一种基于DS18B20的温度采集新方案

0 引言

    温度监控系统在工业、农业和医疗领域拥有很大的应用价值和前景。随着计算机技术、测量技术和无线通信技术的发展，传统的人工监控由于存在很多缺点，正在逐渐被电子监控所代替。现有的一根I／O线上连接多个DS18B20的数据采集方法，在DS18B20接入系统之前，需要采用人工方式将DS18B20的64位ROM序列号逐一读出，并在单片机程序中或外部存储器中进行存储。这种方法给DS18B20物理位置的确定带来了困难，特别是当更换出现故障的DS18B20时，这个问题变得尤为突出。

    因此，本课题通过采用软件编程与硬件设计相结合的方式，解决了在AVR单片机与DS18B20结合的测温系统中数字传感器的更换问题。在本课题提出的解决方案中，数据采集模块采用低功耗AVR单片机-Atmega16、单总线数字温度传感器DS18B20以及外部存储器-低能耗串行EEP-ROM。系统根据DS18B20数量的多少，可以选择基于MAX485的有线组网，也可以选择基于nRF905或ZigBee的分布式无线组网。

1 DS18B20简介

1．1 概述

    DS18B20是由美国DALLAS(达拉斯)公司生产的高性能单线数字式温度传感器。该传感器提供9到12位温度读数；可实现-55℃到+125℃范围内的温度测量，增量值为0．5℃。现场测量的温度值通过单总线接口传给微处理器，多个DS18B20可以存在于同一条单线总线上。因此，在实际应用中可以在多个不同的地方放置DS18B20，并将这些传感器接在同一条单线总线上，由一个单片机进行控制。对DS18B20数字传感器供电有两种方式：一是寄生电源供电；二是外部电源供电。每个DS18B20在出厂时都有一个唯一的64位编号，存放在内部ROM中。

1．2 引脚说明

    DS18B20只有三个引脚：一个是GDN(电源地)；一个是VDD(当采用寄生电源供电时，VDD接地；若采用外部电源供电时，VDD接工作电源  )；还有一个引脚是DQ(数据输入／输出引脚)。

1．3 硬件电路

1．3．1 寄生电源供电电路

1．3．2 外部电源供电电路

    采用寄生电源供电时，VDD引脚必须接地，由I／O引脚为DS18B20提供电源电流。采用外部电源供电时，VDD接外部电源，为DS18B20提供电源电流。寄生电源有双重优点：a．利用此引脚，远程温度检测无需本地电源；b．缺少正常电源条件下也可以读ROM。但是这种供电方式无法保证在数据转换期间的供电，从而DS18B20无法进行精确地温度转换。当多个DS18B20挂在同一根I／O线上并同时进行温度转换时，这个问题变得更加明显。所以本课题采用外部电源供电方式，以达到提高温度转换精确度的目的。

1．4 内部结构

    DS18B20内部主要包括：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。如图3所示：

1．4．1 64位光刻ROM

    用于存储64位序列号。该序列号是DS18B20的唯一编号，在出厂前被光刻在64位ROM中。DS18B20在与单片机通信时，用此序列号以区别其它传感器。64位序列号可以看作是DS18B20的地址序列码。    64位光刻ROM的位排列是：低8位是产品类型标号；接着的48位是该DS18B20的自身序列号；最后高8位是低56位的循环冗余校验码，该8位又被单独提出，称为CRC发生器，主要是实现串行通信中的数据校验，判断接收的数据是否正确。64为序列号的作用，是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20。

1．4．2 非易失性温度报警触发器

    DS18B20的温度报警触发器TH和TL各由一个非易失性EEPROM字节构成，如果没有对DS18B20使用报警搜索指令，可以作为一般的EEPROM存储器使用。利用每个DS18B20唯一的序列号可读取同一根I／O线上的多个DS18B20的温度数据，利用I／O端口号和已经写入层数信息的DS18B20的温度报警触发器(TH和TL)，可将每个DS18B20的温度数据和其物理位置对应起来。因此在DS18B20安装之前，就需将DS18B20所在层的信息写入到温度报警触发器(TH和TL)中。[page]

