DS18B20數字溫度傳感器技術分析

史寶玲

（鄭州日產汽車有限公司，河南 鄭州 451450）

引言：溫度是生活及生產中最基本的物理量，它表征的是物體的冷熱程度。自然界中任何物理、化學過程都緊密地與溫度相聯系。在很多生產過程中，溫度的測量直接和安全生產、提高生產效率、保證產品質量、節約能源等重大技術經濟指標相聯系。因此，溫度的測量在國民經濟各個領域中均受到了相當程度的重視。近年來，溫度的檢測在理論上發展比較成熟，但在實際測量中，如何保證快速實時地進行采樣，確保數據的正確傳輸，仍然是目前需要解決的問題。

在溫度的測量技術中，接觸式測溫發展較早，這種測量方法的優點是：簡單、可靠、低廉，測量精度較高，一般能夠測得真實溫度;但由于檢測元件熱慣性的影響，響應時間較長，對熱容量小的物體難以實現精確的測量，并且該方法不適宜于對腐蝕性介質測溫，不能用于極高溫測量，難于測量運動物體的溫度。非接觸式測溫是通過對輻射能量的檢測來實現溫度測量的方法，其優點是：不破壞被測溫場，可以測量熱容量小的物體，適于測量運動溫度，還可以測量區域的溫度分布，響應速度較快。但也存在測量誤差較大，儀表指示值一般僅代表表觀溫度，結構復雜，價格昂貴等缺點。因此，在實際的測量中，要根據具體的測量對象選擇合適的測量方法，在滿足測量精度要求的前提下盡量減少人力和物力的投入。

1 溫度測量系統的功能要求

溫度測量系統主要分為兩大部分：現場溫度測量儀表和上位機程序。現場溫度測量儀表主要用于建立標準的高精度溫度場，并在溫度傳感器將溫度轉換為數字信號后將現場溫度信號傳送到上位機。上位機程序負責接受下位機的數據并以作出相應的處理動作或供人工查詢操作。

1.1 現場溫度控制儀表

(1)溫度的測量和顯示功能：對于工作現場的溫度的實時測量，顯示實際的測量溫度以及目標控制溫度的值；(2)工作參數的設定功能：溫度測量現場儀表的工作參數可以重新設定，方便根據實際的工作環境選擇最佳的工作參數；(3)遠程通信功能：現場溫度測量儀表可以把測得的溫度的值、工作參數傳送給上位機。

1.2 上位機程序：

(1)串口通信功能：從 PC機串口讀取現場儀表傳送上來的各項數據；(2)界面顯示：顯示每臺表的工作狀態以及每臺表所測量得到的溫度值；(3)歷史數據的保存：把下位機傳送上來的數據按年、月、日保存在 PC機中可以供以后調檔查看；(4)打印功能：可以打印歷史數據，溫度曲線。

2 溫度測量系統的主要性能指標

輸入種類：DS18B20數字輸入；輸入點數：1個；溫度控制范圍：-55℃～125℃；測量誤差：<±0.5℃；顯示：LED 顯示；通信接口：RS485

3 系統概述

欲對溫度進行實時測量和監控,必須要有一個現場測量,顯示,現場修改參數,并將測量結果直接傳回上位機的完整系統.DS18B20數字溫度傳感器,9位數字量表示溫度值,分辨率0.5℃,且能在1秒內完成被測溫度的數值轉換.它的溫度報警限設定值TH和TL存放在非易失性存儲器中,掉電后不會丟失,并可自由設定,因此對于隨時調整現場溫度監控監控報警標準提供了很大的便利.因此,由溫度傳感器,單片機,上位機構成了一個閉環系統,可隨時監控現場溫度并調整監控狀態。

數字傳感器采用美國DALLAS公司生產的DS18B20數字溫度傳感器，用于檢測環境溫度,并將溫度直接轉換為數字信號。控制部分采用ATmega8單片機作為核心部件。采集到的溫度通過LED顯示輸出。現場可采用鍵盤對系統進行簡單的操作，便于適應工業現場的多變需求。通過RS485通訊模塊，將采集到的信息傳送給上位機，便于上位機處理現場信號，并發送指令給溫度測量裝置。

4 系統硬件設計

4.1 單片機概述

單片機誕生于 20世紀70年代，象Fairchid公司研制的F8單片微型計算機。所謂單片機是利用大規模集成電路技術把中央處理單元((Center Processing Unit,也即常稱的CPU)和數據存儲器(RAM)、程序存儲器(RAM)及其他I/O通信口集成在一塊芯片上，構成一個最小的計算機系統，而現代的單片機則加上了中斷單元，定時單元及A/D轉換等更復雜、更完善的電路，使得單片機的功能越來越強大，應用更廣泛。

4.2 ATmega8單片機

ATmega8是ATMEL公司在2002年推出的一款新型的AVR高檔單片機，其芯片內部集成了較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路，具備AVR高檔單片機MEGE系列的全部性能和特點。由于采用了小引腳封裝(為DIP28和TQFP/MLF32)，價格僅和低檔單片機相當，再加上AVR單片機的系統內在可編程特性，使得無需購買昂貴的仿真器，只需要一條編程下載線就可以進行單片機嵌入式系統的設計和開發，這尤其適合非專業的研究人員掌握應用于系統的設計與開發。

ATmega8是一款采用低功耗CMOS工藝生產的基于AVR RIS側精簡指令集)結構的8bit單片機。AV R單片機的核心是將32個工作寄存器和豐富的指令集連接在一起，所有的工作寄存器都與ALU(算術邏輯單元)直接相連，實現了在一個時鐘周期內執行的一條指令同時訪問(讀/寫)2個獨立寄存器的操作。這種結構提高了代碼效率，使得大部分指令的執行時間僅為一個時鐘周期。因此，ATmega8可以達到將近1 MIPS/MHz的性能，運行速度比普通的單片機高出10倍。

結語

ATmega8的主要性能特點如下：(1)高性能、低功耗：8bit AVR微控制器，先進的RISC精簡指令集結構，130條功能強大的指令，大多數為單周期指令，32個8B的通用工作寄存器，工作在16MHz時具有16MIPS的性能；片內集成了較大容量的非易失性程序和數據存儲器。8 kB的Flash程序存儲器，可擦寫次數大于10,000次;512B的E2PRROM擦寫次數至少100,000次;支持可在線編程((ISP)和可應用自編程((IAP):可編程的程序加密位；(2)豐富強大的外部接口性能：3個PWM通道，可實現任意lbb以內的、相位和頻率可調的PWM脈寬調制輸出;6通道A/D轉換;一個12C的串行接口，一個可編程的USART接口;一個支持主/從、收/發的SPI同步串行接口;2個帶預分頻的8b定時/計數器，1個帶預分頻的16b定時/計數器;帶片內RC振蕩器的可編程看門狗定時器。正是由于這些特性才實現了系統中的溫濕度檢測、紅外學習遙控等功能；(3)特殊的微控制器性能：可控制的上電復位延時電路和可編程的欠電壓檢測電路:內部和外部共18個中斷源:5種休眠模式 (空閑，ADC噪聲抑制，省電，掉電，待命)。

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