【正文】 時(shí)對溫度的檢測技術(shù)要求也越來越高，因此對溫度測量技術(shù)的研究已經(jīng)成為目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 隨著微電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，微機(jī)測量以及控制技術(shù)得到快速的發(fā)展并在市場上得到廣泛的應(yīng)用。它具有邏 輯控制簡單、操作靈活、使用便捷、性價(jià)比高等一系列的優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、鐵路交通、冶金、電力、石油化工、制造業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。此外，在微波爐、電冰箱、電視機(jī)、智能空調(diào)等日常生活中也有廣泛的應(yīng)用。通過在智能儀表和測控系統(tǒng)中引進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)，傳統(tǒng)的儀器和儀表設(shè)備發(fā)生了質(zhì)的變化，這些變化為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化和智能化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 溫度測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著科技的快速發(fā)展，溫度檢測技術(shù)也發(fā)展迅速，并取得了一系列的成果。目前主要采用溫度計(jì)進(jìn)行溫度檢測，常用的溫度計(jì)種類繁多。溫度測量包括以下方法 [1,2,3]： （ 1）利用熱脹冷縮原理制成的溫度計(jì) 通過此原理設(shè)計(jì)而成的溫度計(jì)主要有三類：玻璃溫度計(jì)、雙金屬溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)。 （ 2）利用熱電效應(yīng)原理制成的溫度檢測元件 通過此原理制作而成的溫度檢測元件主要是熱電偶。它以其應(yīng)用技術(shù)較為成熟成為目前應(yīng)用最為廣泛的檢測元件之一。熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)方便、測量范圍廣、測量精度高、熱慣性小等優(yōu)點(diǎn)，它被廣泛作為溫度傳感器的敏感元件使用。 （ 3）利用熱阻效應(yīng)技術(shù)制成的溫度計(jì) 通過此種技術(shù)設(shè)計(jì)的溫度計(jì)主要可分為三種：電阻測溫元件、導(dǎo)體測溫元件、陶瓷熱敏元件。 （ 4）利用熱 輻射原理制成的高溫計(jì) 武昌工學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè) 計(jì)）專用稿紙 2 通過此種原理制成的熱輻射高溫計(jì)主要有兩種：一個(gè)是單色輻射高溫計(jì)，一般稱光學(xué)高溫計(jì)；另一個(gè)是全輻射高溫計(jì)，它的工作原理是首先物體吸收熱輻射，然后根據(jù)物體本身的性質(zhì)，決定將其吸收、反射或透過。 （ 5）其他新型溫度測量技術(shù) [8] 為了使得溫度檢測更加精確，目前國內(nèi)外專家學(xué)者都在研究和開發(fā)各種新型溫度測量技術(shù)和各類溫度傳感器。例如：由點(diǎn)到線、由線到面溫度分布的測溫技術(shù)；由表面到內(nèi)部、深部的測溫技術(shù)等。 ① 芯熱電偶。傳統(tǒng)的溫度測量可以叫做對某一 “點(diǎn) ”的溫度測量。為了了解整個(gè)爐內(nèi)的溫度分布，傳統(tǒng)溫度 測量已無法滿足要求，因此可采用分布式測量爐內(nèi)環(huán)境溫度。 ② 纖式溫度分布測量裝置。光纖式溫度分布測量裝置是一種新型傳感器件，它可以通過一個(gè)傳感器就能測量出線狀溫度分布。 ③ 輻射溫度計(jì)或熱像儀測量表面溫度分布。當(dāng)需要對被測表面進(jìn)行溫度測量和控制時(shí)，可以采用熱像儀或輻射溫度計(jì)的方法進(jìn)行測量。 ④ 用長熱電偶測量表面溫度分布情況。 ⑤ 用耐熱數(shù)據(jù)記錄儀與短熱電偶相結(jié)合測量表面溫度分布。 國內(nèi)外測溫技術(shù)存在的問題及發(fā)展動(dòng)向 伴隨著工業(yè)生產(chǎn)過程中生產(chǎn)效率的要求不斷提高，工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平也越來越廣泛，因此工業(yè)生產(chǎn)中對溫 度檢測的要求也越來越高。目前的溫度檢測技術(shù)存在檢測范圍小，精度不夠高等問題，故無法適合大范圍高精度的溫度測量。并且測量的自動(dòng)化水平較低，自控能力較差?