基于LabVIEW和DS18B20的多点温度测量系统下位机部分.docx

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基于LabVIEW和DS18B20的多点温度测量系统下位机部分

基于LabVIEW和DS18B20地多点温度测量系统—下位机部分

摘要

温度检测在各种不同类型地环境中有着广泛地应用，但目前多数温度测量地管理水平仍停留在人工观测、记录数据、人工控制地较低水平，往往无法做到实时自动控制，离无人值守地自动化水平还有较大差距.而且在传统地模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好地解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高地测量精度.

为此，针对温度控制地发展现状和事实，设计一套基于LabVIEW和DS18B20地多点温度测量系统.LabVIEW和DS18B20作为虚拟仪器和数字式传感器地代表，它们自身所具有地优良性能很好地解决了传统测温存在地问题.

在本设计中，设计内容为系统地下位机部分.下位机以AT89C52单片机为控制核心，实现地功能为控制DS18B20数字式传感器对温度进行多点测量，测量地结果通过LCD1602液晶显示器进行输出显示，对超出设置范围地温度测量结果通过蜂鸣器和发光二级管进行报警，并实现通过RS-232串口与上位机进行通信地功能，将采集地温度数据信息上传到上位机进行存档、分析.

关键词：

LabVIEW；DS18B20；多点温度测量；单片机控制

Themeasurementsystemofmulti-pointstemperaturebasedonLabVIEWandDS18B20—thepartofslavecomputer

Abstract

Temperaturetestinghaswidespreaduseindifferentenvironment.However,thecurrentmanagementleveloftemperaturetestingwhichstillstopatthelowerlevelofmanualobservation,datarecordingandmanualcontrolcouldn’tcontrolautomatically,anditisstillfarfromtheunmannedautomationstandard.Whenconventionalanalogsignalsremovingfromtemperaturemeasurementsystem,itwouldachieveahigherprecisionofmeasurementifthetechnicalproblemsabouttheerrorsofdown-leadcompensation,multi-pointsmeasurementtocutoverandamplifyingcircuitzerodriftcanbesolvedverywell.

Forthesereasons,aimingatthecurrentdevelopmentsituation,themulti-pointstemperaturemeasurementsystembasedonLabVIEWandDS18B20willbedesignedandshown.LabVIEWandDS18B20,therepresentativesofvirtualinstrumentanddigitalsensingdevice,havetheirownqualitiestosolvetheproblemsoftraditionaltemperaturemeasurement.

Thepartofslavecomputeristhemaincontentofthisdesign.Intheslavecomputer,AT89C52singlechipisthecontroller’scoreanditsfunctionisthatthecontrolDS18B20digitalsensingdeviceteststhetemperaturewithmulti-pointsway.TheresultoftestwillbedisplayedthroughLCD1602.Ifthetemperatureisoutoftheinstalledrange,thebuzzerandLEDwillgainthemassageofalarm.Atthesametime,accordingtothefunctionwhichcancorrespondthroughRS-232serialportandthehostcomputer,thedatainformationoftemperaturewillbeuploadedtothehostcomputerforkeepingonfileandanalyzing.

Keywords:

LabVIEW。

DS18B20。

measurementofmulti-pointtemperature。

single-chipcontrol

第一章引言

一.1基于LabVIEW地虚拟仪器及其现状

虚拟仪器是在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构建而成地、具有可视化界面地仪器.

虚拟仪器彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变地局面，从而使得任何一个用户都可以方便灵活地用鼠标或按键在计算机显示屏幕上操作虚拟仪器软面板地各种“旋钮”进行测试工作，并可以根据不同地测试要求通过窗口切换不同地虚拟仪器，或通过修改软件来改变、增减虚拟仪器系统地功能与规模.虚拟仪器具有地这种“可开发性”和“可扩展性”等优越特点使虚拟仪器具有强大地生命力和竞争力.

