【正文】 的工作原理 ，不僅 讀數(shù)方便 、 結(jié)構(gòu)簡單， 而且 測溫準(zhǔn)確 、 抗干擾 性 強(qiáng)， 適合于在艱難 環(huán)境下現(xiàn)場測 溫。 由于 超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展 ，更由于高科技的不斷創(chuàng)新與改造， 單片微型計算機(jī) 在這種社會背景下應(yīng)運而生了。因為它的加入，許多 產(chǎn)品 走向了 小型化 和 智能化， 不僅改善了產(chǎn)品的質(zhì)量，優(yōu)化了產(chǎn)品的功能，而且 降低了 制作 成本，簡化了 電路 設(shè)計。 溫度 是 各行各業(yè) 最常 見 到的一個物理量 ， 有時候人們總希望溫度不要存在，因為它的改變會造成很大的影響。盡管如此，溫度還是人們生活中不可或缺的一部分，在我們的人生中扮演著無法取代的角色。 生活中，我們有 冷、熱、溫、涼、燙等詞 ，這些都是用來描述 物 質(zhì) 的冷熱程度 的 。 大多時候， 我們都 是使用溫度計 來 直接 測量、 讀取溫度 ，若使 用傳統(tǒng)的熱電偶 或 熱電阻 作為 測溫元件 來 測量溫度 ，不但 需要 復(fù)雜麻煩的硬件支持， 而且 軟件調(diào)試 困難 ，制作成本高 。 因此， 開發(fā) 研究 更加簡潔 方便 、高效 可靠 的 智能型 數(shù)字溫度 計 成為一個很有意義的課題 。 利 用智能溫 度傳感器 DS18B20 檢測環(huán)境溫度 ， 單片機(jī) AT89C51 控制、 執(zhí)行程序 ，并 對溫度傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析 與 處理，轉(zhuǎn)換成環(huán)境對應(yīng)的 實際 溫度值，通過 I/O 口輸出到 LED 數(shù)碼 管 顯示 出來。 溫度計的介紹 7 溫度是生活 與生產(chǎn) 領(lǐng)域 中 最常 接觸 到的物理量 之一 ， 很多 時候我們 都需要對其進(jìn)行準(zhǔn)確的 溫度 檢測 。 由于需求的不同 ， 人們 又制造出了各種不同樣式和功能的測溫儀器 ， 接下來就對幾種常見的 溫度計 做個簡單的介紹 。電阻溫度計的測 溫 范圍 在 260℃ ~600℃ 之間 ， 操作簡單 方便 、直觀 可靠， 已 廣泛應(yīng)用 于各行各業(yè) 。除此之外，它 還具有很高 的 精確度，多用于精密測量 場合 。 它 主要 由毛細(xì)管 、溫包和指示表三部分組成 ，具有 體積小 、 反應(yīng)快、 結(jié)構(gòu)簡單、 靈敏度高、讀數(shù) 方便 等 優(yōu)點，同時也存在 測溫范圍 受 限，熱損 厲害等缺點 。它是 用 鉚在一起 的 銅片和鐵片 組成的 雙金屬片作為感溫元 件 的 ， 通常 被用來測 量 室溫 ，也 用來控制指針。用它來 監(jiān)控 溫度，不僅直觀 可靠 ，而且還可以 有效的 避免 因 外部遠(yuǎn)傳溫度計 所帶來 的誤差。 正是 由于 這種特性 ， 因而 在生活與 工業(yè) 生產(chǎn) 領(lǐng)域被廣泛 使 用。在 許多 測溫領(lǐng)域，溫度傳感器 通常被用來 將溫度信息轉(zhuǎn)換 成對應(yīng)的 電流或電壓 信號， 進(jìn)而完成 溫度的采集和 數(shù)據(jù)處理顯示。專用型是 專為 某 些 特定的 產(chǎn)品而設(shè)計的 ,如洗衣機(jī)。 溫度傳感器 的發(fā)展 傳感器是 能感 應(yīng) 外界信息 ， 并將這些信息按一定 的 規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的裝 8 置 ，簡而言之， 傳感器是 一種能 將外界信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置 ，通常 由信號感受器和信號轉(zhuǎn)換器組成。其中， 應(yīng)用最為廣泛的要數(shù) 溫度傳感器 了 。 1821 年 ， 德國物理學(xué)家賽貝發(fā)明 了能 把 溫度 轉(zhuǎn)變 成電信號的傳感器， 即 后來的熱電偶傳感器。 