DS18B20温度传感器在温室大棚中的应用研究

　　[摘要]針对温室大棚需严格监测温度的实际情况，在介绍了新型单总线温度传感器DS18B20内部结构和操作命令的基础上，建立了以AT89S51单片机为核心、DS18B20为温度传感器的温室大棚温度检测系统，设计了温度检测系统的硬件组成和软件流程。

　　[关键词]DS18B20；检测；AT89S51

　　[中图分类号]S625[文献标识码]A

　　1前言

　　温度作为最基本的一个物理参数，它代表物体的冷热程度，人们在生活和生产活动中离不开温度检测。研究表明温度对农业上温室大棚中的农作物（如蔬菜）的生长、产量都有重要的影响。以往采用传统的方式测量温度，要求解决放大电路零点漂移、引线误差补偿等很多问题，而且还必须要使A/D转换器集成在接口上，使得温度测量系统不但成本高并且结构复杂，操作也比较繁琐。最主要的缺点是采用传统检测方式使得测量精度比较低，达不到高精度的温度测量要求。基于以上原因，改善传统的温度测量方式极其必要。

　　DS18B20是美国DALLAS公司生产的智能数字式温度传感器，其采用一线式即One-Wire总线（单总线）方式，也就是用一条双向串行传输数据的信号线把数据线（DB）、地址线（AB）和控制线（CB）合在一起，并且允许若干个DS18B20器件挂接在这条信号线上。单片机可以直接与高封装的传感器件DS18B20进行串口通信，能够较为方便地获取温度值。其性能指标为：-55～+125℃的温度测量范围；非易失性的报警上下限值可由用户自己根据实际环境灵活设定；温度超限的DS18B20可由报警搜索命令识别；芯片本身具有丰富的命令集和一定存储容量的存储器。因此，在远距离多点温度检测系统中经常使用DS18B20温度传感器。

　　2DS18B20内部结构及操作命令

　　2.1DS18B20的内部结构

　　DS18B20的内部结构主要由4部分组成，包括温度传感器、配置寄存器、温度报警触发器（TH、TL）和64位ROM。

　　除主要构成部分外，8位CRC（循环冗余码生成器）、电源检测、寄生电源、存储控制逻辑等是DS18B20内部的其它组成部分。

　　产品出厂前，被看成是该DS18B20的地址序列码的64位序列号在ROM中被光刻好，因此，每片DS18B20的64位序列号都不一样。64位地址码的前8位表示产品家族码，之后的48位表示DS18B20的序列号，剩余的8位表示前面56位的循环冗余校验码CRC。由于每个DS18B20都有唯一的64位序列号，这样就可以在一根总线挂接若干个DS18B20。

　　2.2DS18B20的存储器及操作命令

　　存放高温触发器TH和低温触发器TL、电擦除RAM结构寄存器、高速暂存RAM（9个连续字节）构成了DS18B20内部存储器，RAM的组成包括温度的低位字节、温度的高位字节、TH使用字节、TL使用字节、结构寄存器使用字节、保留字节、CRC校验字节。

　　结构寄存器用来确定温度值的数字转换分辨率。

　　低温报警触发器TL、高温报警触发器TH和配置寄存器都由E2PROM（1个字节）组成。写入结构寄存器或TL、TH操作可以使用存储器功能命令进行。

　　高速暂存器是一个存储器（9个字节），其中的第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，作用是确保通信正确，第6、7、8字节未用，全为逻辑1，第3、4、5字节内容为TH、TL、配置寄存器的临时副本，被测温度的数字量信息由第1、2字节表示。

　　DS18B20中有5条对ROM的操作命令，如表1所示。

　　主机执行ROM操作指令之后，就能使用操作指令对DS18B20内部的存储器进行操作，如表2所示。

　　3温室大棚温度检测系统的硬件接口电路

　　基于DS18B20的温室大棚数字温度测量系统如图1所示，主要由传感器数据采集、单片机数据处理和温度显示等几部分组成。

　　DS18B20使用外接电源方式，VDD端使用3～5.5伏电源供电。单片机直接驱动LED，P0口作段码驱动，P2口作位码驱动。

　　3.1传感器部分

　　温度传感器为DS18B20，本文使用的是电源供电方式，其1脚接地，2脚为数据信号线，3脚接VCC。首先初始化DS18B20，之后将已保存的温度上、下限值从E2PRAM调到RAM中。先读取温度，然后温度值被发送到单片机中，同时检查温度，如数值不在设置的范围内，则发出报警信号。之后读取温度并把数值发送给单片机。不断地循环此过程。

　　3.2单片机及显示部分

　　整个系统的核心部分是AT89S51单片机，其作用是控制整个电路。AT89S51不但能够控制温度传感器还负责读取温度传感器的相关信息，还能控制数码管显示温度。单片机首先将温度传感器初始化，接着发送重调E2PRAM命令。在各项准备工作完成后，单片机开始发送温度转换命令，然后读取温度。温度被读取后，进行数值转换，即把读取的十六进制形式表示的温度值转换成十进制形式的温度值。最后将温度值通过单片机的P0口送到LED数码管显示所测温室大棚环境的温度。为节约成本，显示部分采用的是价格低廉的LED数码管。

　　4温室大棚温度测量系统软件流程

　　4.1基于DS18B20的温室大棚温度测温系统的软件流程

　　具体测温流程如图2所示。DS18B20和单片机接口软件设计包括主程序、DS18B20读写程序和显示程序。

　　根据通信协议，CPU访问DS18B20的工作流程分为三步：首先初始化DS18B20，其次是发ROM操作命令，最后是对存储器和数据进行操作。工作时序分为初始化时序、写时序和读时序。特别需要注意的是每一次读写之前都要对复位。

　　单线温度传感器负责数值输出，测得的温度数值被采用串行方式输出，并且用该线获取复位、写时间片和读时间片等主机命令。

　　初始化：主机把写数据线拉低480～960μs后释放，并且在DS18B20等待15～60μs后，输出持续时间为60～240μs的低电平，主机收到应答后可对其进行其他操作。？写时间片：其形成方法是主机把数据线从高电平1拉到低电平0，包括写0和写1两种方式。写时间片开始时DS18B20在15～60μs期间进行采样。需要注意的是每个时间片间必须有最少1μs的恢复期。？读时间片：其形成方法是主机从DS18B20读取数据。当主机把数据线从高拉到低时读时间片被初始化，在此后的15μs内，DS18B20把有效数据送给口线，因此主机应该在此时间范围内进行采样。60μs是每个读时间片的最小周期，而且一定要有最小1μs的回复期。最后进行数据处理，使用LED显示温度值。

　　4.2控制温室大棚温度具体措施

　　若温度过低则采取加温措施，如热水加温法、热风加温法、土壤加温法。若温度过高则采取降温措施，如自然通风，必要时采用人工强制方式降温，其常见方式包括强制通风法、遮光降温法、蒸发冷却法和流水降温法。

　　5结论

　　本文采用AT89S51单片机和DS18B20数字温度传感器设计了一套温室大棚温度检测系统，该系统可实现对温室大棚内温度的准确测量，该系统的优点是硬件结构简单和精度较高。该温度检测系统不但适于温室大棚的温度检测，还可推广到其他领域的温度测量。

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    作者：周福恩