引言

　　在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域，溫控系統(tǒng)有著巨大的市場(chǎng)前景和價(jià)值，在這些領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的人工監(jiān)控已不能滿足日益增長(zhǎng)的技術(shù)需求，因此電子監(jiān)控類設(shè)備將極其走俏。現(xiàn)有的方法是在一根I/O線上連接多個(gè)DS18B20的數(shù)據(jù)采集方法，而在DS18B20接入系統(tǒng)之前，需要人工將DS18B20的64位ROM序列號(hào)逐一讀出，并進(jìn)行存儲(chǔ)。這種方法在確定DS18B20的物理位置上有很大困難，特別是當(dāng)更換出現(xiàn)故障的DS18B20時(shí)，這個(gè)矛盾變得尤為突出。

　　因此，本文研究了一種方法，解決了單片機(jī)與DS18B20結(jié)合的測(cè)溫系統(tǒng)數(shù)字傳感器的更換問題，系統(tǒng)結(jié)合了軟件編程與硬件設(shè)計(jì)。在提出的解決方案中，數(shù)據(jù)采集模塊采用低功耗AVR單片機(jī)-Atmega16、單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20以及外部存儲(chǔ)器-低能耗串行EEP-ROM。系統(tǒng)根據(jù)DS18B20數(shù)量的多少，可以選擇基于MAX485的有線組網(wǎng)，也可以選擇基于nRF905或ZigBee的分布式無(wú)線組網(wǎng)。

　　1 DS18B20簡(jiǎn)介

　　1.1 概述

　　DS18B20是一款高性能單線數(shù)字式溫度傳感器，由美國(guó)DALLAS（達(dá)拉斯）公司生產(chǎn)。該傳感器提供9到12位溫度讀數(shù)；可實(shí)現(xiàn)-55℃到+125℃范圍內(nèi)的溫度測(cè)量，增量值為0.5℃?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的溫度值通過單總線接口傳給微處理器，多個(gè)DS18B20可以存在于同一條單線總線上。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，可以在不同的地方放置DS18B20，并將這些傳感器接在同一條單線總線上，只由一個(gè)單片機(jī)進(jìn)行控制。那么，如何對(duì)DS18B20數(shù)字傳感器供電呢？這里我們給出兩種方式：一是寄生電源供電；二是外部電源供電。

　　1.2 引腳說(shuō)明

　　DS18B20只有三個(gè)引腳：一個(gè)是GDN（電源地）；一個(gè)是VDD（當(dāng)采用寄生電源供電時(shí)，VDD接地；若采用外部電源供電時(shí)，VDD接工作電源）；另一個(gè)是DQ（數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳）。

　　1.3 硬件電路

　　1.3.1 寄生電源供電電路

　　1.3.2 外部電源供電電路

　　采用寄生電源供電時(shí)，VDD引腳必須接地，由I/O引腳為DS18B20提供電源電流。采用外部電源供電時(shí)，VDD接外部電源，為DS18B20提供電源電流。寄生電源有雙重優(yōu)點(diǎn)：

　　a.遠(yuǎn)程溫度檢測(cè)無(wú)需本地電源；

　　b.缺少正常電源條件下也可以讀ROM。

　　但是這種供電方式就不能確保數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)仍有效供電，從而DS18B20無(wú)法進(jìn)行地溫度轉(zhuǎn)換。當(dāng)多個(gè)DS18B20掛在同一根I/O線上并同時(shí)進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換時(shí)，這個(gè)問題變得更加明顯。因此本文決定采用外部電源供電方式，以達(dá)到提高溫度轉(zhuǎn)換度的目的。

　　1.4 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　DS18B20內(nèi)部主要包括：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。如圖3所示：

　　1.4.1 64位光刻ROM

　　用于存儲(chǔ)64位序列號(hào)。該序列號(hào)作為DS18B20的編號(hào)，在出廠前就被光刻在64位ROM中。DS18B20在與單片機(jī)通信時(shí)，就用此序列號(hào)區(qū)別于其它傳感器。64位序列號(hào)可以看作是DS18B20的地址序列碼。

　　64位光刻ROM的位排列是：低8位是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)；接著的48位是該DS18B20的自身序列號(hào)；高8位是低56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，該8位又被單獨(dú)提出，稱為CRC發(fā)生器，主要是實(shí)現(xiàn)串行通信中的數(shù)據(jù)校驗(yàn)，判斷接收的數(shù)據(jù)是否正確。64為序列號(hào)的作用，是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20。

　　1.4.2 非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器

　　DS18B20的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL各由一個(gè)非易失性EEPROM字節(jié)構(gòu)成，如果沒有對(duì)DS18B20使用報(bào)警搜索指令，可以作為一般的EEPROM存儲(chǔ)器使用。利用每個(gè)DS18B20的序列號(hào)可讀取同一根I/O線上的多個(gè)DS18B20的溫度數(shù)據(jù)，利用I/O端口號(hào)和已經(jīng)寫入層數(shù)信息的DS18B20的溫度報(bào)警觸發(fā)器（TH和TL），可將每個(gè)DS18B20的溫度數(shù)據(jù)和其物理位置對(duì)應(yīng)起來(lái)。因此在DS18B20安裝之前，就需將DS18B20所在層的信息寫入到溫度報(bào)警觸發(fā)器（TH和TL）中。

