【正文】 活的各個(gè)方面都起到了重要的作用。由于許多產(chǎn)品對(duì)溫度范圍的要求嚴(yán)格，而目前市場(chǎng)上普遍存在的溫度檢測(cè)儀器大多都是單點(diǎn)測(cè)量，同時(shí)有溫度信息傳遞不及時(shí)、精度度不夠高的缺點(diǎn)，不利于工業(yè)生產(chǎn)根據(jù)溫度的變化及時(shí)做出決定。在這樣的前提下，開發(fā)一種能夠同時(shí)測(cè)量多點(diǎn)，并且實(shí)時(shí)性高、精度度高，能夠綜合處理多點(diǎn)溫度信息的測(cè)量系統(tǒng)就很有必要。 國(guó)外對(duì)溫度檢測(cè)技術(shù)研究較早 ，始于 20 世紀(jì) 70 年代。先是采用模擬式的組合儀表 采集現(xiàn)場(chǎng)信息并進(jìn)行指示、記錄和控制， 80 年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng) ，目前正開發(fā)和研制計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在世界各國(guó)的溫度檢測(cè)技術(shù)發(fā)展很快，一些國(guó)家在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上正向著完全自動(dòng)化、無(wú)人化的方向發(fā)展。 我國(guó)對(duì)于溫度檢測(cè)技術(shù)的研究較晚 ，始于 20 世紀(jì) 80年代。近年來(lái) ，我國(guó)引進(jìn)了多達(dá) 16 個(gè)國(guó)家和地區(qū)的工廠環(huán)境控制系統(tǒng) ，在總 體上，正從消化吸收、簡(jiǎn)單應(yīng)用階段向?qū)嵱没?、綜合性應(yīng)用階段過渡和發(fā)展，對(duì)推動(dòng)工廠溫度自動(dòng)檢測(cè) 產(chǎn)生了積極的作用。與此同時(shí) ，我國(guó)的溫度測(cè)控設(shè)施計(jì)算機(jī)應(yīng)用以單片機(jī)控制的單參數(shù)單回路系統(tǒng)居多，尚無(wú)真正意義上的多參數(shù)綜合控制系統(tǒng)。在生產(chǎn)實(shí)際中仍然有許多問題困擾著我們，比如環(huán)境控制水平落后，軟硬件資源不能共享和可靠性差等缺點(diǎn)。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還存在較大的差距。 近年來(lái)隨著單片機(jī)的發(fā)展和傳感器技術(shù)的革新，溫度檢測(cè)領(lǐng)域也完成了從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)變。 DS18B20 溫度傳感器的廣泛應(yīng)用更是推動(dòng)了這一領(lǐng)域 2 的發(fā)展。我們可以基于 ATmega16 單片機(jī)，利用液晶顯示器件以及 DS18B20 溫度傳感器等器件，通過溫度傳感器在單片機(jī)下的硬件連接，軟件編程即可設(shè)計(jì) DS18B20 溫度傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以方便的實(shí)現(xiàn)單線多點(diǎn)溫度的測(cè)量，并可以根據(jù)需要任意設(shè)定上下限報(bào)警溫度，它使用起來(lái)相當(dāng)方便，具有精度高、量程寬、靈敏度高、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，適合于我們?nèi)粘Ｉ詈凸?、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫度測(cè)量，也可以當(dāng)作溫度處理模塊嵌入其它系統(tǒng)中，作為其他主系統(tǒng)的輔助擴(kuò)展。DS18B20 與 ATmega16 的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了最簡(jiǎn)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)， 適合于惡劣環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，有廣泛的應(yīng)用前景。 系統(tǒng)概述 本文詳細(xì)介紹了基于 DS18B20 單線多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成。大致可分為硬件電路設(shè)計(jì)、軟件程序設(shè)計(jì)和仿真設(shè)計(jì)。第二章介紹了硬件電路的設(shè)計(jì)，包括ATmega16 單片機(jī)、 DS18B20 傳感器的介紹以及電路的連接；第三章介紹了軟件的設(shè)計(jì)，包括 DS18b20 溫度傳感器的使用過程以及如何在一條線上實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)和多點(diǎn)溫度的測(cè)量；第四章介紹了如何通過軟件平臺(tái)得出仿真圖。關(guān)于各個(gè)模塊的流程圖和相關(guān)原程序代碼將在下面的章節(jié)中一一介紹。 3 第二章 硬件電路的設(shè)計(jì) 該電路是通過 ATmega16單片機(jī)和 DS18B20傳感器連接而成的溫度測(cè)量系統(tǒng)。單片機(jī)除了可以測(cè)量電信號(hào)外，還可以用于溫度、濕度等非電信號(hào)的測(cè)量，能獨(dú)立工作的單片機(jī)溫度監(jiān)測(cè)、溫度控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用。單片機(jī)的接口信號(hào)時(shí)數(shù)字信號(hào)，要用單片機(jī)作為控制其測(cè)量溫度，用溫度傳感器將溫度信息轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號(hào)輸出，如果轉(zhuǎn)化的信號(hào)是模擬信號(hào)，還需要進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)化，以滿足單片機(jī)接口的需要?？