基于AT89C51單片機(jī)的溫度傳感器

1、基于基于 AT89C51AT89C51 單片機(jī)的單片機(jī)的溫度傳感器溫度傳感器目 錄摘 要.IABSTRACT.II第一章 緒論.11.1 課題背景 .11.2 本課題研究意義 .21.3 本課題的任務(wù) .21.4 系統(tǒng)整體目標(biāo) .3第二章 方案論證比較與選擇.42.1 引言 .42.2 方案設(shè)計(jì) .42.2.1 設(shè)計(jì)方案一.4 2.2.2 設(shè)計(jì)方案二.42.2.3 設(shè)計(jì)方案三.42.32.3 方案的比較與選擇 .52.2.4 方案的闡述與論證 .5第三章硬件設(shè)計(jì).73.1 溫度傳感器 .73.1.1 溫度傳感器選用細(xì)則.73.1.2 溫度傳感器 DS18B20 .83.2.單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì).15

2、3.3 顯示電路設(shè)計(jì) .183.4 鍵盤電路設(shè)計(jì) .203.5 報警電路設(shè)計(jì) .213.6 通信模塊設(shè)計(jì) .223.6.1 RS-232 接口簡介 .223.6.2 MAX232 芯片簡介 .233.6.3 PC 機(jī)與單片機(jī)的串行通信接口電路 .24第四章軟件設(shè)計(jì).264.1 軟件開發(fā)工具的選擇 .264.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的一般原則 .274.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的一般步驟 .274.4 軟件實(shí)現(xiàn) .284.4.1 系統(tǒng)主程序流程圖 .284.4.2 傳感器程序設(shè)計(jì).284.4.3 顯示程序設(shè)計(jì).344.4.4 鍵盤程序設(shè)計(jì).364.4.5 報警程序設(shè)計(jì).384.4.6 通信模塊程序設(shè)計(jì).39第五

3、章 調(diào)試與小結(jié).41致謝.42參考文獻(xiàn).43附錄.44系統(tǒng)電路圖.44系統(tǒng)程序.45基于基于 AT89C51AT89C51 單片機(jī)的單片機(jī)的溫度傳感器溫度傳感器摘摘 要要隨著社會的進(jìn)步和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，人們越來越重視溫度因素，許多產(chǎn)品對溫度范圍要求嚴(yán)格，而目前市場上普遍存在的溫度檢測儀器大都是單點(diǎn)測量，同時有溫度信息傳遞不及時、精度不夠的缺點(diǎn)，不利于工業(yè)控制者根據(jù)溫度變化及時做出決定。在這樣的形式下，開發(fā)一種能夠同時測量多點(diǎn)，并且實(shí)時性高、精度高，能夠綜合處理多點(diǎn)溫度信息的測量系統(tǒng)就很有必要。本課題以 AT89C51 單片機(jī)系統(tǒng)為核心，能對多點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時巡檢。DS18B20 是一種可組網(wǎng)的

4、高精度數(shù)字式溫度傳感器，由于其具有單總線的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可以使用戶輕松地組建起傳感器網(wǎng)絡(luò)，并可使多點(diǎn)溫度測量電路變得簡單、可靠。本文結(jié)合實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，介紹了 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器在單片機(jī)下的硬件連接及軟件編程，并給出了軟件流程圖。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：溫度測量；單總線；數(shù)字溫度傳感器；單片機(jī) AbstractAs the industry and the society developing, the temperature becomes more and more important and a lot of products are sensitive to temperature. Ho

5、wever, temperature measuring apparatus in the market now only can check and measure the temperature of one point, at the same time, the temperature information is not real time and the precision is low. It takes a great of troubles for the industry-controllers to make decision .In this situation, de

6、sign and implement one applicable system which can watch measure and control the temperature and the measuring results is real time and the precision is great is more essential. In order to meeting this application, this paper talk about The Multiple-Points temperature Measuring System.This system b

7、ased on single chip computer, can inspect and control multiple temperatures in real time. As a kind of high-accuracy digital net temperature sensor，DS18 B20 can be used building a sensor net easily. It can also make the net simple and reliable with its special 1-wire interface .This paper introduces

