A Design of the Temperature Test System Based on Grouping DS18B20

Abstract: All the DS18B20 sensors, used for the multipoint test temperature, are connected with MCU on one of IO bus, and temperature data are collected by turns. If the system has a large amount of sensors, the time of MCU used in processing the temperature data is obviously prolonged, so the cycle of alternate test gets longer. In this paper, a new method that DS18B20 are rationally grouped is presented, and some measures are taken in software; as a result, the speed of alternate test advances distinctly.

Key words: DS18B20 Group, temperature test, time spent on the alternate test.

I. INTRODUCTION

As the simple structure, convenient installment, low loss and wide range of temperature test, DS18B20 temperature test sensors are applied to the fields which need the multipoint temperature test, such as the chemical industry, the grain, the environment supervision and so on. Because of the adoption of one bus in the DS18B20 multipoint temperature test system, all DS18B20 are hung on one bus, and then the temperature conversion value of each test point is read by turns. As the conversion value must be read after reading-pin state for 8 times, and position and store data must be moved, so time spend much in reading one point of the data system by every time. If the temperature test system is large-scaled, the system loss caused by it is rather much, and then the alternate test speed of the system decreases obviously, which influences the efficiency of the multipoint temperature test system seriously. In this paper, DS18B20 are hung on some I/O buses by grouping DS18B20 evenly, and the conversion temperature data is obtained by reading the state of DS18B20, then the system loss decreases and the alternate test speed increases obviously, which wonrsquo;t influence the precision and the reliability of the conversion. A set of multipoint temperature test of artificial environment laboratory is achieved in this paper, which increases the test efficiency of the former system.

II. CHARACTERISTICS OF DS18B20

DS18B20 is the single bus digital temperature sensor from American Dallas Company. DS18B20 is consisted of the 64 figures ROM engraved by laser, the temperature sensitivity component, non-volatile temperature alarms trigger (Device TH and TL).DS18B20 communicates with the microprocessor by the single bus port and the test range of DS18B20 is from -55 centigrade to 125 centigrade, and the incremental value is 0.5 centigrade. The temperature can be changed into figures within 720ms and each DS18B20 has the sole 64 figures serial number.The specific content is revealed as Fig 1: There are two 8 figures storages (No.0 and No.1) for storing temperature value in DS18B20. No.0 storage stores complement of the temperature value, and No.1 stores symbols of the temperature value. The user can define non-volatile temperature alarms sets and distinguish the alarms search order and seek the component temperature alarms state outside the scheduled limit. There are two alternative ways of power supply: Signal bus high-level borrow power is adopted, or the 5v power supply externally is adopted directly.

Fig 1 DS18B20 64bit ROM

III. APPLICATION THE GROUPING TEST METHOD

This paper illustrates the grouping method with the interface of DS18B20 and 89C52. Assuming the amount of the buses on P1 port is 4 and the temperature test system needs 100 DS18B20 sensors, which can be distributed equally to the 4 I/O lines. If the number of sensors cannot be divided by the number of buses even, the number disparity of sensors on buses is no more than one, which can be handled while reading numbers. The power is supplied externally. Owning to the synchronistic conversion in each DS18B20, the intense current is needed, and the signal bus cannot be used for the power supply, otherwise the system cannot work in order. The schematic circuit is shown as Fig 2 (the DS18B20 signal buses of the same group are hung on some buses of P1 port). When read and write the DS18B20, the strict schedule must be kept. First a reversion pulse is sent to all DS18B20. After the reversion, Skip ROM order is sent to each circuit simultaneously from the I/O port, and the conversion order is sent, then all sensors begin transform. After the conversion, Match Rom order is sent to each circuit simultaneously, and 64 bits serial number is sent. DS18B20 is selected for each group, and Scratch Pad data is read. Finally the data is transformed. The data of serial-read is transformed into the actual temperature value. One alternate test is finished after the DS18B20 temperature data is read completely by the cyclical reading for 25 times.

