明光源的使用寿命，严重的发热现象还会导致照明光源工作异常，从而影响光学检测系统的性能，因此监测照明光源的工作温度成为人们掌控照明光源性能的必然要求[4-5]。通常的测量方法是在照明光源处放置温度计，但这种方法要求工作者不时地走近温度计读取数值，消耗了工作者大量的时间。本文研制了一种虚拟温度指示系统，它采用DS18B20作为温度传感器，并用单片机对DS18B20进行温度数据采集，然后通过RS232通讯总线将数据传输到计算机，再以LabVIEW为平台开发了温度指示系统；该系统对计算机接收到的数据进行处理后，实时显示光学系统中照明光源的工作温度，方便工作者对照明光源的温度情况进行观察和评估。

1 虚拟温度指示系统整体设计及工作原理

虚拟温度指示系统是一个温度数据采集与显示系统，其系统结构如图1所示。由图1可见，该系统主要由照明光源（50W卤素灯）、DS18B20温度传感器、STC单片机、MAX232转换变送单元、RS232通讯总线和计算机组成。该系统是由计算机向STC单片机发送读取照明光源工作温度的命令，当STC单片机收到此命令后向DS18B20温度传感器发出温度测量指令，DS18B20温度传感器在一定的时间内完成温度的测量，由STC单片机采集该温度数据，再由STC单片机将采集到的温度数据送出，并经MAX232转换变送单元进行信号电平转换后由RS232通讯总线上传给计算机，计算机对接收到的数据进行分析处理，最后将测量结果形象地显示在计算机显示屏上。

图1 虚拟温度指示系统结构框图Fig. 1 Structure diagram of the virtual temperature indicating system

2 系统硬件设计

2.1 DS18B20数字温度传感器

DS18B20是美国半导体公司生产的“一线总线”接口温度传感器，测温范围是−550 ℃ ～ +1 250 ℃，可以程序设定9 ～ 12位的分辨率，测量分辨率最高为0.065 ℃，测量时间可达93.78 ms；此外，DS18B20的内部集成了64位ROM、3字节的EEROM、9字节的RAM，并具有独特的单线接口方式[6-7]。在本设计中，将DS18B20放置在照明光源的金属外壳上，测量分辨率设为0.5 ℃，温度范围设为0 ℃ ～ 100 ℃，温度数字量转换时间设为200 ms，并在DS18B20与STC单片机之间用一条带4.7 kΩ上拉电阻的连线实现数据的双向通讯。另外，在考虑选择电源的供电方式时，由于DS18B20具有良好的负压特性，当电源极性接反时不会因发热而烧毁，因此采用了外部电源的供电方式。

2.2 数据采集终端

数据采集终端是由STC12C5A08AD单片机和MAX232转换变送单元组成。STC12C5A08AD是高速、超强抗干扰的新一代CMOS八位单片机，具有8 k字节的系统可编程Flash存储单元和一个全双工串行口[8]。当STC12C5A08AD单片机对DS18B20进行读写操作时，首先将DS18B20复位，即将DS18B20的DQ线拉低480 ～ 960 µs，再将数据线拉高15 ～ 60 µs，然后由DS18B20发出60 ～ 240 µs的低电平作为应答信号，此时STC12C5A08AD单片机可以开始对DS18B20进行读写操作。MAX232转换变送单元完成STC12C5A08AD单片机与计算机之间的电平转换，再通过RS232通讯总线可使两者在电气上连接在一起，经过软件的操作，完成STC12C5A08AD单片机与计算机之间的数据通讯。

2.3 温度数据采集与传送系统

图2所示的是温度数据采集与传送系统原理图，其中DS18B20与STC12C5A08AD单片机的P2.0端口之间经上拉电阻R2相连，电阻R3和电容C1为RST端口提供复位信号，电容C8、C9和晶振XTAL为STC12C5A08AD单片机的工作提供振荡信号，MAX232转换变送单元通过J1端口连接RS232通讯总线的一端，RS232通讯总线的另一端连接计算机，从而完成温度数据的采集与传送。

图2 温度数据采集与传送系统原理图Fig. 2 Schematic diagram of the temperature data collection and sending system

