基于DS18B20和AT89C2051設計的分布式溫度測量系統

溫度監控是工業生產中的一個重要環節，尤其在環境 惡劣和復雜的工業現場，溫度監控起著不可替代的作用。但是由于目前許多溫度監控系統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 的監控系統。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、網絡控制等技術的發展，工業測控系統已成為許多工業企業中非常重要的組成部分。加之現場總線技術的日趨成熟及數字溫度傳感器的出現，使得現場總線技術和數字溫度傳感器更多的用于工業監控系統中來，從而使得工業監控系統的功能更加強大，監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采用數字溫度傳感器DS18B20和AT89C2051單片機進行溫度數據的采集和存儲，通過RS485總線傳輸。上位計算機對所測得的每個誤差補償量，依據誤差回歸模型的最小二乘法進行參數估計。做出線性誤差補償模型的數學方程對常溫下測量的數據進行了補償處理，在-55e到+125e測量范圍和測量精度0.2級下，實現傳輸距離達到500m，并根據工程實踐給出提高傳輸距離與測量精度的關鍵技術。

1.系統設計

系統由PC機和AT89C2051單片機系統組成，構成小型的分散測控系統。其中，單片機系統的任務是完成工業現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轉接頭進行連接。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

系統的單片機所構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的數據采集與發送程序流程圖。

圖2 傳感器數據采集電路

圖3 數據采集與傳輸流程圖

上位機主要由監控窗口、溫度點查詢（下位機）、溫度報表生成、幫助與退出系統五個功能模塊組成，其功能模 塊如圖4所示。

圖4 上位機系統軟件模塊

2.采集數據處理

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

通過實際測量取得測量數據后，對所測量的數據進行計算、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據的平均值。如：

在對測量結果處理中，需要對數據對測量數據去求得變量x和y之間的最佳函數關系，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據點與擬合直線的偏差的平方和為最小。假定本組實驗數據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，并令其為0，可以得出兩個方程，對于兩個未知數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）對所測數據數據進行計算，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。其數據點在直線擬合圖中的分布如圖5所示。

圖5 測量數據點在擬合直線周圍的分布

根據修正后的直線方程，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果數據，如表1所示。

經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和中國人民解放軍15分部的彈藥庫溫濕度自動控制系統中，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鍵技術

由DS18B20傳感器構成的測溫系統，雖然系統構成簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優點，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據傳輸，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果。在使用PL/M、C等高級語言進行系統程序設計時，對于DS18B20操作部分最好采用匯編語言。

（2）在DS18B20的有關資料中均未提及但總線上所掛DS18B20數量問題，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，讀取的測溫數據將發生錯誤。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。

結論

詳細論述了由DS18B20構成的RS485總線多點分布式溫度測量系統。系統嚴格按照計量產品的標定規范進行，對多點遠距離測量數據進行了分析處理，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，該系統設計可以實現對工業現場多點溫度的網絡監控，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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