Fig 2 DS18B20 grouping sketch map

Now the time-consuming in the test system of the single bus and the grouping analyses method is illustrated respectively. The reversion period of DS18B20 is 495us-1020us; the writing period of one bit is 60us-120us; the reading period of one bit is above 60us; the span of writing or reading the next bit is 1us. As the A/D conversion time is 97.35ms (9 precisions), if it is counted by the shortest way, the total time-consuming of alternate test is calculated respectively as follows:

(1) Single bus

495us 2*(8*60 7)us 97.35ms 495us 100*(64*60 63 8*60 7 9*60 8)us=552.534ms

(2) Grouping mode

495us 2*(8*60 7)us 97.35ms 20(64*60 63 8*60 7 9*60 8)us=189.804ms

As the small proportion of the numeration system conversion and the storage time in the whole period, the unknown crystal-oscillator frequency, the numeration system conversion and storage time is not counted. Accordingly, the alternate test time which grouping mode consumes is much shorter than single bus mode obviously.

IV. EXAMPLE OF THE DESIGN

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一种基于DS18B20的温度探测系统

摘要：当用于多点测温时，所有的DS18B20传感器都连接在单片机的一根总线上，采用轮流采集温度数据的方式。当系统有多个传感器时，单片机用于处理温度数据的时间就会明显延长，从而导致测温系统周期增长。在本文中，采取对DS18B20合理的分组的方法，并在软件上采取一定措施，从而明显的提高交替检测速度。

关键词：DS18B20组，温度测试，交替检测时间

1 引言

DS18B20温度传感器由于其结构简单、安装方便、低损耗以及测温范围宽而被广泛应用于需要多点测温的地方，像化工，粮食存贮，环境监测等。由于多点温度测试系统采用的是单总线方式，所有的DS18B20传感器挂在一根总线上，然后轮流读取每一个测试点的温度转换值。由于读取单个传感器的转换值需要读 8次管脚状态，并要进行移位存储数据，所以系统读取每一点的数据花费的时间不小，如果测温系统规模较大的话，由此造成的系统损耗也是相当大的,从而导致系统的交替检测速度明显下降，极大的影响了多点测温系统的检测效率。本文中，DS18B20平均分组挂到多根I/O线上，通过同时读取DS18B20的状态得到转换的温度数据，从而明显提高交替检测速度并降低系统开销，同时又不影响转换精度及可靠性。本文设计了一套人工环境实验室的多点温度测试系统，明显提高了现有测试系统的检测效率。

2 DS18B20的特性

DS18B20是由美国Dallas公司设计的单线数字温度传感器。它由64位激光光刻ROM、温度传感元件、非易失性温度报警触发器（TH和TL器件）三个部分组成，其与单片机的通信采用单线接口，DS18B20的测量范围是-55℃到 125℃，增量值为0.5℃。温度可在720ms内变换为数字，每一个DS18B20具有唯一的64位的序列号（图1），DS18B20内部有两个8位存储器RAM用来储存温度值（0号和1号），其中0号存储器存放温度值的补码，1号存储器存储温度值的符号。用户可以定义非易失性的温度报警设置并且区分报警搜索命令，寻求组件温度警报状态以外的预定的限制。有两种供电方式：利用信号线高电平时借电供电，或直接用 5V电源供电。

图1 DS18B20的64位ROM

3 应用分组测试方法

本文以DS18B20与89C52的接口说明分组测试方法，假定P1口上的总线数为4，温度测试系统需要100个DS18B20传感器，可将100个传感器平均分配到4根I/O线上，如果传感器数量不能被总线数整除，可使连在总线上的传感器数量差别不超过1个，这样读数时就能解决。电源采取外部供电，由于每个DS18B20都是同步转换，所以需要较强电流，不能用信号线供电，否则系统无法正常工作。电路原理图2所示（同组的DS18B20信号线都连接在P1口的一根总线上）。当对DS18B20进行读写时，必须严格保持时序要求。首先给所有的DS18B20发一个复位脉冲，复位后从各I/O口发送跳转ROM命令，转换以后向各路同时发匹配ROM命令，接着发送64位序列号，每组选择一个DS18B20，读取Scratch Pad数据，最后进行数据转换，将串行读取的数据转换成实际值，循环读取25次将所有DSl8B20温度数据完全读完，一次交替测试完成。

图2 DS18B20的分组示意图

现在来分别说明单总线方式和分组方式测试系统耗时。DS18B20的复位时间为495us～1020us，写一位时间为60us～20us，读一位时间为60us以上，读写相临一位时间间隔为1us。因为A/D转换时间为97.35ms（9位精度）,整个交替检测时间分别为： （1）单总线：