8、 the application of DS18B20 with single chip processor.Key words： temperature measure；single bus；digital thermometer；single chip processor；第一章 緒論1.1 課題背景 在人類的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。無論你生活在哪里，從事什么工作，無時無刻不在與溫度打著交道。自 18 世紀(jì)工業(yè)革命以來，工業(yè)發(fā)展對是否能掌握溫度有著絕對的聯(lián)系。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等等行業(yè)，可以說幾乎%80 的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的因素。 溫度對于工業(yè)如此

9、重要，由此推進(jìn)了溫度傳感器的發(fā)展。傳感器主要大體經(jīng)過了三個發(fā)展階段：模擬集成溫度傳感器。該傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝制成，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。此種傳感器具有功能單一(僅測量溫度)、測溫誤差小、價格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等，適合遠(yuǎn)距離測溫、控溫，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)，外圍電路簡單。它是目前在國內(nèi)外應(yīng)用最為普遍的一種集成傳感器，典型產(chǎn)品有 AD590、AD592、TMP17、LM135 等；模擬集成溫度控制器。模擬集成溫度控制器主要包括溫控開關(guān)、可編程溫度控制器，典型產(chǎn)品有 LM56、AD22105 和MAX6509。某些增強(qiáng)型集成溫度控制器(例如 TC65

10、2/653)中還包含了 A/D 轉(zhuǎn)換器以及固化好的程序，這與智能溫度傳感器有某些相似之處。但它自成系統(tǒng)，工作時并不受微處理器的控制，這是二者的主要區(qū)別；智能溫度傳感器。能溫度傳感器(亦稱數(shù)字溫度傳感器)是在 20 世紀(jì) 90 年代中期問世的。它是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動測試技術(shù)(ATE)的結(jié)晶。智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器(CPU)、隨機(jī)存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。智能溫度傳感器的特點(diǎn)是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器(MCU)；并且它是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟

11、件來實(shí)現(xiàn)測試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。溫度傳感器的發(fā)展趨勢。進(jìn)入 21 世紀(jì)后，溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。 傳感器在溫度測控系統(tǒng)中的應(yīng)用。目前市場主要存在單點(diǎn)和多點(diǎn)兩種溫度測量儀表。對于單點(diǎn)溫測儀表，主要采用傳統(tǒng)的模擬集成溫度傳感器，其中又以熱電阻、熱電偶等傳感器的測量精度高，測量范圍大，而得到了普遍的應(yīng)用。此種產(chǎn)品測溫范圍大都在-200800之間，分辨率 12 位，最小分辨溫度在 0.0010.01 之間。自帶 LED 顯示模塊，顯示 4 位到 16 位不等。有的儀表還具

12、有存儲功能，可存儲幾百到幾千組數(shù)據(jù)。該類儀表可很好的滿足單個用戶單點(diǎn)測量的需要。多點(diǎn)溫度測量儀表，相對與單點(diǎn)的測量精度有一定的差距，雖然實(shí)現(xiàn)了多路溫度的測控，但價格昂貴。 針對目前市場的現(xiàn)狀，本課題提出了一種可滿足要求、可擴(kuò)展的并且性價比高的單片機(jī)多路測溫系統(tǒng)。1.2 本課題研究意義隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，溫度控制在工業(yè)控制、電子測溫計(jì)、醫(yī)療儀器、家用電器等各種溫度控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，且由過去的單點(diǎn)測量向多測量發(fā)展。目前溫度傳感器有模擬和數(shù)字兩類傳感器，為了克服模擬傳感器與微處理器接口時需要信號調(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換器的弊端，大多數(shù)多點(diǎn)測溫控制系統(tǒng)采用數(shù)字傳感器，并大大方便了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。比較

13、有代表性的數(shù)字溫度傳感器有DS18B20、MAX6575、DS1722、MAX6635、SMT160-30等。在傳統(tǒng)的溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，往往采用模擬技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣就不可避免地遇到諸如引線誤差補(bǔ)償、多點(diǎn)測量中的切換誤差和信號調(diào)理電路的誤差等問題；而其中某一環(huán)節(jié)處理不當(dāng)，就可能造成整個系統(tǒng)性能的下降。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，微型化、集成化、數(shù)字化正成為傳感器發(fā)展的一個重要方向。美國Dallas半導(dǎo)體公司推出的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，具有獨(dú)特的單總線接口，僅需要占用一個通用I/0端口即可完成與微處理器的通信；在-10+85 溫度范圍內(nèi)具有05 精度

