数字温度计的设计

摘要：根据目前温度传感器的数字化和温度表的发展现状，研究和设计了一种基于51系列单片机的数字温度计。数字温度计控制电路的核心是基于51系列中ATMEL公司的8位单片机AT89C51。测温传感器采用了新型单线数字温度传感器DS18B20，不需要专用A／D转换电路来实现温度量由模拟量到数字量的变换，并可与单片机直接连接。同时，系统的显示部分采用4住LED串行动态显示，用74LS373的输出信号分别作为LED的位驱动信号和段驱动信号。该数字温度表实现了对温度采集、处理、实时显示，并可实现对测温系统的温度控制。
关键词：温度传感器DS18B20；单片机AT89C51；LED；单线通信

    随着生产的发展和技术的进步，精度、灵敏度、稳定度等各个参数的要求越来越高，数字式开始问世，数字式温度传感器输出的是数字信号，可直接与单片机连接，具有克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A／D转换器的弊端等优点。该设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用。
    由文献可知，测量温度的方式有很多，常用的温度计多为管式温度计，不仅读数很不方便，还容易损坏。为此在DS18B20数字温度传感器技术的基础上制作了数字温度计，数码管直接显示温度，读数方便快易，而且电路简单、安全可靠。

1 系统方案设计
1．1 温度测量系统的总体设计
    该温度测量系统主要通过传感器数字采集电路对周边环境进行温度测量及运算处理，并将处理的数据通过接口电路传送给单片机，单片机根据用户要求即设计人员设计开发的软件程序对数据进行运算，储存等，最后通过显示电路进行显示。整体设计框图如图1所示。

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    该系统的核心是集成温度传感器DS18B20，其核心技术就是可以直接输出数字信号。由于温度传感器DS18B20是单线通信，所以软件设计部分必须考虑它的时序问题，以便更好地读数据和写数据。

    在DS18B20间的任何通信都需要以初始化序列开始，如图2所示。一个复位脉冲跟着一个存在脉冲表明DS18B20已经准备好发送和接收数据。当DS18B20处于写存储器操作和温度A／D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10μs。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。外电源供电的好处是I／O线上不需要加强上拉，而且总线控制器不用在温度转换期间总保持高电平。这样在转换期间可以允许在单线总线上进行其他数据往来。
1．2 系统设计的电路图
    系统工作时先由使用者设定温度值的上下限值，温度值输入后，这时LED显示器显示设定温度，以便操作人员核对设定温度，然后温度检测电路将测点的温度输入单片机，经软件滤波后作为实测温度，此后显示器将一直显示实测温度。本系统硬件主要包括单片机的最小系统、温度采集电路、键盘接口、显示电路、报警电路、驱动电路及串口通信等。数字温度计的电路图分为3部分：第1部分是温度传感器DS18 B20与单片机之间的连接，该部分只有3根线，一根接地，一根接电源，还有一根接到单片机的P3．7只读端，该温度传感器是一块集成的芯片，所以温度处理以后直接由单片机读取即可；第2部分是温度的设置，选择矩阵式键盘，用8个I／O控制了16个按钮开关。由P00～P03循环输出低电平，然后检测P04～P07的状态，且都加上上拉电阻；第3部分就是电路的显示部分，温度上下限设置好了以后，传感器将温度值送到单片机进行处理，处理结果与设定值进行比较，然后在数码管上显示处理的结果。数码管的显示除了数字的显示外，还有处理结果的显示，即在进行软件设计的时候要进行代码处理。
    文献介绍了DS18B20可以采用2种方式供电，一种是采用寄生电源供电方式；另一种是外接电源供电方式。根据实际应用中的需要，选择寄生电源供电方式，可在无本地电源的情况下进行远距离测温。文献介绍了传感器和单片机的接口技术，基于本文采用的温度传感器的单线通信，所以只需要在单片机中找一个通信口分配给它即可。综合以上信息，参考文献完成了上述电路图。
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2 软件设计
    进行温度程序的设计应考虑如下几个问题：
    (1)实时采集温度；
    (2)温度显示：采用4位LED显示当前温度；
    (3)按键处理；
    (4)越限报警和处理：将采集到的温度值与预先设置值进行比较，若当前温度值越限，则产生报警信号。
    软件设计主要有：主程序、键盘设定子程序、LED显示子程序、温度读取子程序等。初值设定子程序完成对温度上下限的设定及数据保存；温度读取子程序完成对温度传感器数据的读取，并通过LED显示子程序显示温度值。

    参考文献分别对温度的采集和处理进行了编程，并采取了文献中按键设计的一种，在其已有的程序上进行相关处理和改进，便得到的整个设计的软件设计部分。主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量温度值，其程序流程图如图3所示。

3 结语
    DS18B20集温度测量、A／D转换于一体，具有体积小、动态范围宽、测量精度高、单总线结构等特点。设计简单，控制方便，测量准确，测温范围宽，完全可以取代水银温度计和热敏电阻测量。利用单总线具有很强的扩展性，还可以组建多点的温度检测网络。