基于DS18B20的數字溫度計設計與實現

陳曉雷

摘 要：傳統溫度傳感器系統多采用放大、調理、A/D轉換等形式將溫度信號轉換成數字信號傳遞至計算機進行處理，不僅處理電路復雜，占用計算機資源多，而且無法保證其可靠性。DS18B20不僅電路簡單，而且成本低，并且具有較好的擴展性，便于組網及多點測量。該研究探討一種基于DS18B20的數字溫度計。

關鍵詞：DS18B20 數字溫度計 設計

中圖分類號：TH811 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（b）-0117-02

1 DS18B20的特點及性能

傳統的溫度測量系統通常采用熱電偶或熱電阻測量溫度，而熱電阻必須在一個良好的恒流源中才能保證溫度測量的準確性；而熱電偶發送的信號為模擬信號，必須經過A/D轉換才能將其發送至CPU進行相應處理，且熱電偶信號僅有十幾個mA，由于過于微弱在A/D轉換之前需要進行增益放大，因此應用熱電偶或熱電阻構成的溫度測量系統比較復雜。DS18B20是一種單線數字溫度傳感器芯片，由美國Dallas公司生產，與傳統的溫度傳感器不同，DS18B20可將測得的溫度信號直接轉換為可供單片機處理的串行數字信號，因此可獲得更高的工作效率。通過編程，可通過DS18B20實現9～12位的溫度讀數，其溫度測量范圍在-55 ℃～+125 ℃，其中- 10 ℃～+ 85 ℃其測溫準確度誤差可控制在0.5 ℃。相比其他溫度測量元件，DS18B20的小體積、低功耗、強大的抗干擾能力、易連接微處理器等優勢十分突出，其測量溫度時無需其他硬件，僅需一根I/O口線即可實現與單片機的信息交換，其工作電源既可遠端引入，也可采用寄生電源的方式而無需額外電源，可通過數據總線向其提供讀寫及溫度轉換功率等，大大簡化了電路設計。此外，每片DS18B20均設置對應的產品序列號，該序列號存放于其內部ROM中，由于DS18B20的序列號具有唯一性，單片機在識別序列號時通過簡單的協議即可實現，正是其這一特點使得多個DS18B20可掛接于同一條單線總線，不僅占據較少微處理器的端口，而且可減少引線及邏輯電路的應用，在多點溫度測控系統的應用中具有較大優勢。

2 DS18B20溫度測量原理

達拉斯公司將其特有的溫度測量技術融入到DS18B20中，其內部具有低溫度系數振蕩器及高溫度系數振蕩器，應用過程中該低溫振蕩器可產生頻率信號f0，而被測溫度會將高溫度系數振蕩器轉換成頻率信號f，DS18B20計數門的開通時間由高溫系數振蕩器來決定，計數門打開時DS18B20對f0計數；測溫過程中頻率會存在非線性，DS18B20內部設置為斜率累加器用于補償頻率的非線性。DS18B20測溫完畢后將測量結果暫存于溫度寄存器，單片機可直接讀取測量結果。DS18B20完成溫度變換后溫度值會與告警觸發值進行比較，告警觸發值存儲于TH與TL內。如實際測量過程中溫度高于TH或低于TL，則器件內告警標志將置位，每測量一次溫度此標志就會更新。當告警標志置位時DS18B20會響應告警搜索命令，故單線上多個DS18B20均可同時測量溫度，如果某處溫度越限，正在告警的器件也會被準確識別出來。

3 基于DS18B20數字溫度計的設計與實現

3.1 硬件電路設計

該研究提出基于一種基于DS18B20的數字溫度計，采用ATMEL公司推出的單片機AT89C2051作為控制器，其屬于小型單片機，其體積小且低壓供電，故成本較低，該溫度計應用兩節電池作為電源。

該系統中采用DS18B20作為溫度傳感器，其不僅可將溫度信號直接轉換為單片機可識別的串行數字信號，且經過編程后，還可實現9～12位的溫度讀數。應用一條信號經及地線即可實現DS18B20與單片機的可靠連接，為保證數字溫度系統運行的可靠性，該研究以兩節電池作為外接電源，這種情況下DS18B20第1腳接地，第2腳為信號線，第3腳直接連接電源。系統中還需要一個上拉電阻，由于DS18B20在寫存儲器操作狀態及溫度A/I轉換操作狀態時需要開啟500 ms的上拉，上拉電阻則是為滿足這一要求所設。采用4位一體的共陽LED數碼管作為顯示電路，段碼由P1口輸出，P3.0～P3.3口實現列掃描，采用8550三極管實現列驅動，溫度顯示由LED數碼管以動態掃描的方法顯示出來。

3.2 軟件設計

該系統程序包括主程序、讀出溫度子程序、溫度轉換命令子程序、計算溫度子程序、顯示數據刷新子程序等多個模塊。其中DS18B20測量的溫度值主要通過主程序實現實時的顯示、讀取及處理，每1 s進行1次溫度測量。讀出溫度模塊的主要作用是讀出RAM中的9字節，讀出時需進行CRC校驗，如發現錯誤則不得改寫溫度數據。溫度轉換命令模塊的主要作用是發送溫度轉換開始命令，如采用12位分辨率，則轉換時間在750 ms左右。該系統中采用1 s顯示程序延時法等待轉換完成。計算溫度模塊的主要作用是將RAM中讀取值進行BCD碼的轉換運算，并判斷溫度值的正負情況。

3.3 系統調試

系統調試需要針對硬件、軟件兩大部分進行分別調試，其中硬件調試要仔細檢查電路焊接質量，再用萬能表測試，或進行通電檢測。軟件調試則先將顯示程序編寫完成，再用硬件對程序編寫的正確性進行檢驗，檢查各顯示模塊是否正常，再逐一調試各程序模塊。設計過程中需要注意，DS18B20是通過串行數據實現向單片機的數據傳送，因此DS18B20的讀/寫編程要嚴格按照讀/寫時序進行，以免無法準確讀取測量結果。軟件調試可正確顯示當前溫度值，且當用手接觸溫度傳感器時溫度發生變化后，則溫度顯示也會隨之改變，證明系統設計基本可滿足設計要求。

4 結語

總之，傳統的多路溫度測量系統多采用公用的放大電路及A/D轉換電路，如需要測量多路溫度則只能逐一轉換，不僅電路復雜且工作效率低下。而基于DS18B20的多點溫度測量系統可實現多點溫度的同步轉換，大大提高了溫度的測量效率，由此可見，DS18B20具有接口電路簡單可靠的優勢，其在溫度檢測領域的應用前景十分廣闊。

參考文獻

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