【導(dǎo)讀】度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。在生產(chǎn)過程中，為。了高效地進行生產(chǎn)，必須對它的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量等進行有效的控制。的測溫元件有熱電偶和二電阻。而熱電偶和熱電阻測出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的。溫度，這些方法相對比較復(fù)雜，需要比較多的外部硬件支持。溫度范圍為-55~125ºC,最高分辨率可達ºC。DS18B20可以直接讀出溫。正文著重給出了軟硬件系統(tǒng)的各部分電路，介紹了集成溫度傳感器。DS18B20的原理，AT89C51單片機功能和應(yīng)用，該電路設(shè)計新穎、功能強大、結(jié)構(gòu)簡單。

　　

【正文】 主控制器 單片機 AT89C2051 具有低電壓供電和小體積等特點，兩個端口剛好滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計需要，很合適攜手特式產(chǎn)品的使用。主機控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：初始化、 ROM 操作指令、存儲器操作指令。必須先啟動 DS18B20 開始轉(zhuǎn)換，再讀出溫度轉(zhuǎn)換值。 溫度檢測和報警電路 DS18B20 最大的特點是單總線數(shù)據(jù)傳輸方式， DS18B20 的數(shù)據(jù) I/O 均由同一條線來完成。 DS18B20 的電源供電方式有 2 種 : 外部 供電方式和寄生電源方式。工作于寄生電源方式時 , VDD 和 GND 均接地 , 他在需要遠程溫度探測和空間受限的場合特別有用 , 原理是當(dāng) 1 W ire 總線的信號線 DQ 為高電平時 , 竊取信號能量給 DS18B20 供電 , 同時一部分能量給內(nèi)部電容充電 , 當(dāng) DQ 為低電平時釋放能量為 DS18B20 供電。但寄生電源方式需要強上拉電路 , 軟件控制變得復(fù)雜 (特別是在完成溫度轉(zhuǎn)換和拷貝數(shù)據(jù)到 E2PROM 時 ) , 同時芯片的性能也有所降低。因此 , 在條件允許的場合 , 盡量采用外供電方式。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電， I/O 口線要接 5KΩ 左右的上拉電。在這里采用前者方式供電。DS18B20 與芯片連接電路如圖 35 所示： 圖 35DS18B20與單片機的連接 外部電源供電方式是 DS18B20 最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，而且電路也比較簡單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)。站長推薦大家在開發(fā)中使用外部電源供電方式，畢竟比寄生電源方式只多接一根 VCC 引線。在外接電源方式下，可以充分發(fā)揮 DS18B20 寬電源電壓范圍的優(yōu)點，即使電源電壓 VCC 降到 3V 時，依然能夠保證溫度量精度。 由于 DS18B20 只有 一根數(shù)據(jù)線，因此它和主機（單片機）通信是需要串行通信，而AT89S51 有兩個串行端口，所以可以不用軟件來模擬實現(xiàn)。經(jīng)過單線接口訪問 DC18B20 必須遵循如下協(xié)議：初始化、 ROM 操作命令、存儲器操作命令和控制操作。要使傳感器工作，一切處理均嚴格按照時序。 主機發(fā)送（ Tx） 復(fù)位脈沖（最短為 480μs 的低電平信號）。接著主機便釋放此線并趙賜明：基于單片機的數(shù)字溫度計的設(shè)計與實現(xiàn) 18 進入接收方式（ Rx）。總線經(jīng)過 的上拉電阻被拉至高電平狀態(tài)。在檢測到 I/O 引腳上的上升沿之后， DS18B20 等待 15～ 60μs,并且接著發(fā)送脈沖（ 60～ 240μs 的低電平信號）。然后以存在復(fù)位脈沖表示 DS18B20 已經(jīng)準(zhǔn)備好發(fā)送或接收，然后給出正確的 ROM 命令和存儲操作命令的數(shù)據(jù)。 DS18B20 通過使用時間片來讀出和寫入數(shù)據(jù)，時間片用于處理數(shù)據(jù)位和進行何種指定操作的命令。它有寫時間片和讀時間片兩種： 寫時間片：當(dāng)主機把數(shù)據(jù)線從邏輯高電平拉至邏輯低電平時，產(chǎn)生寫時間片。有兩種類型的寫時間片：寫 1 時間片和寫 0 時間片。所有時間片必須有 60 微秒的持續(xù)期，在各寫周期之間必須有最短為 1 微秒的恢復(fù)時間 . 讀時間片：從 DS18B20 讀數(shù)據(jù)時，使用讀時間片。當(dāng)主機 把數(shù)據(jù)線從邏輯高電平拉至邏輯低電平時產(chǎn)生讀時間片。數(shù)據(jù)線在邏輯低電平必須保持至少 1 微秒；來自 DS18B20 的輸出數(shù)據(jù)在時間下降沿之后的 15 微秒內(nèi)有效。