495us 2*(8*60 7)us 97.35ms 495us 100*(64*60 63 8*60 7 9*60 8)us=552.534ms

（2）分组模式：

495us 2*(8*60 7)us 97.35ms 20(64*60 63 8*60 7 9*60 8)us=189.804ms

因为数制转换和存储时间占整个交替检测时间很小，以及无法确定晶振频率，这里就不计算数制转换和存储时间。因此，分组模式消耗的时间明显比单总线模式短得多。

4 设计实例

沥青运输车是用于原料场和路面之间的主要输送设备。由于沥青转运车在高寒地区作业或运送距离过长时不可避免的产生温降，这会影响路面的摊铺质量，所以必须根据外壳的散热情况采取具体的保温措施。本文基于DS18B20分组方式设计了一套用于沥青运输车外壳温度分布的无线温度测试系统，总共120个点。温度测试系统采用主从方式，下位机负责采集数据，存储数据，设置传感器，无线传输等。上位机采用PC机，主要负责接收下位机发送过来的温度数据，并进行显示，存储等数据管理工作以及简单的人机交互。

4.1 系统硬件

考虑到主控芯片需存储多点的温度值并进行数值转换，需要较多内部RAM，因此采用ATMEL公司89C52单片机，其带有256字节RAM和8KB E2PROM程序存储器。因为要对DS18B20的序列号进行区分和编码，所以增加了液晶模块和键盘模块,无线数传部分则选用收发一体式无线模块PTR2000，该模块可以有两个业余频段选择，波特率可调(最高可达20Kbit/s），单芯片微机串口的数据可以直接接收。

DS18B20采用电源供电方式，分为8组挂在P1口（P1.0-P1.7口）。无线模块直接挂在串口上，硬件看门狗采用MAX813芯片。当系统加电时，89C52的复位信号由MAX813的复位管脚输出，复位脉冲的值为200 ms。程序正常运行时，必须在小于1.6s的时间间隔内向MAX813的WDI管脚发送一个脉冲信号，以清除芯片内部看门狗定时器。若超过1.6s，该管脚都没收到脉冲信号，则使89C52复位。考虑到系统须存取120个DSl8B20的序列号。所以扩展了一片8K带掉电保护功能的数据存取器DSl225。

4.2 系统软件功能和流程

温度测试系统软件部分，负责完成对DSl8B20的编号、数据采集及转换、无线通讯及键盘管理等，为了调试程序方便，提高可靠性，采用了模块化设计，主要有键盘处理模块、无线通讯模块、温度采集和处理模块、显示模块等。主程序负责键盘管理、系统初始化及各功能模块的调用。系统中留有口线以实现DSl8B20的编程任务。利用键盘和显示配合读取120点DS18B20的序列号，之后编号存入DS1225Y中，一开始无线模块设置为接收状态，以接收采集数据启动命令，转换时，无无线模块设置为休眠状态，在进行温度数据上传时模块设置为发送状态，将温度数据和DS18B20的系统编号发送给上位机。采集和转换部分启动DS18B20转换，分组方式读取温度数据，存储数据等。

5 结论

作者创新点：

1.通过分析基于单总线方式和分组方式的多点温度测试系统的交替检测时间的差别，得出分组方式能明显提高交替检测速度。

2.设计了一套基于DS18B20分组方式的无线多点温度测试系统，这套系统已经用于一家大型机械公司的沥青运输车的技术改造中，并取得良好的效果。

单片机温度控制

1 引言

该设计项目来自一个实际应用问题，一个关于显微镜载玻片干燥剂温控器——欧米茄CN-390温度控制器，而这个设计的目标是研发一个自定义的通用温度控制系统取代欧米茄系统、一个以更低的成本实现相同功能的自定义控制器，就像欧米茄系统一样，并不需要能够全方位的处理各种问题。

该载玻片干燥机的机械布局如图1所示。干燥机的主体是一个足够大的绝缘充气室，里面依次存放着薄纸包着的石蜡。为了使石蜡保持适当稳定性，载玻片气室的温度必须维持稳定。第二个气筒（电子围绕元件）设有一个电阻加热器、一个温度控制器以及一个安装在干燥机上的风扇，是为了把风吹过加热器，把热量带到载玻片气室。本文的目的是提出一些问题并详细阐述学生的一些解决方案，而且讨论了这种类型的跨学科设计项目在教学方面应用的问题。第2节给出该设计的更多详细情况，包括性能规格。第3节写学生的设计。第4节是论文的主体，讨论该设计在教学应用方面的实施问题。最后，第5节是全文总结。

