摘要：為了克服空調檢測系統存在的布線復雜、溫度采集穩定性差的缺點，利用數字溫度傳感器DS18B20具有一線總線、可組網的特點，結合AT89S52單片機，給出一種用于空調檢測系統的高效穩定的溫度采集方案，討論了16片DS18B20數字溫度傳感器硬件連接和程序設計。應用情況表明，該溫度采集方案具有準確率高、穩定性好、安裝方便等特點，有效提高了空調檢測系統的性能。
在空調生產過程中，為確保空調產品的質量，空調制造商在產品出廠前都必須對空調進行加熱帶、制熱、制冷等環節的測試，通過標準機的電壓、功率、輸入管溫、輸出管溫、回氣溫度、排氣溫度等參數判斷空調是否合格，其中溫度參數檢測是整個空調檢測系統的重要部分。
在傳統的空調檢測系統中，溫度采集模塊多以熱電阻、熱電偶為溫度傳感器，溫度模擬信號必須經過專門的調理電路轉換為數字信號后才能被單片機處理，使用一段時間后，系統檢測到的溫度值往往不夠準確，同時由于溫度采集點分布范圍廣，增加了布線難度，也給系統維護帶來不便。
本文采用DS18B20數字溫度傳感器、AT89S52單片機，設計出適合空調檢測現場的溫度采集模塊，實現現場16個采集點溫度數據的同步采集和傳輸。
1 系統構成
空調檢測系統溫度采集模塊的結構框圖如圖1所示。溫度采集模塊包括電源子模塊、16路溫度采集子模塊、看門狗子模塊、報警子模塊、RS485接口子模塊。微控制器采用Atmel公司的AT89S52，溫度采集采用Dallas公司的數字溫度傳感器DS18B20。上位機采用研祥工控機，監控軟件采用Visual Basic 6.0編程。
溫度采集模塊電路板固定在每個工作站的控制柜里，并將現場采集到的各點溫度值實時傳送給上位機，因此，溫度采集模塊并沒有集成LCM子模塊和鍵盤電路。
2 硬件連接
2.1 DS18B20數字溫度傳感器
DS18B20數字溫度傳感器溫度測量范圍為-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃范圍內，精度為±0.5℃，可實現9bit~12bit溫度讀取。DS18B20具有一線總線的特點，可以輕松組建溫度采集網絡，并且體積小、分辨率高、抗干擾能力強，實用性和可靠性比同類產品更高[1]，因此，在軸承測溫[2]、凍土區公路路基溫度測量[3]等場合有著廣泛的應用。
DS18B20溫度寄存器中的溫度值以9bit數據格式表示，而輸出溫度則是以16bit符號擴展的二進制補碼形式提供，其中低8bit用補碼表示，第9bit～16bit為擴展符號位。空調檢測系統所需檢測的溫度值均在0℃以上，這樣，只需讀取緩存9個字節的前兩個字節即可。
2.2 DS18B20硬件連接
DS18B20器件都有一個唯一的64bit ROM地址，通過協議就能識別這些序列號，這樣多個DS18B20可以掛接在同一條單總線上，構成多點溫度采集網絡。由于DS18B20具有“單總線”的技術特點，因此可以采用兩種不同的方式連接單片機。
(1)單端口并聯連接：所有DS18B20均連接在同一條總線上，然后再連接到單片機的某個I/O端口。這種連接方式具有硬件開銷小的優點，理論上一根總線可以掛接256個DS18B20，但若連接的數字傳感器數量較多，單片機需要花較多的時間才能獲得每個傳感器的序列號，會降低系統的實時性，同時使得軟件編程變得復雜。
(2)多端口并行連接：每個DS18B20獨占單片機某個I/O端口。這種并行連接方式使得單片機能夠對所有的數字傳感器進行并行操作，同一時間能實現多個輸入輸出，實現對溫度數據的快速讀取，從而提高系統的實時性，同時也使得軟件編程變得簡單，縮短了項目的開發周期。這種連接方式的缺點是硬件開銷比較大。
根據空調檢測系統的實際需要，系統使用16片DS18B20構成小型溫度數據采集網絡，結合單端口并聯連接和多端口并行連接的連接特點，每個I/O端口連接兩片DS18B20，共使用8個I/O端口，單片機與16片DS18B20連接框圖如圖2所示。DS18B20芯片的DQ端和單片機的I/O端口相連，并接上一個4.3kΩ的上拉電阻，芯片的GND端接地線，VDD端接5V電源線。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8bit微控制器，具有8KB Flash，256B RAM，32bit I/O口線，3個16bit定時器/計數器，其資源性能可以滿足空調檢測系統溫度采集的需要。