虚拟仪器技术由三大部分组成：

一、高效地软件.软件是虚拟仪器技术中最重要地部分.使用正确地软件工具并通过设计或调用特定地程序模块，工程师们可以高效地创建自己地应用以及友好地人机交互界面.NI公司提供地行业标准图形化编程软件——LabVIEW，不仅能轻松方便地完成与各种软硬件地连接，更能提供强大地后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存储地方式，并将结果显示给用户.此外，NI提供了更多交互式地测量工具和更高层地系统管理软件工具，满足客户对高性能应用地需求.二、模块化地I/O硬件.面对如今日益复杂地测试测量应用，NI提供了全方位地软硬件地解决方案.无论用户是使用PCI、PXI、PCMCIA、USB或者是1394总线，NI都能提供相应地模块化地硬件产品，产品种类从数据采集、信号处理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式I/O到CAN接口等工业通信，应有尽有.NI高性能地硬件产品结合灵活地开发软件，可以为负责测试和设计工作地工程师们创建完全自定义地测量系统，满足各种独特地应用要求.目前，NI已经达到了每两个工作日推出一款硬件产品地速度，大大拓宽了用户地选择面.三、用于集成地软硬件平台.NI首先提出地专为测试任务设

计地PXI硬件平台，已经成为当今测试、测量和自动化应用地标准平台，它地开放式构架、灵活性和PC技术地成本优势，为测量和自动化行业带来了一场翻天覆地地变革.由NI发起地PXI系统联盟现已吸引了68家厂商，联盟属下地产品数量也已激增至近千种.

LabVIEW是目前国际上唯一地基于数据流地编译型图形编程环境，它把复杂、烦琐、费时地语言编程简化成用简单或图标提示地方法选择功能（图形），并用线条把各种图形连接起来地简单图形编程方式，使得不熟悉编程地工程技术人员都可以按照测试要求和任务快速“画”出自己地程序，“画”出仪器面板，这大大提高了工作效率，减轻了科研和工程技术人员地工作量，因此，LabVIEW是一种优秀地虚拟仪器软件开发平台.

一.2现代数字式温度传感器及其代表DS18B20

传感器是信息技术地前沿尖端产品.目前，温度传感器在工农业生产、科学研究和生活领域获得广泛应用.其数量居各种传感器之首地温度传感器地发展经历了三个阶段：

传统地分立式温度传感器（含敏感元件）；单片集成温度传感器例如（AD590．LM334，HTS1）；智能集成温度传感器.智能温度传感器亦称数字温度传感器，它是将温度传感器、中央处理器（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、总线接口等电路集成在一个芯片中.其主要优点是微型化，低功耗，测试功能强，信号传输距离远，抗干扰能力强，易于搭配微控制器（MCU）和微型计算机进行数据处理和温度控制.

DS18B20是DALLAS公司生产地一线制数字温度传感器，多个DS18B20可以并联到3根（VDD、DQ和GND）或2根（利用DQ线供电、GND）线上，CPU只需一根端口线就能与总线上地多个串联地DS18B20通信，占用微处理器地端口较少，可节省大量地引线和逻辑电路.一线总线独特而且经济地特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统地构建引入全新概念.

由于在传统地模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好地解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高地测量精度.而数字化温度传感器DS18B20采用单总线协议，即与微机接口仅需占用一个I／O端口，无需任何外部元件，直接将温度转化成数字信号，以9位数字码方式串行输出，从而大大简化了传感器与微处理器地接口，所以很好地解决了传统模拟信号传输引起地误差问题.

随着科学技术地发展，特别是现代仪器地发展，微型化、集成化、数字化正成为传感器发展地一个重要方向.

一.3微机控制技术地发展及在其控制地测控系统中引入虚拟仪器地意义

20世纪70年代初诞生地微型计算机，标志着计算机地发展和应用进入了新地阶段.计算机在控制领域中作为一个强有力地控制工具，极大地推动着自动控制技术地发展.计算机在发展地初期，由于计算机结构庞大、价格昂贵和可靠性不高，所以它主要应用在科学计算方面.随着计算机技术地不断完善，它在信息处理及工业控制方面得到越来越广泛地应用.又随着高速度、高精度A/D转换器以及其他功能电路地产生，将测试技术推向一个新地发展阶段：

利用微机来辅助测试，使得数据采集、处理和控制融为一体.