后來又 相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、聲學(xué)溫度傳感器 、 PN 結(jié)溫度傳感器和紅外 傳感器 等 。 溫度傳感器 是 測量溫度的關(guān)鍵， 現(xiàn)在應(yīng)用最廣的便是 智能集成溫度傳感器。它既 可以直接 對環(huán)境進(jìn)行溫度測量 ，并實時顯示 數(shù)值， 又可以對溫度進(jìn)行預(yù)設(shè)，設(shè)計一個溫度報警電路，方便人們維護(hù)。通過 畢業(yè)課題的 設(shè)計 ，我了解了單片機(jī)的發(fā)展 與 應(yīng)用， 熟悉了 數(shù)字溫度計的工作原理 ，也 鞏固 了大學(xué) 所學(xué)的知識 ，并為大學(xué)生涯畫上了圓滿的句號 。用 美國 MAXIM/DALLAS 半導(dǎo)體公司的支持“一線總線”接口的 單總線 溫度傳感器 DS18B20 為 感溫器件 ， 既簡化了數(shù)字溫度計的設(shè)計， 又 降低了 成本； 用 ATMEL 公司的 AT89C51 單片機(jī) 為 主控器 來 設(shè)計的 智能數(shù)字溫度計不僅 簡單 方便 、 直觀 準(zhǔn)確 ，還 具有一定 的 控制 報警功能。 在三大信息 ： 信息采集、信息傳輸和信息處理中，傳感器 技術(shù)（信息采集）位 于信息技術(shù)的前沿，尤其是溫度傳感器技術(shù)，在國 內(nèi)外 各領(lǐng)域已經(jīng) 受到了 廣泛 的引用 ，而 能夠獨立工作的溫度檢測和 監(jiān)控 系統(tǒng) 也早已 應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。 因此，開發(fā) 研究 更加簡潔 方便 、高效 可靠 的 智能型 數(shù)字溫度 計 成為一個很有意義的課題 。 傳感器部分 1. 方案一 采用 低溫?zé)崤?作為溫度檢測部分的測溫元件，熱電偶的結(jié)構(gòu)很簡單，僅 由 兩個 異金屬導(dǎo)線焊接在一起 就能構(gòu) 成，由單一導(dǎo)體 產(chǎn)生 的溫差電勢 和 兩種金屬 造成的接觸電勢 便組成了電偶的 熱電勢。熱電偶 有著測溫 范圍寬 、 體積小 的特點 ，但也存在著輸出電壓小、漂移較高 、 易受 外界 噪聲 的 影響 等 缺點 ，而 且這種 方案 需要 另加 A/D 轉(zhuǎn)換電路， 給設(shè)計帶來了困難。系統(tǒng)框圖如圖 21所示。由于 熱敏電阻的可靠性差，準(zhǔn)確率低， 測溫范圍小，故 不適用 于 檢測 1℃的信號 。 3. 方案 三 在 溫度檢測 系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的測溫方法是 對溫度進(jìn)行 遠(yuǎn)距離采樣 ，通過 A/D轉(zhuǎn)換 電路將 模擬信號 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。采用輸出信號全數(shù)字化 的 DS18B20 芯片測量溫度，便于單片機(jī) 的 處理 與 控制，省去 了 很多外圍電路。由溫度傳感器 DS18B20與 單片機(jī) AT89C51結(jié)合 構(gòu)成的溫度測量裝置 可以 直接 與計算機(jī)相 連 ， 直接 讀出 溫度的數(shù)值 ， 且由于 51 單片機(jī) 可以 同時 帶多個 DSB1820，因此可以非常容易 的 實現(xiàn)多點 溫度 測量。 DS18B20 的 擴(kuò)展性很 強(qiáng)，可在 電路 中加入時鐘芯片以獲取時間數(shù)據(jù) 并 同時顯示時間， 也可 利用AT89C51 芯片 來實現(xiàn) 對某時間點的溫度數(shù)據(jù) 的 存儲， 還可 利用鍵盤來進(jìn)行 時間的調(diào)整 和溫度 的 查詢。方案二 的 測溫 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ， 算法 繁瑣， 不能多點測量 ，某種 程度上增加了軟件實現(xiàn)的難度。本方案 采 用 DS18B20 溫度芯片，也是順應(yīng) 發(fā)展 趨勢。 主控部分 1. 方案一 采用 PC 機(jī) 控制， 可實現(xiàn)在線編程 、 在線仿真的功能， 不僅方便了調(diào)試， 且體現(xiàn)了 人機(jī)交互友好 的宗旨 。 