DS18B20数字温度计的设计及在轧机轴承温度测控中应用
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摘要:针对狭窄空间的轧钢机轴承的温度测量,设计一种基于温度传感器DS18B20的数字温度计,阐明了使用温度传感器DS18B20的必然性,简要介绍并给出了硬件电路和软件设计构思,通过现场实测,突破了传统温度传感器的应用,达到了预期效果。
关键词:单总线数字温度传感器,单片机,测温,控温
温度是许多监控系统中的一个重要参数。对于轧钢机轴承温度的测量与控制是非常重要的。传统的温度计测量精度低,对于正在运转的轧钢机更没有办法测量。针对大型钢铁厂急需解决轧钢机轴承温度实时有效监测的瓶颈问题,轴承测温装置就应运而生了。温度传感器是选择的关键,有的采用热电偶、铂热电阻PT100,其输出与温度一般为非线性关系,需要做线性化处理。集成温度传感器AD590解决了传统温度传感器非线性的问题,但其输出的信号为模拟量,不能与单片机直接接口。这些传感器不能用于数字化温度测控,特别是用于狭窄空间的轧钢机轴承的温度数字化测量,更是无能为力。基于温度传感器DS18B20的单总线数字温度计能满足要求。
新型数字化接口温度传感器DS18B20,是美国达拉斯公司生产的一种9位串行单总线多点温度传感器,从根本上克服了模拟传感器与单片机接口时需要A/D转换器和复杂的外围电路的弊端,由它和单片机组成的数字温度计,系统简单,仅占用单片机一个双向I/O线,可靠性高,抗干扰性强。
1 数字温度计的硬件设计
1.1 设计框图
基于数字化接口的温度传感器DS18B20的数字温度计硬件框图,如图1所示。
1.2 AT89C2051单片机
AT89C2051单片机是ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机,双列直插封装为20引脚,比8051单片机更加节省空间。片内含2K bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128 bytes的随机数字存储器(RAM)。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术,兼容标准MCS-51指令系统,片内是用8位中央处理器和FLASH存储单元,功能强大的AT89C2051单片机更多应用到高性价比的场合。AT89C2051单片机有20个引脚,电源引脚2根,外接晶体振荡器引脚2根,复位引脚1根以及P1、P3口可编程I/O引脚15根。AT89C2051单片机的引脚图如图2所示。
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引脚功能简介:
(1)主电源引脚(2根)
VCC(Pin20):电源输入,接+5 V电源
GND(Pin10):接地线
(2)2外接晶振引脚(2根)
XTAL1(Pin5):片内振荡电路的输入端
XTAL2(Pin4):片内振荡电路的输出端
(3)3控制引脚(1根)
RST/VPP(Pin1):复位引脚,引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位
(4)可编程输入/输出引脚(15根)
P1口:8位准双向I/O口线,P1.0~P1.7,共8根
P3口:8位准双向I/O口线,P3.0~P3.5、P3.7,共7根
1.3 温度传感器DS18B20
温度传感器在本设计中是关键器件。采用达拉斯公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20,它支持单总线接口,与AT89C2051连接时仅需一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通信。测温范围为-55℃~+125℃,在-10℃~85℃范围内,测温误差为±0.5℃。最大特点
是支持多点组网功能。多个DS18B20并联在一条供电和数据传输线上,可实现多点测温。工作电源为+5 V,封装类似于小型三极管,特别适用于各种狭窄空间设备数字测温和控制领域。
温度传感器DS18B20主要由4部分组成:64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警除法器TH和TL、配置寄存器。ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看做是DS18B20的地址序列码,每个DS18B20的64位序列号均不相同。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。它的内部结构如图3所示。
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DS18B20管脚排列如图4所示。GND为电源地,DQ为数字信号输入/输出端,VDD为外接供电电源输入端。
1.4 键盘控制
键盘由独立按键组成,控制AT89C2051复位以及控制温度实时显示等功能。采用低功耗设计,即温度显示一段时间后关闭数码管显示,直到按键按下后继续显示或设置显示时间,当在关闭显示的同时,发光二极管表示系统正运行在低功耗状态。
1.5 数字温度计的硬件电路
数字温度计的硬件电路主要由DS18B20、AT89C2051、4位数码管LED等组成,如图5所示。
硬件电路的核心控制单元,采用AT89C2051作为主控芯片,正常工作时需提供5 V的直流稳压电源。选择12 MHz晶振和30pf的电容,为AT89C2051正常工作产生必要的时钟脉冲信号。同时,使用22微法的电解电容及1 kΩ电阻组成自动上电复位电路,当系统接通电源后,单片机自动进行复位。
单总线数字温度传感器DS18B20的DQ引脚输出的方波信号连接到AT89C2051的P3.4口线,实现被测温度信号输入,在软件中统计频率数值,4位数码管用于显示测量温度值,输出段码由AT89C2051的P1口输出,P3.0,P3.1,P3.2,P3.3是DS1,DS2,DS3,DS的选通信号,P3.7连接蜂鸣器和绿色发光二极管,当测量的温度超过“预设报警温度65℃”时,发出声光报警。
DS18B20传感器的外保护套,用直径10 mm,长20 mm的紫铜,做成一端封闭的圆筒形,DS18B20顶端与内封闭面良好的接触,灌入环氧树脂,另一端安装三孔插座,以便三针测温电缆配合使用。将DS18B20放置在轧机轴承座内,可实现测温与控温目的。
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2 数字温度计的软件设计
采用AT89C2051作为主控芯片,把经过数字温度传感器DS18B20现场实时采集的温度数据,存入单片机内数据存储器,送数码管显示,并检阅是否有按键按下,来由单片机控制是否显示,进行温度检测和显示为设计应考虑下列问题:
温度实时采集,精确显示温度,采用4位数码显示管LED显示当前温度,精确到0.01℃,定时器启动,设计显示持续时间,按键处理,判断按键然后显示温度。软件设计主要有:主程序、系统初始程序、温度采集子程序、显示子程序、键盘查询子程序、按键处理子程序、具体流程图如图6所示。
3 数字温度计在轧机轴承测温中的应用
将封装好的DS18B20温度传感器嵌在轧机中,轴承座内开有盲孔,孔中固紧测温传感器,能实时监测轧机在运行过程中轧辊的轴承温度状况,可以有效地预防一些突发性情况造成轧辊过热而严重烧毁,当监测到的温度高于极限设定值时,及时报警,避免故障扩大,并采取有效措施,是确保轧机安全稳定运行的有效手段。
4 结束语
该数字温度计研制成功后,经现场测试表明,可准确地检测到轴承运转过程中的温度及其变化,监测轴承运行状态,超温报警,避免了重大事故的发生,该数字温度计具有实用价值,值得推广。