14、；用戶可編程設(shè)定912位的分辨率。以上特性使得DS18B20非常適用于構(gòu)建高精度、多點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)。1.31.3 本課題的任務(wù)本課題的任務(wù)本課題主要是實(shí)現(xiàn)對溫度進(jìn)行多點(diǎn)同時測量并準(zhǔn)確顯示。整個系統(tǒng)由單片機(jī)控制，要能夠接收傳感器的數(shù)據(jù)并顯示出來，可以從鍵盤輸入命令，系統(tǒng)根據(jù)命令，選擇對應(yīng)的傳感器，并由驅(qū)動電路驅(qū)動溫度顯示。設(shè)計(jì)一種合理、可行的單片機(jī)監(jiān)控軟件，完成多點(diǎn)測量和顯示的任務(wù)，并編寫硬件底層驅(qū)動程序。1.4 系統(tǒng)整體目標(biāo)利用一個單片機(jī)設(shè)計(jì)一個能夠進(jìn)行多點(diǎn)溫度進(jìn)行同時測量的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠同時對多個點(diǎn)的溫度進(jìn)行測量和進(jìn)行顯示，并且能夠?qū)Ξ惓Ｇ闆r進(jìn)行報警。第二章 方案論證比較與選擇 2.1 引

15、言溫度測量的方案有很多種，可以采用傳統(tǒng)的分立式傳感器、模擬集成傳感器以及新興的智能型傳感器。對于控制系統(tǒng)可以采用計(jì)算機(jī)、單片機(jī)等。2.2 方案設(shè)計(jì)2.2.1 設(shè)計(jì)方案一采用模擬分立元件，如電容、電感或晶體管等非線形元件，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度的測量及顯示，該方案設(shè)計(jì)電路簡單易懂，操作簡單，且價格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成數(shù)字化，而且測量誤差大。2.2.2 設(shè)計(jì)方案二本方案采用 AT89C51 單片機(jī)為核心，通過溫度傳感器 AD590 采集溫度信號，經(jīng)信號放大器放大后，送到 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，最終經(jīng)單片機(jī)檢測處理溫度信號。 變送器溫度傳感器LED顯示單片機(jī)多路開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換圖 2.1 方案二

16、的框圖如圖 2.1，采用該方案技術(shù)已經(jīng)成熟，AD 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)較煩瑣，而且使用AD590 進(jìn)行溫度檢測必須對冷端進(jìn)行補(bǔ)償，以減小誤差。2.2.3 設(shè)計(jì)方案三本設(shè)計(jì)運(yùn)用主從分布式思想，由一臺上位機(jī)（PC 微型計(jì)算機(jī)） ，下位機(jī)（單片機(jī)）多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)采集，組成兩級分布式多點(diǎn)溫度測量的巡回檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用 RS-232 串行通訊標(biāo)準(zhǔn)，通過上位機(jī)（PC）控制下位機(jī)（單片機(jī)）進(jìn)行現(xiàn)場溫度采集。溫度值既可以送回主控 PC 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由顯示器顯示。也可以由下位機(jī)單獨(dú)工作，實(shí)時顯示當(dāng)前各點(diǎn)的溫度值，對各點(diǎn)進(jìn)行控制。 下位機(jī)采用的是單片機(jī)基于數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 的系統(tǒng)。DS18B20 利用單