為了讀出從讀時間片開始算起 15 微秒的狀態(tài)，主機必須停止把引腳驅(qū)動拉至低電平。在時間片結(jié)束時， I/O 引腳經(jīng)過外部的上 _鱯 __9L_€%拉電阻拉回高電平，所有讀時間片的最短持續(xù)期為 60 微秒，包括兩個讀周期間至少 1μs 的恢復(fù)時間。 一旦主機檢測到 DS18B20 的存在，它便可以發(fā)送一個器件 ROM 操作命令。所有 ROM 操作命令均為 8 位長。 所有的串行通訊 ，讀寫每一個 bit 位數(shù)據(jù)都必須嚴格遵守器件的時序邏輯來編程，同時還必須遵守總線命令序列，對單總線的 DS18B20 芯片來說，訪問每個器件都要遵守下列命令序列：首先是初始化；其次執(zhí)行 ROM 命令；最后就是執(zhí)行功能命令 (ROM 命令和功能命令后面以表格形式給出 )。如果出現(xiàn)序列混亂，則單總線器件不會響應(yīng)主機。當(dāng)然，搜索 ROM 命令和報警搜索命令，在執(zhí)行兩者中任何一條命令之后，要返回初始化。 基于單總線上的所有傳輸過程都是以初始化開始的，初始化過程由主機發(fā)出的復(fù)位脈沖和從機響應(yīng)的應(yīng)答脈沖組成。應(yīng)答脈沖使主機知道，總 線上有從機，且準(zhǔn)備就緒。 在主機檢測到應(yīng)答脈沖后 +，就可以發(fā)出 ROM 命令。這些命令與各個從機設(shè)備的唯一 64 位 ROM 代碼相關(guān)。在主機發(fā)出 ROM 命令，以訪問某個指定的 DS18B20，接著就可以發(fā)出 DS18B20 支持的某個功能命令。這些命令允許主機寫入或讀出 DS18B20 便箋式RAM、啟動溫度轉(zhuǎn)換。軟件實現(xiàn) DS18B20 的工作嚴格遵守單總線協(xié)議： (1)主機首先發(fā)出一個復(fù)位脈沖，信號線上的 DS18B20 器件被復(fù)位。 (2)接著主機發(fā)送 ROM 命令，程序開始讀取單個在線的芯片 ROM 編碼并保存在單片機數(shù)據(jù)存儲器 中，把用到的 DS18B20 的 ROM 編碼離線讀出，最后用一個二維數(shù)組保存ROM 編碼，數(shù)據(jù)保存在 X25043 中。 (3)系統(tǒng)工作時，把讀取了編碼的 DS18B20 掛在總線上。發(fā)溫度轉(zhuǎn)換命令，再總線復(fù)位。 (4)然后就可以從剛才的二維數(shù)組匹配在線的溫度傳感器，隨后發(fā)溫度讀取命令就可以獲得對應(yīng)的度值了。 溫度報警電路 本設(shè)計采軟件處理報警，利用有源蜂鳴器進行報警輸出，采用直流供電。當(dāng)所測溫度超過獲低于所預(yù)設(shè)的溫度時，數(shù)據(jù)口相應(yīng)拉高電平，報警輸出。（也可采用發(fā)光二級管報警電路，如過需要報警，則只需將相應(yīng)位置 1，當(dāng)參數(shù)判斷完畢后，再看報警模型單元ALARM 的內(nèi)容是否與預(yù)設(shè)一樣，如不一樣，則發(fā)光報警）報警電路硬件連接見圖 36。 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 19 圖 36蜂鳴器電路連接圖 DS18B20 溫度傳感器與單片機的接口電路 DS18B20 可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時 DS18B20 的 1 腳接地， 2 腳作為信號線， 3 腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖 37 所示單片機端口接單線總線，為保證在有效的 DS18B20 時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個MOSFET 管來完成對總線的上拉。 當(dāng) DS18B20 處于寫 存儲器操作和溫度 A/D 轉(zhuǎn)換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為 10us，同時溫度顯示的修正值是 177。℃ 。采用寄生電源供電方式時 VDD端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。 圖 37DS18B20 與單片機的接口電路 趙賜明：基于單片機的數(shù)字溫度計的設(shè)計與實現(xiàn) 20 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 各模塊的程序設(shè)計 系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，溫度轉(zhuǎn)換命令子程序，計算溫度子程序，顯示數(shù)據(jù)刷新子程序和按鍵掃描處理子程序等。 主程序流程圖 主程序的主要功能是負責(zé)溫度的實時顯示 、讀出并處理 DS18B20 的測量的當(dāng)前溫度值，溫度測量每 1s 進行一次。這樣可以在一秒之內(nèi)測量一次被測溫度，其程序流程見圖 41 所示。 