　　2 AVR單片機(jī)與DS18B20的結(jié)合

　　在本文中DS18B20采用寄生電源供電，單片機(jī)選用AVR單片機(jī)。之所以選擇AVR單片機(jī)，是因?yàn)槠渚哂?1單片機(jī)無(wú)法提供的優(yōu)點(diǎn)：

　　a.讀寫速度快，AVR單片機(jī)采用了大型快速存取寄存器文件和快速單周期指令。

　　b.性價(jià)比高。

　　c.工作電壓范圍寬（2.7～6V）、抗干擾能力強(qiáng)。

　　總之，AVR單片機(jī)在一個(gè)芯片內(nèi)將增強(qiáng)性能的RISC 8位CPU與可的FLA-SH相結(jié)合使其成為適合于許多要求、具有高度靈活性和低成本的嵌入式高效微控制器。

　　圖4是DS18B20采用外部電源供電方式時(shí)，與Atmega16單片機(jī)的硬件連接圖。

　　3 解決方案

　　本文深入研究數(shù)字傳感器的工作原理，通過設(shè)計(jì)硬件和軟件，提出了更換數(shù)字傳感器的方案，并已在網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制傳感器的設(shè)計(jì)中應(yīng)用，在硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了仿真。圖5是通過Proteus 7單片機(jī)軟件仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，單片機(jī)控制DS18-B20并顯示測(cè)試結(jié)果的電路圖。

　　3.1 硬件設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)通過I/O口控制DS18B20，每個(gè)I/O口外接60個(gè)DS18B20，同時(shí)單片機(jī)通過SPI串行接口外接外部存儲(chǔ)器EEPROM，如圖6所示。

　　M95128芯片采用MLP8微型封裝技術(shù)，因此，可以大大節(jié)省產(chǎn)品的空間和成本；待機(jī)功耗低于3μA，也是該芯片的一大特點(diǎn)；四線的SPI接口支持 2 Mbit/s的通信速率，除提供標(biāo)準(zhǔn)的硬件寫保護(hù)功能外，還支持軟件寫保護(hù)。外部存儲(chǔ)器EEPROM用來(lái)存放單片機(jī)控制的所有DS1-8B20的序列號(hào)，和對(duì)應(yīng)的邏輯地址。一個(gè)DS18B20的序列號(hào)占八個(gè)字節(jié)，所以一路數(shù)據(jù)線上所接DS18B20溫度傳感器的個(gè)數(shù)與外部存儲(chǔ)器EEPR-OM的存儲(chǔ)空間有關(guān)。M95128芯片的容量達(dá)128kbit，可以存儲(chǔ)13107個(gè)DS18B20的序列號(hào)和對(duì)應(yīng)的邏輯地址，足以滿足本文的需要。

　　單片機(jī)Atmega16的PB5（MOSI）口接EEPROM的DI（數(shù)據(jù)輸入）口，PB6（MISO）口接DO（數(shù)據(jù)輸出）口，PB7（SCK） 口接SK（讀寫時(shí)鐘信號(hào)輸入引腳）。單片機(jī)讀到每個(gè)DS18B20的序列號(hào)后，通過PB5口將序列號(hào)和對(duì)應(yīng)的邏輯地址寫入EEPROM中。需要某個(gè)邏輯地址對(duì)應(yīng)的序列號(hào)時(shí)，EEPROM通過DO口將序列號(hào)傳入單片機(jī)中。

　　3.2 軟件設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)使單片機(jī)每次上電時(shí)，都重新讀取每根數(shù)據(jù)線上的每個(gè)DS18B20的序列號(hào)和溫度報(bào)警器中的內(nèi)容，I/O端口號(hào)+溫度報(bào)警觸發(fā)器中的層信息即為該DS18B20的邏輯地址。單片機(jī)將讀取到的各DS18B20的序列號(hào)與其對(duì)應(yīng)的邏輯地址，通過MOSI引腳保存在外部存儲(chǔ)器EEP-ROM中。在控制模塊的固化程序中，只涉及傳感器的邏輯地址。當(dāng)需要訪問某個(gè)傳感器時(shí)，單片機(jī)會(huì)根據(jù)固化程序中的邏輯地址在EEPROM中查找該邏輯地址對(duì)應(yīng)的 DS18B20序列號(hào)，從而找到需要訪問的傳感器。在更換了某個(gè)DS18B20時(shí)，只需給單片機(jī)重新上電，微控制會(huì)更新EEPRO-M，而不需修改控制模塊中的固化程序。

　　本文中，使用ICCAVR編譯器作為軟件開發(fā)環(huán)境，編譯C語(yǔ)言程序代碼。向EEPROM中保存序列號(hào)的程序流程圖如圖7所示。

　　根據(jù)控制模塊中涉及的邏輯地址，單片機(jī)在EEPROM中查找對(duì)應(yīng)的DS18B20的序列號(hào)的程序流程如圖8所示。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　本文上述的解決方案，通過外接存儲(chǔ)器，保存DS18B20的序列號(hào)和相應(yīng)的邏輯地址，很好地解決了數(shù)字傳感器的更換問題。這一方案，極大地提高了設(shè)計(jì)人員和工作人員的工作效率。與此同時(shí)，因?yàn)樵谕ㄐ沛溌分袀鬏數(shù)氖沁壿嫷刂?，減少了冗余信息，提高了有效信息的傳輸率。因此，本文設(shè)計(jì)的溫度采集系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)很多，不僅運(yùn)行速率快、性能穩(wěn)定、數(shù)字化程度高，而且維護(hù)方便。此系統(tǒng)在各類數(shù)字通信、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安防系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

[1]. DS18B20 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/DS18B20_819975.html.
[2]. ROM datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/ROM_1188413.html.
[3]. Atmega16 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/Atmega16_144718.html.
[4]. MAX485 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/MAX485_859396.html.
[5]. M95128 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/M95128_1060220.html.
[6]. PB5 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/PB5_1139269.html.