17、總線的特點(diǎn)可以方便的實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度的測量，輕松的組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的抗干擾性好、設(shè)計(jì)靈活、方便，而且適合于在惡劣的環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場溫度測量。本系統(tǒng)可以應(yīng)用在大型工業(yè)及民用常溫多點(diǎn)監(jiān)測場合。如糧食倉儲系統(tǒng)、樓宇自動化系統(tǒng)、溫控制程生產(chǎn)線之溫度影像檢測、醫(yī)療與健診的溫度測試、空調(diào)系統(tǒng)的溫度檢測、石化、機(jī)械等。系統(tǒng)框圖如下： AT89C51單片機(jī)多個DS18B20數(shù)碼顯示報警系統(tǒng)鍵盤識別電路RS232PC計(jì)算機(jī)圖 2 .2 方案三的系統(tǒng)框圖2.32.3 方案的比較與選擇基于數(shù)字式溫度計(jì) DS18B20 的溫度測量儀的硬軟件開發(fā)過程，DS18B20 將溫度信號直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，實(shí)現(xiàn)了與單片機(jī)的直接接口

18、，從而省去了信號調(diào)理電路。該儀器電路簡單、功能可靠、測量效率高，很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)溫度測量方法的不足。相對與方案 1，在功能、性能、可操作性等方面都有較大的提升。相對與方案 2，硬件電路簡單，易于操作，具有更高的性價比，更大的市場。所以我采用方案 3 完成本設(shè)計(jì)。2.2.4 方案的闡述與論證 方案三以DS18B20為傳感器、AT89C51單片機(jī)為控制核心組成多點(diǎn)溫度測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括傳感器電路、鍵盤與顯示電路、串口通信電路等組成部。采用美國Dallas半導(dǎo)體公司推出的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器。它具有獨(dú)特的單總線接口，僅需要占用一個通用I/0端口即可完

19、成與微處理器的通信。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式。其可以分別9375ms和750ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，最大分辨率為0.0625 ， 而且從DS18B20讀出或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線(單線接口)讀寫。它有如下的性能特點(diǎn)：1)獨(dú)特的單線接口，既可通過串行口線，也可通過其它I/O口線與微機(jī)接口，無需變換其它電路，直接輸出被測溫度值； 2)多點(diǎn)能力使分布式溫度檢測應(yīng)用得以簡化；3)不需要外部元件；4) 既可用數(shù)據(jù)線供電，也可采用外部電源供電；5)不需備份電源；6) 測量范圍為-55+125 ， 固有測溫分辨率為0

20、5 ；7)通過編程可實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字讀數(shù)方式；8)用戶可定義非易失性的溫度告警設(shè)置；9)警告搜索命令能識別和尋址溫度在編定的極限之外的器件(溫度警告情況)；10)應(yīng)用范圍包括恒溫控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費(fèi)類產(chǎn)品、溫度計(jì)或任何熱敏系統(tǒng)。以上特性使得DS18B20非常適用于構(gòu)建高精度、多點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)。根據(jù) DS18B20 以上的特點(diǎn)我選用方案三來實(shí)現(xiàn)本課題。第三章 硬件設(shè)計(jì)本課題研究的多點(diǎn)測溫系統(tǒng)是以單片機(jī)和單總線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20為核心，充分利用單片機(jī)優(yōu)越的內(nèi)部和外部資源及數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 的優(yōu)越性能構(gòu)成一個完備的測溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對溫度的多點(diǎn)測量。整個系統(tǒng)由單片機(jī)控制，能夠

21、接收傳感器的溫度數(shù)據(jù)并顯示出來，可以從鍵盤輸入命令，系統(tǒng)根據(jù)命令，選擇對應(yīng)的溫度傳感器，并由驅(qū)動電路驅(qū)動溫度顯示。本課題設(shè)計(jì)了一種合理、可行的單片機(jī)監(jiān)控軟件，完成測量和顯示的任務(wù)。由于單片機(jī)具有強(qiáng)大的運(yùn)算和控制功能，使得整個系統(tǒng)具有模塊化、硬件電路簡單以及操作方便等優(yōu)點(diǎn)。本課題的整個系統(tǒng)是由單片機(jī)、顯示電路、鍵盤電路、驅(qū)動電路，串口通信等構(gòu)成。3.1 溫度傳感器3.1.1 溫度傳感器選用細(xì)則 現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個量的測量時首先要解決的題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設(shè)備也就可以確定了。測量結(jié)

22、果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。1） 根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型要進(jìn)行個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)?，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大小；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進(jìn)口，價格能否承受，還是自行研制。2）靈敏度的選擇通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時，與被測量變化