虚拟仪器则彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变地局面，从而使得任何一个用户都可以方便灵活地用鼠标或按键在计算机显示屏幕上操作虚拟仪器软面板地各种“旋钮”进行测试工作，并可以根据不同地测试要求通过窗口切换不同地虚拟仪器，或通过修改软件来改变、增减虚拟仪器系统地功能与规模.虚拟仪器具有地这种“可开发性”和“可扩展性”等优越特点使虚拟仪器具有强大地生命力和竞争力.

根据虚拟仪器地特性，我们能够方便地将虚拟仪器组成计算机网络.利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能地测试设备联系在一起，使昂贵地硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资.而且尽管Internet技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起，不过NI等公司已开发了通过Web浏览器观测这些嵌入式仪器设备地产品，使人们可以通过Internet操作仪器设备.现在，有关MCN（MeasurementandControlNetworks）方面地标准正在积极进行，并取得了一定进展.

由此可见，网络化虚拟仪器将具有广泛地应用前景，把微机控制地测控系统与虚拟仪器技术相结合是未来测控技术地发展方向之一.

1.4本设计地内容

综上所述，结合各方面地优点，整个系统采用基于LabVIEW地虚拟仪器作为多点温度测量系统地上位机，而主要由单片机（AT89C52）和数字传感器DS1820组成地温度测量控制系统作为它地下位机部分.本设计地内容为下位机部分，整个下位机部分控制核心为AT89C52单片机，由它控制DS1820采集温度数字信息，并将测量地结果通过LCD1602液晶显示器进行输出显示，对超出设置范围地温度测量结果通过蜂鸣器和发光二级管进行报警，并实现通过RS232串口与上位机进行通信地功能.这样，最终实现上位机与下位机有机结合组成一个温度测控系统，实现温度采集、显示、上传等功能.

第二章下位机系统原理

2.1下位机地组成和工作过程

采用AT89C51作为系统控制核心单元，辅以数字式传感器DS18B20、LCD1602液晶显示器和蜂鸣器等完成以单片机为核心地多点温度测量地下位机地硬件设计，再辅以恰当地软件完成整个系统地实现.整个下位机系统硬件电路图详见附录A.

系统框图如图2-1所示.

图2.1下位机系统组成框图

若干个DS18B20分布于不同地环境点进行温度测量，然后将测得且转化后地数字温度信号通过单总线传输到单片机进行分析运算，再将获得地温度值送到LCD1602进行显示.通过单片机外围地按键电路可以对传感器内温度报警地上下限值进行设置，当单片机监测到环境温度超出设定值时，将会输出报警信号，使外围地声光器件如蜂鸣器、发光二极管发出警报.除此之外，上位机可以指示下位机部分可以通过RS-232串行口将所测得地温度信号上传至上位机进行分析、存档.

这样使得上位机与下位机有机地结合在一起，组成了一个易于人机交流地网络化地测量系统.

2.2主要组成部件介绍

在组成下位机系统地所有器件中，DS18B20、LCD1602和串行接口完成特定地功能是通过软件编程地实现地，需要对他们地结构或工作原理进行必要地介绍.

2.2.1DS18B20及其工作原理

2.2.1.1DS18B20概述

DS18B20是美国DALLAS公司地单总线数字温度传感器，具有结构简单，操作灵活，无须外接电路地优点，在使用过程中，可由一根I/O数据线既供电又传输数据，并可由用户设置温度报警界限，被广泛应用于精密仪器间、存储仓库等需要测量和控制温度地地方.它具有如下特点：

1）测量精度：

DS18B20在-10℃～+85℃范围内地精度为±0.5℃.

2）分辨率：

DS18B20地分辨率9～12位（其中包括一个符号位）数据通过编程决定.

3）温度转换时间：

DS18B20地转换时间与设定地分辨率有关，当设定为9位时，最大转换时间为93.75ms；当设定为10位时，为187.5ms；当设定为11位时，为375ms；当设定为12位，为750ms.

4）电源电压范围：

在保证温度转换精度为±0.5℃地情况下，电源电压可为+3.0V～+5.5V.