單片機需要通過接口電路實現與DS18B20的連接，接口電路圖如圖3所示。J1是接線端子臺， DS18B20通過三芯電纜連接到J1；二極管IN4148實現電壓鉗位；RWDS1和單片機AT89S52的一個I/O端口相連；16片DS18B20通過J1~J8與溫度采集模塊連接。
3 程序設計
3.1 DS18B20溫度采集
DS18B20溫度采集基本流程：單片機發出復位脈沖，當信號線上的DS18B20發出存在脈沖后，即完成DS18B20的初始化工作；單片機檢測到存在脈沖，便發起ROM操作命令；發送內存操作指令，啟動DS18B20溫度轉換；延時2μs等待溫度轉換完成；發出匹配ROM命令后緊接著發送片內ROM序列號；讀取序列號對應的DS18B20暫存器，從而讀出溫度值；讀完一個DS18B20溫度值后，接著轉向下一個DS18B20的操作。這樣的操作循環進行，從而完成對所有DS18B20溫度值的讀取。溫度采集基本流程圖[1]如圖4所示。
DS18B20作為智能集成溫度傳感器，其智能化實現要以高質量代碼作保障。因為讀取每一個DS18B20都需要匹配序列號，復位、讀、寫操作都需要針對不同的I/O口，所以，16片DS18B20經單片機8個I/O口接入，需要定義對應8個I/O口的變量：18b20_0~18b20_7、18b20_0定義語句表示如下：“sbit 18b20_0=P1^0;”；需要定義8個復位(初始化)函數：void re18b20_0()~void re18b20_7()；需要定義8個寫函數：void wr18b20_0(uchar ml)~void wr18b20_7(uchar ml)；需要定義8個讀函數：void rd18b20_0()~void rd18b20_7()。對于單個I/O口(如P1.0)，單片機在發送溫度轉換命令后，發送匹配命令wr18b20_0(0x55)；連續調用8次寫函數發送序列號；發送讀溫度暫存器命令wr18b20_0(0xbe)；調用讀函數rd18b20_0()讀取溫度低8 bit；經溫度轉換函數處理后，將溫度整數部分保存在wd[0]，小數部分保存到wd[1]。讀取另外一片DS18B20，其溫度值的整數和小數部分分別保存到wd[2]、wd[3]。讀取P1.1端口，溫度讀取過程相同。所有傳感器的溫度值都保存到wd數組中，最后由單片機AT89S52按照Modbus協議發送給上位機。
3.2 程序編寫需要注意以下幾點
(1)單片機采用C51編程，代碼功能模塊清晰，可讀性強。從本應用狀況來看，其實時性能得到保證，因此，匯編語言不一定是最好的選擇。
(2)空調檢測系統所采集的溫度均在0℃以上，并且上位機軟件可以實現溫度報警功能，因此，讀函數讀取RAM寄存器只需讀取前兩個字節。
(3)單片機和上位機軟件通信采用Modbus協議的RTU模式，因此，溫度轉換函數實現的功能就是將溫度低字節轉化為十六進制數據，并保存到數組里。
4 應用分析
空調檢測是在一個溫濕度變化復雜、干擾源多的空調檢測房里進行，空調檢測系統包括1#~6#工作站，每個工作站均配有5臺標準室內機。定頻、變頻一拖一、一拖多等機型的室外機由生產線運送到各站臺，電源線、信號線等連接完畢后，即可掃描條碼進行檢測。檢測過程中，上位機軟件能實時檢測溫度、壓力等參數，檢測完畢，系統自動存儲各種數據，如果參數不合格，則發出報警信號。
基于空調檢測環境溫濕度變化復雜的現場狀況，數字溫度傳感器DS18B20需要采用不銹鋼外殼封裝，以達到防水防潮目的。DS18B20溫度采集點主要分布在室內標準機的進風口、出風口和盤管。測量壓縮機排氣管溫度時，不銹鋼封裝的DS18B20需要嵌入固定到金屬夾里面，通過這樣測量方式得到的是排氣管表面溫度，需要利用上位機軟件進行必要的數據處理，才能得到排氣管的實際溫度。
上位機監控軟件采用模塊化設計，軟件分為數據通信、數據采集、數據顯示、數據管理、用戶管理模塊，并將各模塊的實現代碼封裝成模塊和類模塊。需要注意的是：為了方便對DS18B20數字溫度傳感器進行安裝、測試和維護，監控軟件應該有針對連接溫度傳感器的I/O端口，以及I/O端口上的溫度傳感器的測試界面。上位機監控界面溫度顯示區如圖5所示，圖中顯示的是某機型在制冷期間某時刻溫度值，圖中排氣溫度1和排氣溫度2為壓縮機管溫。
采用DS18B20的溫度采集模塊已應用到某大型空調生產廠的空調檢測系統中，溫度采集的準確性和實時性均滿足系統的要求。數字溫度傳感器DS18B20和單片機AT89S52組成的溫度采集模塊，能同時滿足成本和技術的要求，對組建多點溫度采集網絡具有一定的借鑒意義。
參考文獻
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