23、對應(yīng)的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡員減少從外界引入的串?dāng)_信號3）頻率響應(yīng)特性 傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。4）線性范圍 傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器

24、的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當(dāng)所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。5） 穩(wěn)定性傳感器使用一段時間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器之前，應(yīng)對其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧?，減

25、小環(huán)境的影響。6） 精度精度是傳感器的一個重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個測量系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。如果測量目的是定性分析的，選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。對某些特殊使用場合，無法選到合適的傳感器，則需自行設(shè)計(jì)制造傳感器。自制傳感器的性能應(yīng)滿足使用要求。3.1.2 溫度傳感器DS18B20DS18B20型單線智能溫度傳感

26、器，屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式。其可以分別9375ms和750ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，最大分辨率為00625 ， 而且從DS18B20讀出或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線(單線接口)讀寫。1 DS18B20的性能特點(diǎn)單線數(shù)字化智能集成溫度的傳感器，其特點(diǎn)是： DSI8B20可將被測溫度直接轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識別的數(shù)字信號輸出，溫度值不需要經(jīng)電橋電路先獲取電壓模擬量，再經(jīng)信號放大和AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，解決了傳統(tǒng)

27、溫度傳感器存在的因參數(shù)不一致性，在更換傳感器時會因放大器零漂而必須對電路進(jìn)行重新調(diào)試的問題，使用方便 DS18B20能提供9到12位溫度讀數(shù)，精度高，且其信息傳輸只需1根信號線，與計(jì)算機(jī)接口十分簡便，讀寫及溫度變換的功率來自于數(shù)據(jù)線而不需額外的電源 每一個DS18B20都有一個惟一的序列號，這就允許多個DS18B20連接到同一總線上尤其適合于多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng) 負(fù)壓特性：當(dāng)電源極性接反時，DS18B20雖然不能正常工作，但不會因發(fā)熱而燒毀 正是由于具有以上特點(diǎn)，DS18B20在解決各種誤差、可靠性和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化等方面與傳統(tǒng)各種溫度傳感器相比，有無可比擬的優(yōu)越性，因而廣泛應(yīng)用于過程控制、環(huán)境控制、

28、建筑物、機(jī)器設(shè)備中的溫度檢測。其外形和管腳如下圖： 圖3.1 DS18B20外部形狀及管腳圖DS18B20與單片機(jī)的典型接口設(shè)計(jì)DS18B20測溫系統(tǒng)具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)。Dsl8B20與單片機(jī)的硬件連接有兩種方法：一是Vcc接外部電源，GND接地，I/0與單片機(jī)的I/0線相連；二是用寄生電源供電，此時,UDD和GND接地，I/0接單片機(jī)I/0。無論是哪種供電方式，I/0口線都要接47k Q左右的上拉電阻。圖4給出了DSl8B20與微處理器的典型連接。 DS18B20寄生電源供電方式：如下面圖3.2(a)所示，在寄生電源供電方式下，DS18B20從單線信號線

29、上汲取能量：在信號線DQ處于高電平期間把能量儲存在內(nèi)部電容里，在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。 獨(dú)特的寄生電源方式有三個好處：1）進(jìn)行遠(yuǎn)距離測溫時，無需本地電源2）可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀取ROM3）電路更加簡潔，僅用一根I/O口實(shí)現(xiàn)測溫 要想使DS18B20進(jìn)行精確的溫度轉(zhuǎn)換，I/O線必須保證在溫度轉(zhuǎn)換期間提供足夠的能量，由于每個DS18B20在溫度轉(zhuǎn)換期間工作電流達(dá)到1mA，當(dāng)幾個溫度傳感器掛在同一根I/O線上進(jìn)行多點(diǎn)測溫時，只靠4.7K上拉電阻就無法提供足夠的能量，會造成無法轉(zhuǎn)換溫度或溫度誤差極大。因此，該電路只適應(yīng)于單一溫度傳感器