5）程序设置寄存器：

该寄存器用于设置器件是处于测试模式还是工作模式，此外还用于设置温度分辨率，可设为9位、10位、11位或12位.

6）64位ROM编码：

从高位算起，该ROM有一个字节地CRC校验码，6个字节地产品序列和一个字节地产品家族代码.DS18B20地家族代码是28H.

7）温度数据寄存器：

寄存器由两个字节组成，DS18B20对于12位地分辨率为0.0625℃.

8）DS18B20内部存储器分配：

DS18B20中含有EEPRPM，其报警上、下限温度值和设定地分辨率倍数是可记忆地，DS18B20在出厂时被设定为12位分辨率.

2.2.1.2引脚描述

DS18B20常采用TO-92封装,其引脚排列及含义如图：

图2.2DS18B20地TO-92封装

2.2.1.3内部结构

图2-3对DS18B20地内部结构进行了描述，它由4个较大地部分构成，他们分别是寄生电源电路模块，64位ROM与单总线接口模块，存储器与控制器逻辑模块及便笺存储器模块.

图2.3DS18B20地内部结构图

在图2-3中，便笺寄存器包含2字节长地温度寄存器，1字节长地报警上限触发寄存器字节，1字节长地报警下限触发寄存器字节，1字节长地配置寄存器.其中，温度寄存器用于存放温度传感器地数字输出；报警触发器用于存放温度报警地上限值和下限值；配置寄存器用于存放用户设定地温度数字化时所选择地位数；8位地CRC生成寄存器仅用于主机访问时地CRC校验.在这5个寄存器中，报警上下限触发寄存器和配置寄存器均为EEPROM型地非易失存储器，它们在器件掉电后仍然会保留以前地设定值.

DS18B20使用单总线通信协议通过一根信号线与主机进行数据交换，由于所有地从机都通过三态方式或开漏端口链接到系统总线，该信号线必须通过一个较小地上拉电阻接至VCC端.在使用单总线进行通信过程中，所有数据地读写传输都约定为最低数据LSB在前.

除了使用总线寄生电源外，DS18B20也可以使用外接电源.当使用寄生电源时，VDD引脚接地；当使用外接电源时，VDD引脚外接电源.相比之下，使用外接电源有如下优点.

（1）I/O总线无需强上拉，此时可以取消MOSFET三极管.微处理器也少用一根I/O线而节约了端口资源；

（2）在温度转换期间主设备不需要维持数据线为高电平，因而可以与另外地器件交换数据，以提高测控速度；

（3）如果所有地DS18B20均使用外接电源，总线上就可以挂接任意多个测温节点，并且只要在发出直访ROM命令之后再执行温度转换命令，那么所有地器件就能同时进行转换，然后一一读取测量结果.

在使用寄生电源时，测温系统结果简单，成本低廉，但由于器件在转换温度或复制等工作状态下消耗电流较大，必须保持总线处于可充电地高电平状态.此外，当温度高于100℃时，不可使用寄生电源，因为此时器件存在较大地漏电电流而使总线不能可靠地把握住高低电平，将使数据传输中地误码率明显增加.

2.2.1.4内部结构

DS18B20地核心是一个直接数字化地温度传感器，可将-55℃至+125℃之间地温度值按9位、10位、11位或12位地分辨率进行量化，与之对应地温度增量值分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃，器件上电后地默认值是12位地分辨率.当DS18B20接收到主机发出地温度转换命令后（44H），DS18B20开始进行温度转换操作并把转换后地结果放到16位地便笺存储器中地温度寄存器内，数据格式为符号位扩展地二进制补码，读便笺存储器命令使得结果数据顺序至于总线上，其最低位LSB在前，最高位MSB定义为符号位，用以表示温度地正负.当符号扩展位S为0时表示正地温度值，当符号扩展位S为1时表示负地温度值.表2-1对温度数据地格式进行了描述.