圖 41 主程序流程圖 讀出溫度子程序 讀 出溫度子程序的主要功能是讀出 RAM 中的 9 字節(jié)，在讀出時需進行 CRC 校驗，校驗有錯時不進行溫度數(shù)據(jù)的改寫。其程序流程圖如圖 42 示： 讀取溫度 初始化 讀出溫度值溫度計算出來顯示數(shù)據(jù)刷新 發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令 調(diào)用顯示子程序 K1 健按下否？ 設(shè)置報警溫度 調(diào)用報警子程序 NN Y 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 21 圖 42 讀出溫度子程序流 程圖 3．溫度轉(zhuǎn)換命令子程序 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令，當(dāng)采用 12 位分辨率時轉(zhuǎn)換時間約為 750ms，在本程序設(shè)計中采用 1s 顯示程序延時法等待轉(zhuǎn)換的完成。溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程圖如圖 43 所示 。 發(fā) DS18B20 復(fù)位命令 讀取操作， CRC 校檢 發(fā)讀取溫度命令 CRC校驗證 結(jié)束 移入溫度暫存器 Y N N Y Y 9 字節(jié)完 趙賜明：基于單片機的數(shù)字溫度計的設(shè)計與實現(xiàn) 22 圖 43 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程圖 計算溫度子程序 計算溫度子程序?qū)?RAM 中讀取值進行 BCD 碼的轉(zhuǎn)換運算，并進行溫度值正負的判定，其程序流程圖如圖 44 所示。 圖 44 計算溫度子程序流程圖 開始 溫度零下？ 溫度值去補碼置“ 1”標(biāo)志 置“ 0”標(biāo)志位 計算小數(shù)位溫度 BCD值 計算整數(shù)位溫度 BCD值 結(jié)束 N Y 發(fā) DS18B20 復(fù)位命令 結(jié)束 發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 23 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序主要是對分離后的溫度顯示數(shù)據(jù)進行刷新操作，當(dāng)標(biāo)志位位為 1時將符號顯示位移入第一位。程序流程圖如圖 45 所示。 圖 45 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序流程圖 報警子程序 設(shè)置報警標(biāo)志位位 beep,當(dāng)溫度大于設(shè)置的高限報警值或低于設(shè)置的低限報警值是，beep=1 報警；當(dāng)溫度值在正常范圍內(nèi)時， beep= 46 所示： 溫度數(shù)據(jù)移入顯示寄存器 分離顯示溫度 標(biāo)志位為 1？ 最高位顯示“ _” 結(jié)束 最高溫顯示分離出的數(shù)據(jù) N Y 趙賜明：基于單片機的數(shù)字溫度計的設(shè)計與實現(xiàn) 24 圖 46 報警流程圖 按鍵掃描處理子程序 按鍵采用掃描查詢方式，設(shè)置標(biāo)志位，當(dāng)標(biāo)志位為 1 時，顯示設(shè)置溫度，否則顯示當(dāng)前溫度。如下圖 47 所示。 圖 47 按鍵掃描子程序流程圖 K1 鍵按下 調(diào)用顯示子程序 報警溫度減 1 報警溫度加 1 K2 鍵是否按下？ K3 鍵是否按下？ 顯示切換標(biāo)志位是否 0 N N N Y Y Y 讀取測量溫度值 溫度值大于 120 或小于 20？ BEEP=1，報警 BEEP=0 N Y 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 25 Protues 測溫仿真 通過仿真軟件驗證該原理圖的可行性。 采用 protues 軟 件對電路仿真，可以得到預(yù)期效果。仿真圖如圖 48 示。溫度傳感器的仿真效果圖如圖 49 所示，此圖驗證了傳感器的溫度與數(shù)碼管顯示的數(shù)字一致。 STC89C52 與 AT89C52 都屬于 51 系列的單片機，他們是兼容的，所以 Protues 中沒有 STC89C52 芯片，就由 AT89C52 替芯片 代替 。 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 / R D17P 3 . 6 / W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 / A 821P 2 .1 / A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C5 1C13 0 PC23 0 PX11 2 MC31 0 u FR 1 41 0 kR4R2R3R5R14 7 0 X 8R6R7R83 4 . 0DQ2V C C3G ND1U3DS 1 8 B 2 0L S 1S O UN D E RR 1 32KD1L E DR9 4 .7 kR 1 0 4 .7 kR 1