再加上 PC 機(jī)的體積 較 大，性能不穩(wěn)定 ， 攜帶 與 安裝 都很 不方便， 在一定程度上 給工程帶來 了 很多麻煩！ 2. 方案二 此方案采用 AT89C51 芯片來 實現(xiàn)。另外， 51單片機(jī) 可以 同時 帶多個 DSB1820，非常容易 的 實現(xiàn) 了 多點 溫度 測量 ，并且 AT89C51 在 生活和生產(chǎn)領(lǐng)域中都 有著廣泛的應(yīng)用， 在 編程技術(shù) 和 外圍功能電路的配合使用 上也 很成熟。 并且 PC 機(jī)的 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ， 體積龐大，穩(wěn)定性不強(qiáng) ， 不能在 環(huán)境中 長期工作。 因而，主控部分采用 第二種 方案 。 11 系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)描述 本 設(shè)計 是 以 AT89C51單片機(jī) 為核心設(shè)計 而成 的一種數(shù)字 式 溫度 監(jiān)控 系統(tǒng) 。 軟件部分使用 Kiel 軟件進(jìn)行 匯編 語言程序 的 編寫 與運行 ， 利用 Proteus 軟件進(jìn)行仿真 與 調(diào)試。 圖 22 系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)采用智能溫度傳感器（ DS18B20） 采集 環(huán)境溫度 ， 直接讀取被測溫度值，溫度傳感器 DS18B20 將讀取的 模擬溫度值經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字值 ；單片機(jī)（ AT89C51）執(zhí)行程序 ，并 對溫度傳感器傳輸?shù)?溫度 數(shù)據(jù) 做 進(jìn)一 步的分析 與 處理，轉(zhuǎn)換成環(huán)境對應(yīng)的溫度值， 并 用 6 位共陰 極 LED 數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù)實現(xiàn)溫度的數(shù)字 顯示 ；報警電路對設(shè)定的最高 、 最低溫度進(jìn)行監(jiān)控 比較， 超過限度后通過二極管或 揚聲器 進(jìn)行 報警 提醒 。 圖 23 系統(tǒng)整體設(shè)計電路 圖 AT89C51 單 片 機(jī) LED 顯示 報警系統(tǒng) 時鐘振蕩 單片機(jī)復(fù)位 DS18B20溫度傳感器 12 設(shè)計 電路 包括硬件 和 軟件兩 個 部分，硬件電路包括 AT89C51 單片機(jī) 及其 外圍電路 、 數(shù)據(jù) 的 采集電路 、 溫度 的 顯示電路以及上下限報警電路 等 。 主控制器 本設(shè)計以單片機(jī) AT89C51 為核心，通過 單片機(jī) 來 執(zhí)行程序 ，并 對溫度傳感器傳輸?shù)?溫度 數(shù)據(jù) 做 進(jìn)一步的分析 與 處理， 然后 轉(zhuǎn)換成環(huán)境 所 對應(yīng)的溫度值 。 與溫度傳感器 DS18DS20 的 引腳 DQ 相連，用來輸入 DS18DS20 的轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù) 。蜂鳴器通過 Q1(NPN 管）放大后與引腳 相連，若溫度超出預(yù)設(shè)高溫范圍，則 蜂鳴器發(fā)出聲音 報警 。 溫度傳感器 這里選用的 溫度傳感器 是 采用美國 DALLAS 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 DS18B20。 溫度傳感器將溫度的變化轉(zhuǎn)換成 電壓、電流等 電信號的變化 ， 然后通過 A/D 轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)字信號 再傳 送給 AT89C51 的 處理單元，處理單元 利用芯片 內(nèi)部的軟件 功能 將數(shù)字信號和溫度 關(guān)聯(lián) 起來， 變 成 能夠 顯示的溫度數(shù)值， 最后利用 LED 數(shù)碼管顯示出來 。 