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(shè)計(jì)了一種基于51系列單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)。數(shù)字溫度計(jì)控制電路的核心是基于51系列中ATMEL公司的8位單片機(jī)AT89C51。測(cè)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(zhuǎn)換電路來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度量由模擬量到數(shù)字量的變換，并可與單片機(jī)直接連接。同時(shí)，系統(tǒng)的顯示部分采用4住LED串行動(dòng)態(tài)顯示，用74LS373的輸出信號(hào)分別作為L(zhǎng)ED的位驅(qū)動(dòng)信號(hào)和段驅(qū)動(dòng)信號(hào)。該數(shù)字溫度表實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度采集、處理、實(shí)時(shí)顯示，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)的溫度控制。
關(guān)鍵詞：溫度傳感器DS18B20；單片機(jī)AT89C51；LED；單線通信

    隨著生產(chǎn)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，精度、靈敏度、穩(wěn)定度等各個(gè)參數(shù)的要求越來(lái)越高，數(shù)字式開(kāi)始問(wèn)世，數(shù)字式溫度傳感器輸出的是數(shù)字信號(hào)，可直接與單片機(jī)連接，具有克服模擬傳感器與微處理器接口時(shí)需要信號(hào)調(diào)理電路和A／D轉(zhuǎn)換器的弊端等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)計(jì)所介紹的數(shù)字溫度計(jì)與傳統(tǒng)的溫度計(jì)相比，具有讀數(shù)方便，測(cè)溫范圍廣，測(cè)溫準(zhǔn)確，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對(duì)測(cè)溫比較準(zhǔn)確的場(chǎng)所，或科研實(shí)驗(yàn)室使用。
    由文獻(xiàn)可知，測(cè)量溫度的方式有很多，常用的溫度計(jì)多為管式溫度計(jì)，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(shù)的基礎(chǔ)上制作了數(shù)字溫度計(jì)，數(shù)碼管直接顯示溫度，讀數(shù)方便快易，而且電路簡(jiǎn)單、安全可靠。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
1．1 溫度測(cè)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
    該溫度測(cè)量系統(tǒng)主要通過(guò)傳感器數(shù)字采集電路對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行溫度測(cè)量及運(yùn)算處理，并將處理的數(shù)據(jù)通過(guò)接口電路傳送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)用戶要求即設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的軟件程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，儲(chǔ)存等，最后通過(guò)顯示電路進(jìn)行顯示。整體設(shè)計(jì)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(shù)就是可以直接輸出數(shù)字信號(hào)。由于溫度傳感器DS18B20是單線通信，所以軟件設(shè)計(jì)部分必須考慮它的時(shí)序問(wèn)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(kāi)始，如圖2所示。一個(gè)復(fù)位脈沖跟著一個(gè)存在脈沖表明DS18B20已經(jīng)準(zhǔn)備好發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。當(dāng)DS18B20處于寫存儲(chǔ)器操作和溫度A／D轉(zhuǎn)換操作時(shí)，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開(kāi)啟時(shí)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(qiáng)上拉，而且總線控制器不用在溫度轉(zhuǎn)換期間總保持高電平。這樣在轉(zhuǎn)換期間可以允許在單線總線上進(jìn)行其他數(shù)據(jù)往來(lái)。
1．2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電路圖
    系統(tǒng)工作時(shí)先由使用者設(shè)定溫度值的上下限值，溫度值輸入后，這時(shí)LED顯示器顯示設(shè)定溫度，以便操作人員核對(duì)設(shè)定溫度，然后溫度檢測(cè)電路將測(cè)點(diǎn)的溫度輸入單片機(jī)，經(jīng)軟件濾波后作為實(shí)測(cè)溫度，此后顯示器將一直顯示實(shí)測(cè)溫度。本系統(tǒng)硬件主要包括單片機(jī)的最小系統(tǒng)、溫度采集電路、鍵盤接口、顯示電路、報(bào)警電路、驅(qū)動(dòng)電路及串口通信等。數(shù)字溫度計(jì)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(jī)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(jī)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(jī)讀取即可；第2部分是溫度的設(shè)置，選擇矩陣式鍵盤，用8個(gè)I／O控制了16個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)。由P00～P03循環(huán)輸出低電平，然后檢測(cè)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(shè)置好了以后，傳感器將溫度值送到單片機(jī)進(jìn)行處理，處理結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后在數(shù)碼管上顯示處理的結(jié)果。數(shù)碼管的顯示除了數(shù)字的顯示外，還有處理結(jié)果的顯示，即在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候要進(jìn)行代碼處理。
    文獻(xiàn)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(shí)際應(yīng)用中的需要，選擇寄生電源供電方式，可在無(wú)本地電源的情況下進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)溫。文獻(xiàn)介紹了傳感器和單片機(jī)的接口技術(shù)，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(jī)中找一個(gè)通信口分配給它即可。綜合以上信息，參考文獻(xiàn)完成了上述電路圖。
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2 軟件設(shè)計(jì)
    進(jìn)行溫度程序的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮如下幾個(gè)問(wèn)題：
    (1)實(shí)時(shí)采集溫度；
    (2)溫度顯示：采用4位LED顯示當(dāng)前溫度；
    (3)按鍵處理；
    (4)越限報(bào)警和處理：將采集到的溫度值與預(yù)先設(shè)置值進(jìn)行比較，若當(dāng)前溫度值越限，則產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。
    軟件設(shè)計(jì)主要有：主程序、鍵盤設(shè)定子程序、LED顯示子程序、溫度讀取子程序等。初值設(shè)定子程序完成對(duì)溫度上下限的設(shè)定及數(shù)據(jù)保存；溫度讀取子程序完成對(duì)溫度傳感器數(shù)據(jù)的讀取，并通過(guò)LED顯示子程序顯示溫度值。

    參考文獻(xiàn)分別對(duì)溫度的采集和處理進(jìn)行了編程，并采取了文獻(xiàn)中按鍵設(shè)計(jì)的一種，在其已有的程序上進(jìn)行相關(guān)處理和改進(jìn)，便得到的整個(gè)設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)部分。主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時(shí)顯示、讀出并處理DS18B20的測(cè)量溫度值，其程序流程圖如圖3所示。

3 結(jié)語(yǔ)
    DS18B20集溫度測(cè)量、A／D轉(zhuǎn)換于一體，具有體積小、動(dòng)態(tài)范圍寬、測(cè)量精度高、單總線結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，控制方便，測(cè)量準(zhǔn)確，測(cè)溫范圍寬，完全可以取代水銀溫度計(jì)和熱敏電阻測(cè)量。利用單總線具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，還可以組建多點(diǎn)的溫度檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)。