；谀壳斑@一情況，國內(nèi)外關(guān)于溫度測量技術(shù)的發(fā)展主要有以下幾個(gè)動(dòng)向 [4,5,6,7]： （ 1）擴(kuò)展檢測范圍 目前工業(yè)生產(chǎn)過程中的溫度檢測范圍是 200 ~ 3000? ℃ ，無法測量超高溫和超低溫，尤其是對液化氣體的極低溫度的檢測。對超高溫和超低溫的溫度檢測將成為以后的研究熱點(diǎn)。 （ 2）擴(kuò)大測溫對象 由最初的以點(diǎn)測溫，溫度檢測技術(shù)已經(jīng)逐步 發(fā)展到以線測溫和以面測溫，甚至是立體測溫。而應(yīng)用對象也從單純的工業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)展到了環(huán)境保護(hù)、家用電器、汽車工業(yè)、航天工業(yè)等領(lǐng)域。 （ 3）發(fā)展新型產(chǎn)品 對于出現(xiàn)的不同場合和不同工況，需要人們通過現(xiàn)有的檢測技術(shù)制造出不同的新型產(chǎn)品，用以滿足用戶需要，同時(shí)發(fā)展新的檢測技術(shù)。 （ 4）適應(yīng)特殊環(huán)境下的測溫 不同場合對溫度檢測器有著不同的要求，特別是一些特殊場合，對溫度檢測武昌工學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè) 計(jì)）專用稿紙 3 器有著特殊的要求。 （ 5）對新原理、新材料、新加工工藝的開發(fā) 近年來，已經(jīng)成功開發(fā)出炭化硅薄膜熱敏電阻溫度檢測器，厚膜、薄膜鉑電阻溫度檢測器，硅單晶熱敏 電阻溫度檢測器等。 （ 6）顯示數(shù)字化 數(shù)字化是溫度測量儀表以后的發(fā)展方向。它具有直觀、無讀數(shù)誤差、分辨率高等顯著優(yōu)點(diǎn)。 （ 7）測控自動(dòng)化 隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，自動(dòng)化、智能化將成為溫度測量儀表的又一發(fā)展方向。通過采用微型計(jì)算機(jī)將判斷和指令等功能加到新型溫度測量儀表之中，使其可以自動(dòng)地、智能地進(jìn)行溫度檢測。 本文設(shè)計(jì)要求 由于傳統(tǒng)的溫度計(jì)具有反映速度慢、測量精度低、讀數(shù)誤差大等缺陷。故本文對數(shù)字式溫度計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，旨在滿足測量范圍在 40~100? ℃ ，測量精度誤差小于 ℃ 。通過采用 LCD1602 液晶屏對數(shù)字溫度計(jì)進(jìn)行溫度顯示，并且設(shè)計(jì)出溫度范圍檢測功能，超出設(shè)定穩(wěn)定將會(huì)自動(dòng)進(jìn)行聲光報(bào)警。設(shè)計(jì)出的數(shù)字溫度計(jì)還具有另一特色，即可以通過按鍵對數(shù)字溫度計(jì)的顯示分辨率進(jìn)行選擇切換，共有、 、 三檔分辨率可供用戶選擇。武昌工學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè) 計(jì)）專用稿紙 4 2 溫度傳感器 DS18B20 隨著科技的進(jìn)步，溫度傳感器逐漸向著智能化、集成化的方向發(fā)展。目前，國外內(nèi)許多公司都生產(chǎn)出了各種新型溫 度傳感器，極大豐富了大家的設(shè)計(jì)視野。面對如此眾多的產(chǎn)品，如何設(shè)計(jì)出符合自己需要的溫度傳感器，需要從以下幾點(diǎn)考慮：外圍 電路應(yīng)該盡量簡單；合適的測溫的精度和分辨率，以便減少不必要的成本開支；溫度傳感器采用的總線負(fù)載能力要滿足多點(diǎn)測溫的需要；盡量減少占用 MCU 的 I/O 引腳數(shù)，因?yàn)?MCU 的系統(tǒng)資源非常寶貴，并且輸入通道有限，應(yīng)該盡量節(jié)約；與 MCU 的通信協(xié)議應(yīng)該盡量簡單，并且其軟件開發(fā)難度盡量簡單。為滿足以上幾個(gè)要求，目前有兩種常用方法。 方案選擇 方案一：需要采用熱電偶。兩跟 異金屬導(dǎo)線 焊接在一起，并且形成兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，由此構(gòu)成熱電偶。兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間出現(xiàn)溫差時(shí)，會(huì)在兩個(gè)導(dǎo)線上產(chǎn)生熱電電位，即電壓差。首先將參考結(jié)點(diǎn)維持在已經(jīng)的溫度上，并測量出此時(shí)的電壓，然后經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換，在單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理后將被測溫度在顯示電路上顯示出來。此種設(shè)計(jì)需要用到 A/D 轉(zhuǎn)換電路，并且感溫電路的設(shè)計(jì)也較為麻煩。雖然熱電偶具有工作溫度范圍寬、體積小的優(yōu)點(diǎn)，但是它的輸出電壓小，容易受外界電磁波干擾，存在溫漂。 