图1 载玻片干燥机的机械布局

2 问题阐述

该项目基本的思想是设计一个自定义温度控制系统来取代相关的欧米茄CN-390温度控制器。温度时通常保持在一个稳定的常数，但重要的是阶跃变化可以被合理的跟踪。因此主要要求如下：可以对空气室的温度进行设定，同时显示设定值和实际温度，以及在设定温度值情况下，可接受范围内的跟踪阶跃变化，稳态误差和超调量。

设定温度接口
范围 精度	60-99°C 1°C
设定温度显示
范围 精度	60-99°C 1°C
室内温度显示
范围 精度 准确度	60-99°C 1°C plusmn;1°C
室内温度阶梯响应
范围（稳定状态） 精度（稳定状态） 最大超调 设定时间（到plusmn;1°）	60-99°C plusmn;1°C 1°C 120s

表1 精确的规格说明

尽管表1部分说明并不明确，但是它清楚的反映了人们对数字显示器在设定值和实际温度的要求和温度应该通过数值输入来设定（而不是通过电位器设置）。

3 系统设计

基于单片机的设计，数字温度显示和单点输入的要求可能是最合适的。图2为学生的设计框图。

图2 温度控制器硬件结构图

摩托罗拉MC68HC705B16（简称6805），是系统的核心。它通过一个简单的4键小键盘对温度进行设定，同时使用两个显示驱动控制7段LED数码管来显示定值和气室温度的测量值。所有这些，输入和输出信号与6805的并行口相连。气室的温度值使用预校准热敏电阻测量，并通过6805的数模转换输入。最后，6085的脉冲宽度调制（PWM）输出用来驱动一个继电器，以控制线性电阻加热器的闭合和断开。

图3画出了6805的电子示意图和接口图。使用暴风3K041103型号四键键盘，通过PA0-PA3端口进行数据输入。其中一个重要的功能是进行模式切换。两种模式：固定模式和运行模式。在固定模式下，其他两个键用于设定温度，一个增加，一个减少，第四个按键暂无作用。LED显示屏由哈里斯半导体ICM7212进行驱动，通过PB0-PB6端口与芯片相连，作为输出。热敏电阻由电压分频器驱动，通过AN0针脚（八个模拟输入端口中的一个）相连。最后，PLMA针脚（两个PWM输出端口中的一个）驱动加热继电器。

图3 单片机原理图

图3单片机原理图是关于用软件实现温度控制算法、保持温度显示以及用键盘改变输入响应的设定值，这将不会在本文详细讨论，因为这并不是本文的重点。软件部分还没有确定控制算法，但很可能是一个简单的比例控制，比PID算法简单。一些控制设计的问题将在第四节讨论。

4 设计过程

虽然该项目的本质是建立一个恒温器，但它有许多很好的契机可以供教学借鉴。高级工程本科教育的知识只是能够让学生们具有解决问题的能力。然而，很多情况下，实际情况却和理论有些不同。不过，这些不是问题，参与这个项目的设计，将获得很多设计方面的宝贵经验。本节的其余部分着眼于其他的几个方面：4.1节讨论系统的一些特征，简化系统热性能的数学模型，以及一些简单理论的证明。4.2节介绍确定实际控制算法。4.3节指出控制设计程序的一些不足，并通过模拟环境，指出怎样克服问题。4.4节给出单片机的一些设计相关概述，以及出现问题和值得借鉴之处。

4.1数学模型

集总元件热系统符合线性控制，适用于载玻片干燥机的问题。图4显示了二阶集总元件热量模型的载玻片干燥机。状态变量是温度，Ta是箱内空气的温度，Tb是箱子本身的温度。该系统输入功率等于q(t)的热量和环境温度T的和。ma，mb分别对应空气和箱子的质量。Ca和Cb则分别是其对应热量。m1和m2分别是空气与箱子间以及箱子与外界间的传热系数。

图4 集总元件热模型

由图4可以推出（线性）状态方程

拉普拉斯变换(1)和(2)等式，并整理Ta(s)。有趣的是，可以推出一个开环的热系统方程。

其中K是一个常数，D(s)是一个二阶的多项式。K,tz,以及系数D(s)和在(1)和(2)等式中出现的系数功能相近。当然，在(1)和(2)等式中各种参数在未知的情况下，不难证明D(s)与其他参数的值无关，具有两个零点。因此传递函数可以写成（我们假设环境温度为常数）

4.2控制系统设计

使

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