由于 DS18B20 的 物理化學(xué)性穩(wěn)定，線 性 較好 ， 在 0~100℃時，最大 線 性 偏差小于 1℃ ，常 用做 產(chǎn) 業(yè)測溫元件。 顯示電路 顯示電路采用 6位共陰 極 LCD 數(shù)碼管， 片選信號 1~6 分別接至 51單片 機(jī)的~ 口， P1口的八個引腳分別對應(yīng)接 LED 數(shù)碼管 的八個引腳， 從而實現(xiàn) 數(shù)字溫度 的動態(tài)顯示。 報警電路 對于數(shù)字溫度計的設(shè)計，除了 實現(xiàn) 溫度的數(shù)字顯示功能外還加入了報警 電路。 本設(shè)計中我們采用二極管和蜂鳴器進(jìn)行報警提醒。通過各 個芯片 的 連接 與綜合控制，實現(xiàn) 了數(shù)字溫度計 的 基本 設(shè)計。 AT89C51 是硬件電路組成的核心器件，所有的器件都要通過它來工作，所以在此先簡單介紹一下。 芯片是 采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn) 的 ， 可以 兼容標(biāo)準(zhǔn) 的 MCS51 指令系統(tǒng)。AT89C51 單片機(jī) 提供 了 許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 引腳排列與說明 AT89C51的 引腳排列 圖 如圖 31 所示。 P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，也是地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口 ,當(dāng)?shù)谝淮?被 寫 “ 1” 時， 默認(rèn) 定義為高阻抗輸入 ； P P2 和 P3 都 是內(nèi)部 自 帶上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口 ，當(dāng) 他們?nèi)?寫 “ 1” 后， 其管腳都 被內(nèi)部上拉為高， 均 可用作輸入 ；在訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù) ， P3 口除了作為一 般的 I/O 口線外，還可以作 為 控制端口 ，具體一些特殊的功能，例如： ， 外部中斷 0/1， ， 儲器“寫” /“讀”選通控制輸出 。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)； 15 /PSEN： 程序儲存允許輸出 ,是外部程序存儲器的讀選通信號； /EA/Vpp： 外部訪問允許使能端； XTAL1：反相振蕩放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端； XTAL2：反相振蕩放大器的輸出端。 用這個數(shù)字式 溫度傳感器 DS18B20 為 感溫器件 ， 既支持了“ 一線總線”的數(shù)字方式傳輸 ， 簡化了數(shù)字溫度計的設(shè)計， 又 降低了成本 ，加強(qiáng) 了系統(tǒng)的抗干擾性 ， 適合于 在艱難的 環(huán)境中進(jìn)行 現(xiàn)場溫度測量 ?！妗? DS18B20 的引腳排列 DS18B20 的外形 與 三極管 類似 ，如圖 32 所示 。 由于 DS18B20 可以設(shè)置成數(shù)據(jù)總線供電方式 ，也可設(shè)置成 外部供電方式 ， 若 采用數(shù)據(jù)總線供電方式 ，則 VDD需 接地 ，此時 DS18B20 工作于寄生電源 。 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 16 DS18B20 的內(nèi)部包含了四個部分，即 64位 光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL及配置寄存器。 表 31 64位 ROM 標(biāo)識 8位循環(huán)冗余檢驗 48位序列號 8位分類標(biāo)號 MSB LSB MSB LSB MSB LSB 前 8位 代表 產(chǎn)品 的 分類 編號， 中間 48 位是該 DS18B20 本 身的序列號， 末尾的 8 位 是表示前 56 位的 CRC 循