30、測溫情況下使用，不適宜采用電池供電系統(tǒng)中。并且工作電源VCC必須保證在5V，當(dāng)電源電壓下降時，寄生電源能夠汲取的能量也降低，會使溫度誤差變大。 DS18B20寄生電源強(qiáng)上拉供電方式： 改進(jìn)的寄生電源供電方式如下面圖 3.2(b)所示，為了使 DS18B20 在動態(tài)轉(zhuǎn)換周期中獲得足夠的電流供應(yīng)，當(dāng)進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換或拷貝到 E2 存儲器操作時，用 MOSFET 把 I/O 線直接拉到 VCC 就可提供足夠的電流，在發(fā)出任何涉及到拷貝到 E2 存儲器或啟動溫度轉(zhuǎn)換的指令后，必須在最多 10S 內(nèi)把 I/O 線轉(zhuǎn)換到強(qiáng)上拉狀態(tài)。在強(qiáng)上拉方式下可以解決電流供應(yīng)不走的問題，因此也適合于多點(diǎn)測溫應(yīng)用，缺點(diǎn)就是要

31、多占用一根 I/O 口線進(jìn)行強(qiáng)上拉切換。 DS18B20 的外部電源供電方式： 如下面圖3.2(c)所示，在外部電源供電方式下，DS18B20工作電源由VDD引腳接入，其VDD端用355V電源供電，此時I/O線不需要強(qiáng)上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個DS18B20傳感器，組成多點(diǎn)測溫系統(tǒng)。注意：在外部供電的方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空，否則不能轉(zhuǎn)換溫度，讀取的溫度總是85。 （c）DS18B20外部電源供電方式 （a）DS18B20寄生電源供電方式 (b) DS18B20溫度轉(zhuǎn)換期間的強(qiáng)上拉供電（寄生電源方式）圖3.2 DS18B

32、20與微處理器的典型連接圖（3）DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：圖3.3 為DS18B20 的內(nèi)部框圖，它主要包括寄生電源、溫度傳感器、64 位激光ROM 單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器(內(nèi)含便箋式RAM)，用于存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值的TH 和TL 觸發(fā)器存儲與控制邏輯、8 位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)發(fā)生器等七部分。64位光刻ROM 的排列是：開始8位是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。光刻R0M 的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這可實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。暫存存儲器包含了8個連續(xù)字節(jié)，前2個字節(jié)是

33、測得的溫度信息，第1個字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低8位，第2個字節(jié)是溫度的高8位。第3個和第4個字節(jié)是TH、TL的易失性拷貝，第5個字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這3個字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時被刷新。第6、7、8個字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算。第9個字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié) 圖3.3 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（4）DS18B20 的測溫原理：DS1820測溫原理如下圖所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計(jì)數(shù)器1。 圖 3.4 DS18B20 測溫原理高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55所對應(yīng)的一

34、個基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時，DS1 8B20測量溫度原理停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。 在正常測溫情況下，DS18B20 的測溫分辨力為0.5，可采用下述方法獲得高分辨率的溫度測量結(jié)果：首先用DS18B20 提供的讀暫存器指令(BEH)讀出以0.5為分辨率的溫度測量結(jié)果，然后切去測量結(jié)果中的最低有效位(LSB)，得到所測實(shí)際溫度的整數(shù)部分TZ，然后再用BEH 指令取計(jì)

35、數(shù)器1 的計(jì)數(shù)剩余值CS 和每度計(jì)數(shù)值CD。考慮到DS18B20測量溫度的整數(shù)部分以0.25、0.75為進(jìn)位界限的關(guān)系，實(shí)際溫度TS 可用下式計(jì)算：TS=(TZ0.25) (CDCS)/CD（5）告警信號：DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與TH、TL 作比較。若TTH 或TTL，則將該器件內(nèi)的告警標(biāo)志置位，并對主機(jī)發(fā)出的告警搜索命令作出響應(yīng)。因此，可用多只DS18B20 同時測量溫度并進(jìn)行告警搜索。一旦某測溫點(diǎn)越限，主機(jī)利用告警搜索命令即可識別正在告警的器件，并讀出其序號，而不必考慮非告警器件。（6）CRC 的產(chǎn)生：在64 位ROM 的最高有效字節(jié)中存有循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)