梢圆捎脺囟葌鞲衅?DS18B20，此傳感器可以直接獲取測(cè)溫值，進(jìn)行轉(zhuǎn)換，成功采集溫度后，利用 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過 LCD 顯示溫度。以下是系統(tǒng)組成框圖。 圖 11 系統(tǒng)組成框圖 ATmega16 單片機(jī) ATmega16 是基于增強(qiáng)的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間， ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1 MIPS/MHz,從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。 ATmega16 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運(yùn)算邏單元 (ALU)相連接， 使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。 ATmega16 的主要特性 ATmega16 單片機(jī) 報(bào)警顯示 液晶顯示 按鍵控制 DS18B20 DS18B20 4 (1)先進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu) 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash，擦寫壽命： 10， 000次 512 字節(jié)的 EEPROM，擦寫壽命： 100， 000 次 1K 字節(jié)的片內(nèi) SRAM (2)JTAG 接口（與 標(biāo)準(zhǔn)兼容） 符合 JTAG 標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能 支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能 通過 JTAG接口實(shí)現(xiàn)對(duì) Flash、 EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程 (3)外設(shè)特點(diǎn) 兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的 8位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器 RTC 四通道 PWM 8 路 10 位 ADC 8 個(gè)單端通道 面向字節(jié)的兩線接口 兩個(gè)可編程的串行 USART 可工作于主機(jī) /從機(jī)模式的 SPI 串行接口 具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器 片內(nèi)模擬比較器 (4)I/O 和封裝 32 個(gè)可編程的 I/O口 40 引腳 PDIP 封裝 ,44 引腳 TQFP 封裝 ,與 44引腳 MLF封裝 ATmega16 引腳介紹 5 圖 12 ATmega16 引腳圖 (1)VCC：供電電壓 (2)GND：接地 (3)端口 A(PA7~PA0)：端口 A 做為 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。端口 A為 8位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖 器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi) 部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使 系統(tǒng)時(shí)鐘 還未起振，端口 A 處于高阻狀態(tài)。 (4)端口 B(PB7~PB0)：端口 B 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使 系統(tǒng)時(shí)鐘 還未起振，端口 B處于高阻狀態(tài)。 (5)端口 C(PC7~PC0)： 端口 C 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以 輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使 系統(tǒng)時(shí)鐘 還未起振，端口 C處于高阻狀態(tài)。如果 JTAG 接口 使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳 PC5(TDI)、 PC3(TMS)與 PC2(TCK)的上 拉電阻被激活。 (6)端口 D(PD7~PD0)： 端口 D 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用 6 時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 D處于高阻狀態(tài)。 (7)RESET： 復(fù)位輸入 引腳 。持續(xù)時(shí)間超過最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。持續(xù)時(shí)間 小于門限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。 (8)XTAL1： 反向振蕩放大器與片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入端。 (9)XTAL2： 反向振蕩放大器的輸出端。 (10)AVCC： AVCC 是端口 A與 A/D 轉(zhuǎn)換器的電源。不使用 ADC時(shí)，該 引腳 應(yīng)直接與 VCC 連接。使用 ADC 時(shí)應(yīng)通過一個(gè)低通濾波器與 VCC連接。 (11)AREF： A/D 的模擬基準(zhǔn)輸入 引腳 。 DS18B20 芯片 DS18B20 是美國(guó) DALLAS 公司推出的單總線數(shù)字化測(cè)溫集成電路，它具有獨(dú)特的單線接口方式，將非電模擬量溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)串行輸出，僅需占用 1位 I/O 端口，能夠直接讀取被測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度值。