3 系统软件设计

3.1 单片机软件设计

STC12C5A08AD单片机实现对DS18B20进行读写操作的功能是由汇编语言编程完成的。通过keil C开发平台用汇编语言进行编程，可以直接对STC12C5A08AD单片机存储温度数据的单元进行操作，较快地缩短了测量温度的时间，提高了测量的实时性。STC12C5A08AD单片机进行的温度数据采集流程图如图3所示。

图3 温度数据采集的工作流程图Fig. 3 Flow chart of the temperature data collection

由图3可见，系统初始化完成了对串口初始化的设置，并将定时器T1设定为定时器工作方式2，然后由STC12C5A08AD单片机向DS18B20发出握手信号并延时。当DS18B20回应的握手信号出现时就接收该信号，然后判断该信号是否正确。当判断为正确时单片机发送命令字，由DS18B20负责接收并进行温度数据转换。完成温度采集后就向单片机发送温度数据，由单片机负责接收数据并通过MAX232转换变送单元和RS232通讯总线完成传送温度数据至计算机的工作。

3.2 计算机软件系统设计

计算机软件系统采用LabVIEW为平台进行开发，开发完成的温度指示系统主界面如图4所示。温度指示系统中程序主要分成四个模块：通讯参数设置、发送命令字、读入温度转换数据和温度数据显示。其中通讯参数设置模块包括选择串口、设置波特率、设置数据位、设置奇偶校验、设置停止位和设置读取数据延时。读入温度转换数据模块的入口条件与温度数据显示模块的入口相容，而与通讯参数设置和发送命令字模块的入口相斥，即执行读入温度转换数据模块时可以执行温度数据显示模块，但不能响应通讯参数设置和发送命令字模块。这种方法提高了温度指示系统的可靠性。由图4可见该界面使用了温度计的外形来形象地表示实物温度计。该系统不但可实时显示光学系统中照明光源的工作温度，还可方便工作者对照明光源的温度情况进行观察和评估。

图4 温度指示系统主界面Fig. 4 Main interface of the virtual temperature indicating system

完成上述系统硬件和软件设计后，在室内进行了温度测量，采用4个监测点，将DS18B20放置于照明光源金属外壳的上、下、左、右共四个位置进行试验，得到了4个温度测量值。再用测量分辨率为0.1 ℃的FLUKE572红外线测温仪对同样的位置进行测量，得到4个温度测量值并以此作为参考值，将这些数据整理后由表1所示。从表1可以看出，用DS18B20测量得到的温度值与相应的参考值之间的最大误差为0.5 ℃，最大相对误差为2.2 % ，说明可以使用DS18B20作为温度传感器来监测照明光源的工作温度。

表1 温度测量Tab. 1 Temperature measurement

4 结论

本文研制了一种基于DS18B20温度传感器的虚拟温度指示系统。该系统利用DS18B20测量光学系统中照明光源的工作温度，并利用STC12C5A08AD单片机通过时序控制的方法对DS18B20进行读写操作，获得的温度数据由STC12C5A08AD单片机通过RS232传输给计算机，最后用LabVIEW编程实现对光学系统中照明光源的工作温度的实时监测，同时也便于在图形界面上观察该工作温度的变化。因此，本文所研制的基于DS18B20温度传感器的虚拟温度指示系统具有一定的应用价值。

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Virtual Temperature Indicating System Based on DS18B20 Temperature Sensor

JIANG Xiao-jun, WANG Jian-jun, CHEN Bao-yu, WANG Su-juan
(School of Electronic & Electrical Engineering, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China)

A virtual temperature indicating system based on DS18B2 temperature sensor is designed. After the digital temperature sensor and the microprocessor are taken as data collecting terminal and RS232 is taken a data transfer link, the working temperature of the illumination light in the optical system is monitored by the temperature indicating system, which is developed under LabVIEW platform. Real-Time measurement of the working temperature of the illumination light is realized, and observation of the change of the working temperature is convenient.

temperature measurement; DS18B20; microprocessor; LabVIEW

TH811

A

1001-4543(2012)01-0007-05

2011-12-26;

2012-02-15

江晓军（1970－），男，四川内江人，副教授，博士，主要研究方向为精密光电测控技术，电子邮箱xjjiang@ee.sspu.cn。

上海市教委重点学科建设项目（No. J51801）