引言

在工业、农业和医疗领域，温控系统有着巨大的市场前景和价值，在这些领域中，传统的人工监控已不能满足日益增长的技术需求，因此电子监控类设备将极其走俏。现有的方法是在一根I/O线上连接多个DS18B20的数据采集方法，而在DS18B20接入系统之前，需要人工将DS18B20的64位ROM序列号逐一读出，并进行存储。这种方法在确定DS18B20的物理位置上有很大困难，特别是当更换出现故障的DS18B20时，这个矛盾变得尤为突出。

因此，本文研究了一种方法，解决了单片机与DS18B20结合的测温系统数字传感器的更换问题，系统结合了软件编程与硬件设计。在提出的解决方案中，数据采集模块采用低功耗AVR单片机-Atmega16、单总线数字温度传感器DS18B20以及外部存储器-低能耗串行EEP-ROM。系统根据DS18B20数量的多少，可以选择基于MAX485的有线组网，也可以选择基于nRF905或ZigBee的分布式无线组网。

1 DS18B20简介

1.1 概述

DS18B20是一款高性能单线数字式温度传感器，由美国DALLAS（达拉斯）公司生产。该传感器提供9到12位温度读数；可实现-55℃到+125℃范围内的温度测量，增量值为0.5℃。现场测量的温度值通过单总线接口传给微处理器，多个DS18B20可以存在于同一条单线总线上。因此，在实际应用中，可以在不同的地方放置DS18B20，并将这些传感器接在同一条单线总线上，只由一个单片机进行控制。那么，如何对DS18B20数字传感器供电呢？这里我们给出两种方式：一是寄生电源供电；二是外部电源供电。

1.2 引脚说明

DS18B20只有三个引脚：一个是GDN（电源地）；一个是VDD（当采用寄生电源供电时，VDD接地；若采用外部电源供电时，VDD接工作电源）；另一个是DQ（数据输入/输出引脚）。

1.3 硬件电路

1.3.1 寄生电源供电电路

1.3.2 外部电源供电电路

采用寄生电源供电时，VDD引脚必须接地，由I/O引脚为DS18B20提供电源电流。采用外部电源供电时，VDD接外部电源，为DS18B20提供电源电流。寄生电源有双重优点：

a.远程温度检测无需本地电源；

b.缺少正常电源条件下也可以读ROM。

但是这种供电方式就不能确保数据转换时仍有效供电，从而DS18B20无法进行精确地温度转换。当多个DS18B20挂在同一根I/O线上并同时进行温度转换时，这个问题变得更加明显。因此本文决定采用外部电源供电方式，以达到提高温度转换精确度的目的。

1.4 内部结构

DS18B20内部主要包括：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。如图3所示：

1.4.1 64位光刻ROM

用于存储64位序列号。该序列号作为DS18B20的唯一编号，在出厂前就被光刻在64位ROM中。DS18B20在与单片机通信时，就用此序列号区别于其它传感器。64位序列号可以看作是DS18B20的地址序列码。

64位光刻ROM的位排列是：低8位是产品类型标号；接着的48位是该DS18B20的自身序列号；最后高8位是低56位的循环冗余校验码，该8位又被单独提出，称为CRC发生器，主要是实现串行通信中的数据校验，判断接收的数据是否正确。64为序列号的作用，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。

1.4.2 非易失性温度报警触发器

DS18B20的温度报警触发器TH和TL各由一个非易失性EEPROM字节构成，如果没有对DS18B20使用报警搜索指令，可以作为一般的EEPROM存储器使用。利用每个DS18B20唯一的序列号可读取同一根I/O线上的多个DS18B20的温度数据，利用I/O端口号和已经写入层数信息的DS18B20的温度报警触发器（TH和TL），可将每个DS18B20的温度数据和其物理位置对应起来。因此在DS18B20安装之前，就需将DS18B20所在层的信息写入到温度报警触发器（TH和TL）中。