方案二：采用單線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 來實(shí)現(xiàn)。 DS18B20 具有體積小 、功耗低、性能高，抗干擾能力強(qiáng)、易配微處理器等優(yōu)點(diǎn) 。對于多點(diǎn)溫度測控系統(tǒng)，它可以直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，而且每片 DS18B20 都有唯一的產(chǎn)品 號(hào)，可將其存入 ROM中，這樣在構(gòu)成大型溫度測控系統(tǒng)時(shí)，可以在單線上接入多個(gè)任意 DS18B20 芯片。只需要一根端口線就可以對 DS18B20 讀信息或?qū)懶畔?，?shù)據(jù)總線為其提供讀寫及溫度變換功率，此外該數(shù)據(jù)總線也可以向所接入的 DS18B20 芯片供電，因此不需要額外電源。 DS18B20 芯片能提供 9位溫度讀數(shù)，不需要任 何的外圍硬件便可以構(gòu)成溫度檢測系統(tǒng)。 通過比 較以上兩個(gè)方案可以看出，方案二的設(shè)計(jì)比較簡單，可以很容易的實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)，所以本文擬采用方案二進(jìn)行設(shè)計(jì)。下面首先介紹一下數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 芯片。 溫度傳感器 DS18B20 介紹 武昌工學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè) 計(jì)）專用稿紙 5 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 芯片是 DALLAS公司生產(chǎn)的可編程集成數(shù)字測溫器件。它主要由溫度傳感器和微控制器組成。在工業(yè)控制、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、溫度測量等方面，該芯片得以廣泛應(yīng)用。該芯片只傳遞數(shù)字信號(hào)，故傳輸精度較高。DS18B20 芯片可以直接對被測物的溫度進(jìn)行讀取，并且編程可以實(shí)現(xiàn) 912位的溫度讀數(shù)。該芯片的溫度分辨率可以調(diào)節(jié)，具有很好的可靠性和實(shí)用性。 DS18B20芯片的封裝形式有多種，其中主要是 TO 92? 封裝、 SOIC 封裝和 CSP 封裝。DS18B20 芯片的管腳排列圖如圖 。 引腳 定義：（ 1） DQ 代表數(shù)字信號(hào)輸入 /輸出端；（ 2） GND 代表外接電源地；（ 3） VDD 代表外接供電電源輸入端。 圖 DS18B20 的管腳排列圖 由上圖可知，由于 DS18B20 芯片具有一個(gè)數(shù)據(jù)輸入 /輸出口，故它是單總線專用芯片之一。該芯片在正常工作時(shí)，可以將溫度測量值直接通 過“單總線”的數(shù)字方式進(jìn)行傳輸，這樣可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。 DS18B20芯片內(nèi)部采用在板溫度測量專用技術(shù)，測量范圍是 55 ~ 125℃ ℃??，在 10 ~ 85℃ ℃??時(shí)，它的精度是 ℃? 。在出廠時(shí) DS18B20芯片已具有唯一的 64位序列號(hào)，這樣可以在一條總線上同時(shí)接入多個(gè) DS18B20芯片，并且不會(huì)出現(xiàn)雜亂情況。通過軟件編程，可以將數(shù)字溫度傳輸設(shè)定成 9位或者 12位，并且它的最大傳輸時(shí)間是 750ms 。此外，根據(jù)需要可以自行設(shè)定非易失性溫度報(bào)警的上限值 TH和下限值 TL。當(dāng)完成溫度轉(zhuǎn)換后， DS18B20芯片所測量的溫度值會(huì)自動(dòng)的與上限值 TH和下限值 TL進(jìn)行比較，當(dāng)測量溫度值高于上限值 TH或者低于下限值 TL時(shí)，會(huì)置位 DS18B20芯片的告警標(biāo)志位，用以表示溫度超出測量范圍。 圖 DS18B20芯片的內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)圖，它主要由一個(gè)暫存 RAM和一個(gè)非易失性可擦除 EERAM組成。 武昌工學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè) 計(jì)）專用稿紙 6 圖 DS18B20 內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)圖 DS18B20 芯片具有四個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件 ： （ 1）在出廠之前，光刻 ROM中的 64位序列號(hào)已經(jīng)被刻錄好，它可以作為DS18B20 芯片的地址序列號(hào)。