36、。主機(jī)根據(jù)ROM 的前56 位來計(jì)算CRC 值，并和存入DS18B20 中的CRC 值作比較，以判斷主機(jī)收到的ROM 數(shù)據(jù)是否正確。CRC 的函數(shù)表達(dá)式為：CRC=X X X 1。此外，854DS18B20 尚需依上式為暫存器中的數(shù)據(jù)來產(chǎn)生一個8位CRC 送給主機(jī)，以確保暫存器數(shù)據(jù)傳送無誤。在本課題中采用四個數(shù)字式溫度傳感器DS18B20與單片機(jī)89C51連接如下圖27.0DQ2VCC3GND1U1DS18B2024.0DQ2VCC3GND1U2DS18B2027.0DQ2VCC3GND1U3DS18B2027.0DQ2VCC3GND1U4DS18B20+5vR14.7kp0.7 圖3.5 D

37、S18B20多點(diǎn)溫度測量連接電路圖(7) DS1820DS1820 使用中注意事項(xiàng)使用中注意事項(xiàng)DS18B20 雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題：較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于 DS18B20 與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對 DS18B20 進(jìn)行讀寫編程時，必須嚴(yán)格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。在 DS18B20 的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛 DS18B20 數(shù)量問題，容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個 DS18B20，在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線上所掛 DS18B20 超過 8 個時，就需

38、要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時要加以注意。連接 DS18B20 的總線電纜是有長度限制的。試驗(yàn)中，當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過 50m 時，讀取的測溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達(dá) 150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離進(jìn)一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此，在用 DS18B20 進(jìn)行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。 在 DS18B20 測溫程序設(shè)計(jì)中，向 DS18B20 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待 DS18B20 的返回信號，一旦某

39、個 DS18B20 接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS18B20 時，將沒有返回信號，程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行 DS18B20 硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時也要給予一定的重視。3.2.單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在當(dāng)今新科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的年代里，單片機(jī)的應(yīng)用已越來越受到人們的重視，它被廣泛的應(yīng)用于家電、醫(yī)療、智能儀表、工業(yè)自動化等各個領(lǐng)域。單片機(jī)全稱單片微型計(jì)算機(jī)，是將計(jì)算機(jī)的基本部分微型化，使之集成在一塊芯片上的微機(jī)。目前市場上較為流行的單片機(jī)有 Intel 公司和 Philip 公司的8051 系列單片機(jī)Motorola 公司的 M 6800 系列單片機(jī)。Intel 公司的 MCS96系列單片機(jī)以及 Micr

40、ochip 公司的 PIC 系列單片機(jī)。片內(nèi)含有CPU、ROM、RAM、并行 I/O 口、串行 I/O 口、定時/計(jì)數(shù)器、A/D、D/A、中斷控制、系統(tǒng)時鐘及系統(tǒng)總線等。本課題是利用 Intel 的 89c51 控制整個系統(tǒng)。89c51 單片機(jī)包含下列幾個部件：1 個 8 位 CPU、1 個片內(nèi)震蕩器及時鐘電路、4KB ROM 程序存儲器、128B RAM 數(shù)據(jù)存儲器、可尋址 64KB 外部數(shù)據(jù)存儲器和64KB 外部程序存儲器的控制電路、32 條可編程的 I/O 線、2 個 16 位的定時/計(jì)數(shù)器、1 個可編程全雙工串行接口、5 個中斷源、2 個優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu)。本課題運(yùn)用 Intel 公司的 8051 進(jìn)行系統(tǒng)控制，運(yùn)用到了復(fù)位電路，時鐘電路，串口，I/O 口。復(fù)位電路：無論哪種單片機(jī)，都會涉及到復(fù)位電路。如果復(fù)位電路不可靠，在工作中就有可能出現(xiàn)“死機(jī)” ， “程序走飛”等現(xiàn)象。所以，一個單片機(jī)復(fù)位電路的好壞，直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性。復(fù)位操作完成單片機(jī)片內(nèi)電路的初始化，使單片機(jī)從一種確定的狀態(tài)開始運(yùn)行。當(dāng)89c51單片機(jī)的復(fù)位引腳RST出現(xiàn)5ms以上的高電平時，單片機(jī)就完成