2 AVR单片机与DS18B20的结合

在本文中DS18B20采用寄生电源供电，单片机选用AVR单片机。之所以选择AVR单片机，是因为其具有51单片机无法提供的优点：

a.读写速度快，AVR单片机采用了大型快速存取寄存器文件和快速单周期指令。

b.性价比高。

c.工作电压范围宽（2.7～6V）、抗干扰能力强。

总之，AVR单片机在一个芯片内将增强性能的RISC 8位CPU与可下载的FLA-SH相结合使其成为适合于许多要求、具有高度灵活性和低成本的嵌入式高效微控制器。

图4是DS18B20采用外部电源供电方式时，与Atmega16单片机的硬件连接图。

3 解决方案

本文深入研究数字传感器的工作原理，通过设计硬件和软件，提出了更换数字传感器的方案，并已在网络远程控制传感器的设计中应用，在硬件平台上实现了仿真。图5是通过Proteus 7单片机软件仿真系统设计的，单片机控制DS18-B20并显示测试结果的电路图。

3.1 硬件设计

单片机通过I/O口控制DS18B20，每个I/O口外接60个DS18B20，同时单片机通过SPI串行接口外接外部存储器EEPROM，如图6所示。

M95128芯片采用MLP8微型封装技术，因此，可以大大节省产品的空间和成本；待机功耗低于3μA，也是该芯片的一大特点；四线的SPI接口支持最高 2 Mbit/s的通信速率，除提供标准的硬件写保护功能外，还支持软件写保护。外部存储器EEPROM用来存放单片机控制的所有DS1-8B20的序列号，和对应的逻辑地址。一个DS18B20的序列号占八个字节，所以一路数据线上所接DS18B20温度传感器的个数与外部存储器EEPR-OM的存储空间有关。M95128芯片的容量达128kbit，可以存储13107个DS18B20的序列号和对应的逻辑地址，足以满足本文的需要。

单片机Atmega16的PB5（MOSI）口接EEPROM的DI（数据输入）口，PB6（MISO）口接DO（数据输出）口，PB7（SCK） 口接SK（读写时钟信号输入引脚）。单片机读到每个DS18B20的序列号后，通过PB5口将序列号和对应的逻辑地址写入EEPROM中。需要某个逻辑地址对应的序列号时，EEPROM通过DO口将序列号传入单片机中。

3.2 软件设计

本文设计使单片机每次上电时，都重新读取每根数据线上的每个DS18B20的序列号和温度报警器中的内容，I/O端口号+温度报警触发器中的层信息即为该DS18B20的逻辑地址。单片机将读取到的各DS18B20的序列号与其对应的逻辑地址，通过MOSI引脚保存在外部存储器EEP-ROM中。在控制模块的固化程序中，只涉及传感器的逻辑地址。当需要访问某个传感器时，单片机会根据固化程序中的逻辑地址在EEPROM中查找该逻辑地址对应的 DS18B20序列号，从而找到需要访问的传感器。在更换了某个DS18B20时，只需给单片机重新上电，微控制会更新EEPRO-M，而不需修改控制模块中的固化程序。

本文中，使用ICCAVR编译器作为软件开发环境，编译C语言程序代码。向EEPROM中保存序列号的程序流程图如图7所示。

根据控制模块中涉及的逻辑地址，单片机在EEPROM中查找对应的DS18B20的序列号的程序流程如图8所示。

4 结语

本文上述的解决方案，通过外接存储器，保存DS18B20的序列号和相应的逻辑地址，很好地解决了数字传感器的更换问题。这一方案，极大地提高了设计人员和工作人员的工作效率。与此同时，因为在通信链路中传输的是逻辑地址，减少了冗余信息，提高了有效信息的传输率。因此，本文设计的温度采集系统，优点很多，不仅运行速率快、性能稳定、数字化程度高，而且维护方便。此系统在各类数字通信、环境监测、安防系统等多个领域具有广泛的应用价值。