光刻 ROM中的 64位序列號(hào)的前 8位（ 28H ）代表產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，中間的 48 位代表 DS18B20 芯片本身的序列號(hào)，后 8位代表前面 56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（ C R C X8 X5 X4 1? ? ? ?）。光刻 ROM的功能是讓每一個(gè)DS18B20 芯片都互不相同，由此可以實(shí)現(xiàn)一根總線上接入多個(gè) DS18B20 芯片。 （ 2） DS18B20 芯片中的溫度傳感器的功能是對溫度進(jìn)行測量。下 面以 12位轉(zhuǎn)化為例進(jìn)行說明：采用 16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式，以 / LSB℃形式表達(dá)，其中 S 代表符號(hào)位。 表 DS18B20 溫度值格式表 bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0 LS Byte 32 2 12 02 12? 22? 32? 42? bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8 MS Byte S S S S S 62 52 42 上表為 12位轉(zhuǎn)化后得到的 12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在 DS18B20 芯片的兩個(gè) 8bits 的RAM中，符號(hào)位由二進(jìn)制中的前面 5位表示，當(dāng)測得的溫度大于 0時(shí)，這 5位為 0，只要將測得的數(shù)值乘于 ；當(dāng)測得的溫度小于 0時(shí)，這 5位為 1，只需將測得的數(shù)值取反后加 1再乘于 。 例如 125? ℃ 的數(shù)字輸出為 07D0H ， ? ℃ 的數(shù)字輸出為 0191H ，? ℃ 的數(shù)字輸出為 FF6FH ， 55? ℃ 的數(shù)字輸出為 FC90H 。 （ 3） DS18B20 溫度傳感器的存儲(chǔ)器 DS18B20 芯片 的溫度傳感器主要由一個(gè)高速暫存 RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的 EEPRAM 組成，高溫度觸發(fā)器 TH和低溫度觸發(fā)器 TL以及結(jié)構(gòu)寄存器存武昌工學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè) 計(jì)）專用稿紙 7 儲(chǔ)在后者之中。 （ 4）配置寄存器 該字節(jié)各位的含義如下： 表 配置寄存器結(jié)構(gòu) TM R1 R0 1 1 1 1 1 該寄存器的低五位均為 1， TM代表測試模式位，設(shè)定 DS18B20 是在工作模式還是在測試模式。出廠時(shí)， DS18B20 芯片的該位被設(shè)置成 0，一般情況下用戶不需要改動(dòng)。 R1和 R0用來設(shè)定分辨率，如下表所示（出廠時(shí)， DS18B20 芯片的該位被設(shè)置成 12位）。 表 溫度值分辨率設(shè)置表 R1 R0 分辨率 溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間 0 0 9位 0 1 10位 1 0 11位 375ms 1 1 12位 750ms DS18B20 與單片機(jī)的連接 DS18B20芯片與單片機(jī)的連接非常簡單，通過將 DS18B20芯片的信號(hào)線與單片機(jī)的一位雙向端口相連便可完成兩者的連接 ，如圖 。需要注意的是，需將 VDD、 DQ、 GND三根線焊接牢固。當(dāng)然也可以只使用兩個(gè)端口，把接收口和發(fā)送口分開，這樣等于分開了讀操作口和寫操作口，可以避免信號(hào)競爭的現(xiàn)象 ,如圖 。在圖 ，采用寄生電源的方式，人為的把 DS18B20芯片的 VDD接口和 GND接口連在一起。當(dāng)出現(xiàn) VDD與 GND脫開現(xiàn)象時(shí)，該芯片將會(huì)只傳輸+℃的溫度值。多數(shù)情況下，測溫電纜線均為屏蔽 4芯雙絞線，其中一對與地線和信號(hào)線連接，另一對與 VDD和地線連接，屏蔽層在源端單點(diǎn)與大地連接。 武昌工學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè) 計(jì)）專用稿紙 8 8 0 5 1P 1 . 0V S SD S 1 8 B 2 0 D S 1 8 B 2 0+ 5 V 圖 DS18B20 與單片機(jī)的接口，三線制方式 8 0 5 1P 1 . 0P 1 . 1D S 1 8 B 2 0 D S 1 8 B 2 0+ 5 VP 1 . 2T XR X