基于DS18B20和AT89C2051設計的分布式溫度測量系統(tǒng)

溫度監(jiān)控是工業(yè)生產(chǎn)中的一個重要環(huán)節(jié)，尤其在環(huán)境 惡劣和復雜的工業(yè)現(xiàn)場，溫度監(jiān)控起著不可替代的作用。但是由于目前許多溫度監(jiān)控系統(tǒng)所采用的溫度傳感器的輸出是一個變化的模擬電壓量，不能與計算機采集系統(tǒng)直 接接口，需要進行采集、處理與變換，才能送入基于計算機 的監(jiān)控系統(tǒng)。這就使得對于多點分布式的溫度測量帶來 了不便。隨著計算機、通信、網(wǎng)絡控制等技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)測控系統(tǒng)已成為許多工業(yè)企業(yè)中非常重要的組成部分。加之現(xiàn)場總線技術(shù)的日趨成熟及數(shù)字溫度傳感器的出現(xiàn)，使得現(xiàn)場總線技術(shù)和數(shù)字溫度傳感器更多的用于工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中來，從而使得工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的功能更加強大，監(jiān)控的范圍更加的廣泛。同時提高溫度的測量的精度也是重要的目標之一。

因此本文設計的系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20和AT89C2051單片機進行溫度數(shù)據(jù)的采集和存儲，通過RS485總線傳輸。上位計算機對所測得的每個誤差補償量，依據(jù)誤差回歸模型的最小二乘法進行參數(shù)估計。做出線性誤差補償模型的數(shù)學方程對常溫下測量的數(shù)據(jù)進行了補償處理，在-55e到+125e測量范圍和測量精度0.2級下，實現(xiàn)傳輸距離達到500m，并根據(jù)工程實踐給出提高傳輸距離與測量精度的關(guān)鍵技術(shù)。

1.系統(tǒng)設計

系統(tǒng)由PC機和AT89C2051單片機系統(tǒng)組成，構(gòu)成小型的分散測控系統(tǒng)。其中，單片機系統(tǒng)的任務是完成工業(yè)現(xiàn)場溫度值的采集與存儲，并通過RS485總線與PC機相連。而PC機的主要任務是承擔集中測控與管理。由于采用的是RS485總線進行通信，而PC機上只有RS232接 口，因此需要通過RS232/RS485轉(zhuǎn)接頭進行連接。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的單片機所構(gòu)成的測溫點可以添加，其中每一個單片機都有自己的唯一的地址，通信時采取主從通信方法，由上位機確定與哪個單片機進行信， 圖2為DS18B20與通信接口的硬件設計電路。圖3為DS18B20的數(shù)據(jù)采集與發(fā)送程序流程圖。

圖2 傳感器數(shù)據(jù)采集電路

圖3 數(shù)據(jù)采集與傳輸流程圖

上位機主要由監(jiān)控窗口、溫度點查詢（下位機）、溫度報表生成、幫助與退出系統(tǒng)五個功能模塊組成，其功能模 塊如圖4所示。

圖4 上位機系統(tǒng)軟件模塊

2.采集數(shù)據(jù)處理

在溫度測量測試中，以0.1級標準溫度計為參考，并 在常溫常壓環(huán)境中進行。采取的測量環(huán)境分別為室溫、體溫、冰水混合物、熱水與沸水。

通過實際測量取得測量數(shù)據(jù)后，對所測量的數(shù)據(jù)進行計算、分析、處理往往是提高測量精度的重要手段。首先計算每組測量數(shù)據(jù)的平均值。如：

在對測量結(jié)果處理中，需要對數(shù)據(jù)對測量數(shù)據(jù)去求得變量x和y之間的最佳函數(shù)關(guān)系，y = f（x）。解決這個問題最常用的準則是最小二乘原理。對于等精度、獨立的測量來說，其基本原則是各個數(shù)據(jù)點與擬合直線的偏差的平方和為最小。假定本組實驗數(shù)據(jù)的最佳擬合直線方程為：y = A+ Bx，式中A為直線截距，B為其斜率。

根據(jù)最小二乘原理，按照通常求極值的方法，去其對A，B的偏導數(shù)，并令其為0，可以得出兩個方程，對于兩個未知數(shù)A，B有唯一解。通過對這個方程組進行求解得出：

按照式（1）和式（2）對所測數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)進行計算，如求出A，B值分別為1.078，0.97，從而得出的直線擬合的直線方程為y=1.078+ 0.97x。其數(shù)據(jù)點在直線擬合圖中的分布如圖5所示。

圖5 測量數(shù)據(jù)點在擬合直線周圍的分布

根據(jù)修正后的直線方程，如y=1.078+0.97x，對測量點進行測量值進行線形修正，這樣就可以得到修正表，因為篇幅限制，僅給出了室溫的修正前后的結(jié)果數(shù)據(jù)，如表1所示。

經(jīng)過修正后的溫度平均值為26.041e，參考溫度計測量的平均值為25.94e，兩者的測量誤差減小為0.100e，比修正前的誤差減小了0.39e。

由修正結(jié)果明顯可以看出，測量精度得到了很大的提高。利用上述介紹的方法，作者成功應用于淮安市城建檔案管理信息系統(tǒng)和中國人民解放軍15分部的彈藥庫溫濕度自動控制系統(tǒng)中，取得了非常好的精度與控制效果。

3.多點遠距離傳輸中精度控制關(guān)鍵技術(shù)

由DS18B20傳感器構(gòu)成的測溫系統(tǒng)，雖然系統(tǒng)構(gòu)成簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，但是在實際應用中也應該注意以下問題：

（1）較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償。由于DS18B20與單片機間采用串行數(shù)據(jù)傳輸，因此，在對于DS18B20進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測試結(jié)果。在使用PL/M、C等高級語言進行系統(tǒng)程序設計時，對于DS18B20操作部分最好采用匯編語言。

（2）在DS18B20的有關(guān)資料中均未提及但總線上所掛DS18B20數(shù)量問題，在實際應用中，但總線上所掛的DS18B20超過8個時，就需要增加單片機總線驅(qū)動器。

（3）連接DS18B20的總線電纜有長度限制。當采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當將總線電纜改為屏蔽雙絞線電時， 通信距離可達到500m。因此，在用DS18B20進行長距離測溫系統(tǒng)設計時要選擇多股屏蔽雙絞線電纜，實驗證明，在大于500m小于100m距離時，可以保證測量精度在0.2級。

（4）當距離超過500m時，要充分考慮傳輸速率可抗干擾措施。實際工程使用中，在遠端需要并接120歐電阻（干擾較強時，在近端也需要并接120歐的電阻）以便吸收回波等干擾。另外，降低信號的傳輸速率是一種非常有效的措施。實踐中，采用9600波特率可以使傳輸距離達到1000m。

結(jié)論

詳細論述了由DS18B20構(gòu)成的RS485總線多點分布式溫度測量系統(tǒng)。系統(tǒng)嚴格按照計量產(chǎn)品的標定規(guī)范進行，對多點遠距離測量數(shù)據(jù)進行了分析處理，以及對誤差進行了修正，使用精度達到了0.2級。通過實驗證明，該系統(tǒng)設計可以實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場多點溫度的網(wǎng)絡監(jiān)控，并且具有成本低、功能多、可靠性高的和精度高的特點。
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