它的體積小，電壓適用范圍寬 (3V~5V)，并且可以通過編程實(shí)現(xiàn) 9~12 位的溫度讀數(shù)，即具有可調(diào)的溫度分辨率，因此實(shí)用性和可靠性較高，在許多行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。 DS18B20 數(shù) 字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式。型號(hào)多種多樣，有 LTM8877， LTM8874 等等。主要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同而改變其外觀。封裝后的 DS18B20 可用于電纜溝測(cè)溫，高爐水循環(huán)測(cè)溫，鍋爐測(cè)溫，機(jī)房測(cè)溫，農(nóng)業(yè)大棚測(cè)溫，潔凈室測(cè)溫，彈藥庫(kù)測(cè)溫等各種非極限溫度場(chǎng)合。由于其耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣的特點(diǎn)，也適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。 DS18B20 芯片的特性 DS18B20 單線數(shù)字溫度傳感器，即“一線器件”，其具有獨(dú) 特的優(yōu)點(diǎn)： (1)采用單總線的接口方式，與微處理器連接時(shí)，僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。單總線具有經(jīng)濟(jì)性好，抗干擾能力強(qiáng)，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。 (2)測(cè)量溫度范圍寬，測(cè)量精度高 DS18B20 的測(cè)量范圍為 55℃ ~+125 ℃；在 10~+85℃范圍內(nèi)，精度為177。 ℃。 7 (3)在使用中不需要任何外圍元件。 (4)持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在惟一的單線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。 (5)供電 方式靈活， DS18B20 可以通過內(nèi)部寄生電路從數(shù)據(jù)線上獲取電源。因此，當(dāng)數(shù)據(jù)線上的時(shí)序滿足一定的要求時(shí)，可以不接外部電源，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。 (6)測(cè)量參數(shù)可配置 DS18B20 的測(cè)量分辨率可通過程序設(shè)定 9~12位。 (7)負(fù)壓特性電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 (8)掉電保護(hù)功能， DS18B20 內(nèi)部含有 EEPROM，在系統(tǒng)斷電以后，它仍可保存分辨率及報(bào)警溫度的設(shè)定值。 DS18B20 引腳排列 圖 13 DS18B20 引腳排列 為接地。 為數(shù)字信號(hào)輸入 /輸出端。 為外接供電電源輸入口。 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DSl8B20 的內(nèi)部主要包括寄生電源、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、溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL用于存儲(chǔ)用戶寫入報(bào)警上下限的報(bào)警觸。 ROM 中的 64 位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 DS 8 18B20 的地址序列碼，每個(gè) DS18B20 的 64 位序列號(hào)均不相同。 64 位 ROM 的排的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（ CRC=X^8＋ X^5＋ X^4＋ 1）。 ROM 的作用是使每一個(gè) DS18B20 都各不相同， 這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè) DS18B20 的目的 。 圖 14 DS18B20 方框圖 DS18B20 芯片各部分介紹 (1)64 位激光 ROM 每個(gè) DS18B20 都有一個(gè)唯一儲(chǔ)存在 ROM 中的 64 位編碼。最前面 8 位是單線產(chǎn)品系列編碼： 28h。接著的 48位是一個(gè)唯一的序列號(hào)。最后 8位是以上 56 位的 CRC 編碼。 64 位 ROM 和 ROM 操作控制區(qū)允許 DS18B20 作為單總線器件并按照單總線協(xié)議工作。 8 位 CRC 編碼 48 位序列號(hào) 8 位產(chǎn)品系列編碼 圖 15 64 位激光 ROM 碼 (2)高速暫存存儲(chǔ)貯器 高速暫存存儲(chǔ)器由 9個(gè)字節(jié)組成，其分配如 下 圖所示 。字節(jié) 0和字節(jié) 1為測(cè)得溫度信息的 LSB 和 MSB，這兩個(gè)字節(jié)是只讀的。字節(jié) 2和字節(jié) 3是 TH和 TL的拷貝。字節(jié) 4包含配置寄存器數(shù)據(jù)，詳細(xì)介紹如下圖所示。字節(jié) 6 和 7被器件保留，禁止寫入。這些數(shù)據(jù)在讀回時(shí)全部表現(xiàn)為邏輯 1。高速暫存器的位 8是只讀的，包含以上八個(gè)字節(jié)的 CRC碼， CRC 的執(zhí)行方式如 CRC 發(fā)生器節(jié)所述。 HIGH TEMPERATURE TEMPRATURE SENSOR 64BIT ROM AND 1WIRE PORT POWER SUPPLY SENSE MEMORY AND CONTROL LOGIC SCRATCHPAD 8BIT CRC GENERATOR LOW TEMPERATURE DQ INTERNAL VDD V