基于DS18B20的遠(yuǎn)距離分布式溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹|壹芯微

溫度監(jiān)控是工業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，尤其在環(huán)境惡劣和復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，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(gè)變化的模擬電壓量，不能與計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)直接接口，需要進(jìn)行采集、處理與變換，才能送入基于計(jì)算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)。這就使得對(duì)于多點(diǎn)分布式的溫度測(cè)量帶來了不便。隨著計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)控制等技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)測(cè)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(chǎng)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(chǎng)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(qiáng)大，監(jiān)控的范圍更加的廣泛。同時(shí)提高溫度的測(cè)量的精度也是重要的目標(biāo)之一。

因此本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20和AT89C2051單片機(jī)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，通過RS485總線傳輸。上位計(jì)算機(jī)對(duì)所測(cè)得的每個(gè)誤差補(bǔ)償量，依據(jù)誤差回歸模型的最小二乘法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。做出線性誤差補(bǔ)償模型的數(shù)學(xué)方程對(duì)常溫下測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行了補(bǔ)償處理，在-55e到+125e測(cè)量范圍和測(cè)量精度0.2級(jí)下，實(shí)現(xiàn)傳輸距離達(dá)到500m，并根據(jù)工程實(shí)踐給出提高傳輸距離與測(cè)量精度的關(guān)鍵技術(shù)。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由PC機(jī)和AT89C2051單片機(jī)系統(tǒng)組成，構(gòu)成小型的分散測(cè)控系統(tǒng)。其中，單片機(jī)系統(tǒng)的任務(wù)是完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)溫度值的采集與存儲(chǔ)，并通過RS485總線與PC機(jī)相連。而PC機(jī)的主要任務(wù)是承擔(dān)集中測(cè)控與管理。由于采用的是RS485總線進(jìn)行通信，而PC機(jī)上只有RS232接口，因此需要通過RS232/RS485轉(zhuǎn)接頭進(jìn)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(jī)所構(gòu)成的測(cè)溫點(diǎn)可以添加，其中每一個(gè)單片機(jī)都有自己的唯一的地址，通信時(shí)采取主從通信方法，由上位機(jī)確定與哪個(gè)單片機(jī)進(jìn)行信，圖2為DS18B20與通信接口的硬件設(shè)計(jì)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(jī)主要由監(jiān)控窗口、溫度點(diǎn)查詢(下位機(jī))、溫度報(bào)表生成、幫助與退出系統(tǒng)五個(gè)功能模塊組成，其功能模塊如圖4所示。

圖4上位機(jī)系統(tǒng)軟件模塊

2.采集數(shù)據(jù)處理

在溫度測(cè)量測(cè)試中，以0.1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)為參考，并在常溫常壓環(huán)境中進(jìn)行。采取的測(cè)量環(huán)境分別為室溫、體溫、冰水混合物、熱水與沸水。

通過實(shí)際測(cè)量取得測(cè)量數(shù)據(jù)后，對(duì)所測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析、處理往往是提高測(cè)量精度的重要手段。首先計(jì)算每組測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值。如：

在對(duì)測(cè)量結(jié)果處理中，需要對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)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(gè)問題最常用的準(zhǔn)則是最小二乘原理。對(duì)于等精度、獨(dú)立的測(cè)量來說，其基本原則是各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)與擬合直線的偏差的平方和為最小。假定本組實(shí)驗(yàn)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(duì)A，B的偏導(dǎo)數(shù)，并令其為0，可以得出兩個(gè)方程，對(duì)于兩個(gè)未知數(shù)A，B有唯一解。通過對(duì)這個(gè)方程組進(jìn)行求解得出：

按照式(1)和式(2)對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)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(diǎn)在直線擬合圖中的分布如圖5所示。

圖5測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)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(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量值進(jìn)行線形修正，這樣就可以得到修正表，因?yàn)槠拗疲瑑H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(jì)測(cè)量的平均值為25.94e，兩者的測(cè)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(cè)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(yīng)用于淮安市城建檔案管理信息系統(tǒng)和中國(guó)人民解放軍15分部的彈藥庫溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)中，取得了非常好的精度與控制效果。

3.多點(diǎn)遠(yuǎn)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(cè)溫系統(tǒng)，雖然系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)該注意以下問題：

(1)較小的硬件開銷需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償。由于DS18B20與單片機(jī)間采用串行數(shù)據(jù)傳輸，因此，在對(duì)于DS18B20進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫時(shí)序，否則將無法讀取測(cè)試結(jié)果。在使用PL/M、C等高級(jí)語言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)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(shí)際應(yīng)用中，但總線上所掛的DS18B20超過8個(gè)時(shí)，就需要增加單片機(jī)總線驅(qū)動(dòng)器。

(3)連接DS18B20的總線電纜有長(zhǎng)度限制。當(dāng)采用普通信號(hào)電纜傳輸長(zhǎng)度超過50m時(shí)，讀取的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)將總線電纜改為屏蔽雙絞線電時(shí)，通信距離可達(dá)到500m。因此，在用DS18B20進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要選擇多股屏蔽雙絞線電纜，實(shí)驗(yàn)證明，在大于500m小于100m距離時(shí)，可以保證測(cè)量精度在0.2級(jí)。

(4)當(dāng)距離超過500m時(shí)，要充分考慮傳輸速率可抗干擾措施。實(shí)際工程使用中，在遠(yuǎn)端需要并接120歐電阻(干擾較強(qiáng)時(shí)，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(hào)的傳輸速率是一種非常有效的措施。實(shí)踐中，采用9600波特率可以使傳輸距離達(dá)到1000m。

結(jié)論

詳細(xì)論述了由DS18B20構(gòu)成的RS485總線多點(diǎn)分布式溫度測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)嚴(yán)格按照計(jì)量產(chǎn)品的標(biāo)定規(guī)范進(jìn)行，對(duì)多點(diǎn)遠(yuǎn)距離測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理，以及對(duì)誤差進(jìn)行了修正，使用精度達(dá)到了0.2級(jí)。通過實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多點(diǎn)溫度的網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)。

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