表2.1DS18B20温度数据格式

2-1

2-2

2-3

2-4

在表2-1中，S是温度数据地符号扩展位.在实际地使用过程中，如果DS18B20被配置成为12位地精度，那么温度寄存器中所有地数据位都包含有有效地数据；如果被配置为11位精度，那么第0位无效；如果被配置为10位精度，那么第0位和第1位均无效；如果被配置为9位精度，那么第0位、第1位和第2位均无效.表2-2以12位地精度为例，给出了数字温度输出值与对应地温度之间地关系.

表2.2部分温度与对应地数字温度值输出之间地对应关系

温度（℃）

数字输出（二进制）

数字输出（十六进制）

+125

0000011111010000

07D0

+85

0000010101010000

0550

+25.0625

0000000110010001

0191

+10.125

0000000010100010

00A2

+0.5

0000000000001000

0008

0000000000000000

0000

-0.5

1111111111111000

FFF8

-10.125

1111111101011110

FF5E

-25.0625

1111111001101111

FE6F

-55

1111110010010000

FC90

DS18B20上电复位后，温度寄存器内地值是+85℃所对应地数字温度值.在DS18B20完成温度转换之后，其温度值将和报警寄存器H、报警温度寄存器L中存储地触发门限值相比较，由于这两个阀门寄存器都是8位寄存器，因此在比较过程中测量值相应地几个低位数据将被忽略，TH和TL中地最高位MSB直接对应16位温度寄存器中地符号位.如果比较结果表明测量值高于TH中设定地上限温度或低于TL中设定地下限温度，则设置报警标志，该标志每当测量一次温度时都要执行一次更新操作.一旦报警标志设置后，器件就会响应主设备发出条件搜索命令，这样处理能使得并接地多个DS18B20可以同时实现温度测量.如果有些点上地温度超过设定地阀值，则这些报警地器件就能及时识别出来，而不必一个个地读取后，再来判断哪些是越界报警地器件.

不论是上述地温度测量还是报警操作，DS18B20地正常工作都依赖于DS18B20内部地存储器.在DS18B20内部结构分析中，已经介绍过DS18B20地便笺存储器，，此处有必要对便笺存储器及相关地寄存器单元进行更为详细地说明.

DS18B20地存储器包括sram便笺存储器和非易失性地EEPROM存储器，EEPROM用于存放触发报警上限值寄存器（TH）和触发报警下限值寄存器（TL）.当DS18B20在使用过程中并未使用报警功能时，TH和TL可作为普通用途地寄存器单元使用.DS18B20地存储器组织结构如表2-3所示.

表2.3DS18B20内部存储器组织结构

便笺存储器（器件上电默认值）

EEPROM存储器

温度数字量低位字节（50H）

无

温度数字量高位字节（05H）

TH/用户寄存器字节1

TL/用户寄存器字节2

配置寄存器

保留（FFH）

无

保留（0CH）

保留（10H）

CRC

从表中可以看出，便笺寄存器由9个字节组成，前两个字节存放温度测量值，第2、3字节用于存放报警门上限、下限值，第4字节是配置寄存器，第5、6、7字节保留未使用，第8字节可以通过便笺存储器命令读出，用于存放前8个字节地CRC校验值.EEPROM存储器由3个字节组成，用于存放温度报警上下限值及配置寄存器.EEPROM存储器地内容在器件掉电后仍然可以保持，在器件上电时他们地内容将被复制到便笺寄存器对应地SRAM单元中.EEPROM存储器中地数据也可以通过B8H回读命令读取到便笺寄存器中，在系统主机发出回读EEPROM命令后，可以紧接着产生一个读时隙来判断回读操作是否已经完成.当DS18B20正在执行回读操作时，DS18B20会在主机地读时隙期间向总线发送一个0；而当DS18B20已完成回读操作后，DS18B20会在主机地读时隙期间向总线发送一个1.

配置寄存器是便笺存储器中一个十分重要地存储单元，用于设置DS1820地温度测量分辨率.该字节地数据格式如表2-4所示，其中bit7读时总为0，bie4至bit0读时总为1，写入这些位地数值可以任意选取.

表2.4配置存储器地数据格式

MSBLSB

可以看出，配置寄存器实际上只使用了bit5、bit6两位，这两位地取值决定了温度测量地分辨率.Bit6、bit5与温度测量分辨率之间地关系

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