2 DS18B20与AVR单片机的连接

    在本课题中DS18B20采用寄生电源供电，单片机选用AVR单片机-Atmega16。之所以选择AVR单片机，是因为其具有51单片机无法提供的优点：a．读写速度快，AVR单片机采用了大型快速存取寄存器文件和快速单周期指令。其快速存取RISC寄存器文件由32个通用工作寄存器组成。AVR用32个通用寄存器代替累加器，避免了传统的累加器与存储器之间的数据传送，可在一个时钟周期内执行一条指令来访问两个独立的寄存器，代码效率比常规CISC微控制器快十倍。高效的读写速度，更适合于对及时性要求高的场合。b．性价比高。c．工作电压范围宽(2．7～6V)、抗干扰能力强，这样更适合在各种条件下处理测量温度值。总之，AVR单片机在一个芯片内将增强性能的RISC 8位CPU与可下载的FLA-SH相结合使其成为适合于许多要求、具有高度灵活性和低成本的嵌入式高效微控制器。
 

    图4给出了DS18B20采用外部电源供电方式时，与Atmega16单片机的硬件连接图。

 

3 DS18B20更新问题的解决方案
 

    本课题在深入研究了数字传感器工作机理的基础上，通过硬件设计和软件编程，提出了解决数字传感器更换的方案，并应用在了通过无线传感器网络远程控制传感器的设计中，而且在硬件平台上实现了仿真。图5是通过Proteus 7单片机软件仿真系统设计的，单片机控制DS18-B20并显示测试结果的电路图。
 

3．1 硬件设计

    单片机通过I／O口控制DS18B20，每个I／O口外接60个DS18B20，同时单片机通过SPI串行接口外接外部存储器EEPROM，如图6所示。

 

    本课题中，外部存储器EEPROM选用意法半导体(ST)生产的M95128；选用Atmega16单片机。DS18B20采用外部电源供电方式，所以VCC接外部电源，GDN接地。

    M95128芯片采用MLP8微型封装技术，因此，可以大大节省产品的空间和成本；待机功耗低于3μA，也是该芯片的一大特点；四线的SPI接口支持最高 2 Mbit／s的通信速率，除提供标准的硬件写保护功能外，还支持软件写保护。外部存储器EEPROM用来存放单片机控制的所有DS1-8B20的序列号，和对应的逻辑地址。一个DS18B20的序列号占八个字节，所以一路数据线上所接DS18B20温度传感器的个数与外部存储器EEPR-OM的存储空间有关。M95128芯片的容量达128kbit，可以存储13107个DS18B20的序列号和对应的逻辑地址，足以满足本课题的需要。

   单片机Atmega16的PB5(MOSI)口接EEPROM的DI(数据输入)口，PB6(MISO)口接DO(数据输出)口，PB7(SCK) 口接SK(读写时钟信号输入引脚)。单片机读到每个DS18B20的序列号后，通过PB5口将序列号和对应的逻辑地址写入EEPROM中。需要某个逻辑地址对应的序列号时，EEPROM通过DO口将序列号传入单片机中。[page]

3．2 软件设计

    本课题设计使单片机每次上电时，都重新读取每根数据线上的每个DS18B20的序列号和温度报警器中的内容，I／O端口号+温度报警触发器中的层信息即为该DS18B20的逻辑地址。单片机将读取到的各DS18B20的序列号与其对应的逻辑地址，通过MOSI引脚保存在外部存储器EEP-ROM中。在控制模块的固化程序中，只涉及传感器的逻辑地址。当需要访问某个传感器时，单片机会根据固化程序中的逻辑地址在EEPROM中查找该逻辑地址对应的 DS18B20序列号，从而找到需要访问的传感器。在更换了某个DS18B20时，只需给单片机重新上电，微控制会更新EEPRO-M，而不需修改控制模块中的固化程序。

    本课题中，使用ICCAVR编译器作为软件开发环境，编译C语言程序代码。向EEPROM中保存序列号的程序流程图如图7所示。

 

    根据控制模块中涉及的逻辑地址，单片机在EEPROM中查找对应的DS18B20的序列号的程序流程如图8所示。

4 结语

    无线测温系统的应用前景非常广阔。本课题提出的通过外接EEPROM存储器，保存DS18B20的序列号和对应的逻辑地址的方案，解决了 DS-18B20的更新问题。可以极大地提高技术人员及工作人员的工作效率；同时，由于在通信链路中传输的是逻辑地址，所以减少了链路中的冗余信息，增加有效信息的传输，提高无线传输效率。因此，本课题设计的温度采集系统具有运行速率快、性能稳定、数字化程度高、便于维护等特点。此系统在各类数字通信、环境监测、安防系统等多个领域具有广泛的应用价值。并且已经在CX-AT16硬件平台上实现了仿真。