種基于DS18B20的溫度采集系統設計

近年來(lái)，隨著(zhù)自動(dòng)測試技術(shù)、計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，在溫度測量領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)出一種新型的將數字電路和溫度傳感器集成在一起的數字式溫度傳感器。在數字式溫度傳感器的內部一般包含有溫度傳感器、接口電路、存儲器(或寄存器)、信號處理器和A/D轉換器。與傳統的模擬溫度傳感器相比，數字式溫度傳感器在器件微小化、抗干擾能力、可靠性、分辨率以及精度方面都具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，此外，其輸出的溫度數據以及相關(guān)的溫度控制量能夠與各種微處理器相適配。

1 硬件設計

1.1 溫度傳感器

該系統的溫度采樣元件采用DALLAS半導體公司生產(chǎn)的一線(xiàn)式數字溫度傳感器DS18B20，微處理器僅需要1條端口線(xiàn)即可實(shí)現與DS18B20的雙向通信。DS18B20采用僅有3只引腳的小體積封裝形式T0～92，包括共用地線(xiàn)、外供電源線(xiàn)和單線(xiàn)數據傳輸總線(xiàn)端口。DS18B20可提供兩種不同的供電方式：一種是外部供電方式，外供電源線(xiàn)接+5 V，此種供電方式設計簡(jiǎn)單，在較短的時(shí)間內就能完成溫度測量;另一種為數據線(xiàn)供電方式，要求外供電源線(xiàn)接地，數據線(xiàn)需用單片機的一個(gè)I/O口來(lái)實(shí)現上拉，空閑時(shí)通過(guò)內部電容從數據線(xiàn)獲取能量，此種供電方式設計較復雜，完成溫度轉換的時(shí)間也相對較長(cháng)。選擇一線(xiàn)式數字溫度傳感器DS18B20的主要原因有以下幾個(gè)方面：

1)系統的特性方面，溫度測量范圍在-55～+125℃之間，且在-10～+85 ℃溫度范圍內可滿(mǎn)足±0.5℃的最低精度，溫度A/D轉換精度可編程為9～12位，溫度轉換值能夠以16位二進(jìn)制碼的格式直接串行輸出，完成12位高精度轉換的最大時(shí)間需要750 ms，通過(guò)選擇數據線(xiàn)供電方式，可以超低功耗工作。

2)系統復雜程度方面，因為DS18B20是采用單總線(xiàn)控制技術(shù)的器件，接口時(shí)僅需占用微處理器的其中一個(gè)I/O口，并且一條數據總線(xiàn)上可以同時(shí)連接幾十個(gè)相同器件，測溫時(shí)不需要其他任何外部元件，所以與傳統的模擬傳感器相比，接線(xiàn)的數量大大減少，系統的復雜程度大大降低，工程施工量也相應減少。

3)系統的調試和維護方面，系統接口由于引線(xiàn)的減少而大大簡(jiǎn)化，系統調試更加便利，同時(shí)由于DS18B20屬于全數字元器件，其故障率非常低且抗干擾性很強，因此系統的日常維護工作輕松許多。

4)系統成本方面，隨著(zhù)微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，集成電路的功能不僅越來(lái)越強大，其體積也變得越來(lái)越小，且價(jià)格也越來(lái)越便宜。

1.2 電路原理

本系統采用AT89C51單片機作為控制核心，AT89C51是一種帶有4 K字節FLASH閃速存儲器的低電壓、高性能8位CMOS微處理器，帶有128字節的內部RAM、2個(gè)16位定時(shí)/計數器、32個(gè)I/O口、1個(gè)5向量?jì)杉壷袛嘟Y構、片內振蕩器及時(shí)鐘電路。此外，AT89C51能夠降至0 Hz的靜態(tài)邏輯操作，可以支持軟件可選的兩種節電工作模式。處于空閑工作模式時(shí)，CPU停止工作，但允許RAM、定時(shí)/計數器和中斷系統繼續工作。

電路原理圖如圖1所示，DS18B20的供電方式采用外部電源，數據線(xiàn)通過(guò)一個(gè)4.7 kΩ的上拉電阻接在單片機AT89C51的P1.7口，其他2只管腳分別對應接電源和地，此方式安全可靠且編程簡(jiǎn)單。

溫度顯示采用四位七段共陽(yáng)LED數碼管，間隔2 ms通過(guò)位選通信號P20、P21、P22、P23逐個(gè)點(diǎn)亮各個(gè)LED數碼管，實(shí)現溫度值的動(dòng)態(tài)顯示，可顯示-55～+125℃溫度測量范圍。

2 軟件開(kāi)發(fā)流程

2. 1 主程序

主程序主要負責通過(guò)DS18B20讀取到的當前溫度測量值和溫度的實(shí)時(shí)顯示，由于DS18B20的12位精度的轉換時(shí)間約為750 ms，可以每隔1 s進(jìn)行一次溫度測量，其程序流程圖如圖2所示。

2. 2 讀溫度子程序

讀溫度子程序的功能主要是從RAM中讀取9字節數據，同事還需進(jìn)行CRC校驗，當校驗出錯時(shí)不再進(jìn)行溫度數據的讀寫(xiě)，其子程序流程圖如圖3所示。

2.3 溫度轉換命令子程序

溫度轉換命令子程序的主要功能為發(fā)送溫度轉換開(kāi)始命令，當設置為12位采樣分辨率時(shí)完成轉換時(shí)間約為750ms，故本程序設計中使用顯示程序延時(shí)法來(lái)等待轉換完成，延時(shí)時(shí)間設為1 s，其子程序流程圖如圖4所示。

2.4 計算溫度子程序

計算溫度子程序的功能是從RAM中讀取值數據并進(jìn)行BCD碼轉換運算，還需要判定溫度值的正負，其子程序流程圖如圖5所示。

2.5 顯示數據刷新子程序

顯示數據刷新子程序的功能是刷新顯示緩沖器中的顯示數據，當顯示最高位為0時(shí)需將符號顯示位移到下一位，其子程序流程圖如圖6所示。

3 結論

此設計基于DS18B20的溫度采集系統具有測溫精度高、占用口線(xiàn)少、結構簡(jiǎn)單、連接方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是硬件電路的簡(jiǎn)潔是以犧牲軟件為代價(jià)的。由于DS18B20與單片

機AT89C51之間采用串行數據傳送，所以，在對DS18B20進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，必須保證嚴格的讀寫(xiě)時(shí)序，否則將無(wú)法正確讀取測溫結果。