數(shù)字溫度計的設計

摘要：根據(jù)目前溫度傳感器的數(shù)字化和溫度表的發(fā)展現(xiàn)狀，研究和設計了一種基于51系列單片機的數(shù)字溫度計。數(shù)字溫度計控制電路的核心是基于51系列中ATMEL公司的8位單片機AT89C51。測溫傳感器采用了新型單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，不需要專用A／D轉換電路來實現(xiàn)溫度量由模擬量到數(shù)字量的變換，并可與單片機直接連接。同時，系統(tǒng)的顯示部分采用4住LED串行動態(tài)顯示，用74LS373的輸出信號分別作為LED的位驅動信號和段驅動信號。該數(shù)字溫度表實現(xiàn)了對溫度采集、處理、實時顯示，并可實現(xiàn)對測溫系統(tǒng)的溫度控制。
關鍵詞：溫度傳感器DS18B20；單片機AT89C51；LED；單線通信

    隨著生產(chǎn)的發(fā)展和技術的進步，精度、靈敏度、穩(wěn)定度等各個參數(shù)的要求越來越高，數(shù)字式開始問世，數(shù)字式溫度傳感器輸出的是數(shù)字信號，可直接與單片機連接，具有克服模擬傳感器與微處理器接口時需要信號調理電路和A／D轉換器的弊端等優(yōu)點。該設計所介紹的數(shù)字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比，具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫準確，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對測溫比較準確的場所，或科研實驗室使用。
    由文獻可知，測量溫度的方式有很多，常用的溫度計多為管式溫度計，不僅讀數(shù)很不方便，還容易損壞。為此在DS18B20數(shù)字溫度傳感器技術的基礎上制作了數(shù)字溫度計，數(shù)碼管直接顯示溫度，讀數(shù)方便快易，而且電路簡單、安全可靠。

1 系統(tǒng)方案設計
1．1 溫度測量系統(tǒng)的總體設計
    該溫度測量系統(tǒng)主要通過傳感器數(shù)字采集電路對周邊環(huán)境進行溫度測量及運算處理，并將處理的數(shù)據(jù)通過接口電路傳送給單片機，單片機根據(jù)用戶要求即設計人員設計開發(fā)的軟件程序對數(shù)據(jù)進行運算，儲存等，最后通過顯示電路進行顯示。整體設計框圖如圖1所示。

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    該系統(tǒng)的核心是集成溫度傳感器DS18B20，其核心技術就是可以直接輸出數(shù)字信號。由于溫度傳感器DS18B20是單線通信，所以軟件設計部分必須考慮它的時序問題，以便更好地讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)。

    在DS18B20間的任何通信都需要以初始化序列開始，如圖2所示。一個復位脈沖跟著一個存在脈沖表明DS18B20已經(jīng)準備好發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。當DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A／D轉換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10μs。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。外電源供電的好處是I／O線上不需要加強上拉，而且總線控制器不用在溫度轉換期間總保持高電平。這樣在轉換期間可以允許在單線總線上進行其他數(shù)據(jù)往來。
1．2 系統(tǒng)設計的電路圖
    系統(tǒng)工作時先由使用者設定溫度值的上下限值，溫度值輸入后，這時LED顯示器顯示設定溫度，以便操作人員核對設定溫度，然后溫度檢測電路將測點的溫度輸入單片機，經(jīng)軟件濾波后作為實測溫度，此后顯示器將一直顯示實測溫度。本系統(tǒng)硬件主要包括單片機的最小系統(tǒng)、溫度采集電路、鍵盤接口、顯示電路、報警電路、驅動電路及串口通信等。數(shù)字溫度計的電路圖分為3部分：第1部分是溫度傳感器DS18 B20與單片機之間的連接，該部分只有3根線，一根接地，一根接電源，還有一根接到單片機的P3．7只讀端，該溫度傳感器是一塊集成的芯片，所以溫度處理以后直接由單片機讀取即可；第2部分是溫度的設置，選擇矩陣式鍵盤，用8個I／O控制了16個按鈕開關。由P00～P03循環(huán)輸出低電平，然后檢測P04～P07的狀態(tài)，且都加上上拉電阻；第3部分就是電路的顯示部分，溫度上下限設置好了以后，傳感器將溫度值送到單片機進行處理，處理結果與設定值進行比較，然后在數(shù)碼管上顯示處理的結果。數(shù)碼管的顯示除了數(shù)字的顯示外，還有處理結果的顯示，即在進行軟件設計的時候要進行代碼處理。
    文獻介紹了DS18B20可以采用2種方式供電，一種是采用寄生電源供電方式；另一種是外接電源供電方式。根據(jù)實際應用中的需要，選擇寄生電源供電方式，可在無本地電源的情況下進行遠距離測溫。文獻介紹了傳感器和單片機的接口技術，基于本文采用的溫度傳感器的單線通信，所以只需要在單片機中找一個通信口分配給它即可。綜合以上信息，參考文獻完成了上述電路圖。
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2 軟件設計
    進行溫度程序的設計應考慮如下幾個問題：
    (1)實時采集溫度；
    (2)溫度顯示：采用4位LED顯示當前溫度；
    (3)按鍵處理；
    (4)越限報警和處理：將采集到的溫度值與預先設置值進行比較，若當前溫度值越限，則產(chǎn)生報警信號。
    軟件設計主要有：主程序、鍵盤設定子程序、LED顯示子程序、溫度讀取子程序等。初值設定子程序完成對溫度上下限的設定及數(shù)據(jù)保存；溫度讀取子程序完成對溫度傳感器數(shù)據(jù)的讀取，并通過LED顯示子程序顯示溫度值。

    參考文獻分別對溫度的采集和處理進行了編程，并采取了文獻中按鍵設計的一種，在其已有的程序上進行相關處理和改進，便得到的整個設計的軟件設計部分。主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示、讀出并處理DS18B20的測量溫度值，其程序流程圖如圖3所示。

3 結語
    DS18B20集溫度測量、A／D轉換于一體，具有體積小、動態(tài)范圍寬、測量精度高、單總線結構等特點。設計簡單，控制方便，測量準確，測溫范圍寬，完全可以取代水銀溫度計和熱敏電阻測量。利用單總線具有很強的擴展性，還可以組建多點的溫度檢測網(wǎng)絡。