電子溫度計電路分析與設(shè)計

摘要：本設(shè)計介紹了DS18B20數(shù)字溫度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作過程，提出了基于DS18B20和AT89C51的數(shù)字溫度計設(shè)計方案，并提出了基于51單片機和DS18B20數(shù)字溫度傳感器的溫度測量方法，包括溫度傳感器芯片的選擇，微控制器與溫度傳感器之間的接口電路設(shè)計以及溫度信息收集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖O(shè)計。 該數(shù)字溫度計的溫度測量范圍為-50至+110°C，精度誤差在0.1°C以內(nèi)，具有很高的溫度測量精度和出色的控制性能。電子溫度計適合一般使用，也可用于冷熱警報，遠程多點溫度測量控制等。

關(guān)鍵詞：數(shù)字溫度計;單片機;溫度傳感器

前言

傳統(tǒng)的溫度測量系統(tǒng)通常使用熱電偶或鉑電阻進行溫度測量。這些電路有一些問題需要解決。為了執(zhí)行準確的溫度測量，鉑電阻器必須提供合適的恒流源。來自熱電偶的信號是模擬信號，必須發(fā)送到CPU。首先執(zhí)行A / D轉(zhuǎn)換，然后發(fā)送到CPU進行處理。另外，熱電偶信號非常弱，只有12 mA，因此通常需要在A / D轉(zhuǎn)換之前執(zhí)行增益放大。因此，使用熱電偶和鉑熱電阻進行溫度測量需要大量考慮，并且配置的系統(tǒng)更加復(fù)雜。 DALLAS發(fā)布的DS18B20數(shù)字溫度傳感器很好地解決了這些問題。 DS18B20使用單線接口，該接口僅在微型計算機上占用一個I / O端口，其外圍電路也非常簡單。 DS18B20測量溫度信號。 DS18B20可以轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出，無需信號放大或A / D轉(zhuǎn)換即可直接連接至單片機，使其用作溫度采集的溫度傳感器，大大簡化了電路設(shè)計。

一、設(shè)計的目的及意義

設(shè)計目標：整個系統(tǒng)基于微波AT89C51，與數(shù)字溫度傳感器DS18B20，數(shù)字電子管顯示器等結(jié)合以實現(xiàn)溫度顯示。

單芯片應(yīng)用系統(tǒng)具有體積小，功耗低，功能強大，性價比高，易于開發(fā)和推廣等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于自動控制、儀器儀表和家用電器領(lǐng)域。

二、設(shè)計方案論證

解決方案1：實施熱電偶需要更多的外部硬件支持，復(fù)雜的電路，復(fù)雜的軟件調(diào)試和較高的制造成本。 為此，需要進行溫度補償，并且難以滿足精度要求。

解決方案2：使用智能傳感器DS18B20作為檢測元件，溫度范圍為-55°C至125°C，最大分辨率為0.0625°C。DS18B20可以直接讀取測得的溫度值。 此外，由于它是通過3線系統(tǒng)連接到單芯片微波的，因此外部硬件電路很少，而且成本低廉且易于使用。 作為顯示設(shè)備，LED數(shù)字管用于通過89C51構(gòu)建最小的系統(tǒng)。

總結(jié)一下，權(quán)衡不同方面的優(yōu)點和缺點，選擇使用方案2。

三、電子溫度計電路分析

（一）總體設(shè)計

該系統(tǒng)基于AT89C51芯片，該芯片檢測DS18B20是否正常工作，將內(nèi)部數(shù)字溫度讀取到單片機，并通過相應(yīng)的數(shù)字管顯示出來。 如果溫度超過設(shè)定溫度，將使用蜂鳴器警告提醒，其外圍電路包括復(fù)位電路和晶體振蕩器電路。

（二）元件電路分析

該電路的功能是完成具有上電復(fù)位和按鈕復(fù)位功能的單芯片計算機的復(fù)位。單片機千分尺千分尺復(fù)位是一種單片機初始化，可恢復(fù)程序執(zhí)行。即，它將微控制器的PC寄存器初始化為0000H。正常初始化是指程序的正常初始化，但是如果系統(tǒng)由于程序錯誤或操作錯誤而死鎖，請按“重設(shè)”按鈕以重新啟動系統(tǒng)并解決難題。這是一種責(zé)任。有自動重置和手動重置方法。該設(shè)計采用上電復(fù)位模式進行自動復(fù)位。晶體單位為12MHz。

AT89C51具有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入和輸出。放大器和片外晶體或陶瓷諧振器用作反饋組件，以形成自激振蕩器。

外部晶體振蕩器（或陶瓷諧振器）以及電容器C1和C2連接到放大器的反饋環(huán)路，以形成并聯(lián)振蕩電路。對于外部電容器C1和C2沒有嚴格的要求，但是電容器容量的大小對振蕩頻率，振蕩器穩(wěn)定性，開始振蕩的難度和溫度穩(wěn)定性幾乎沒有影響。使用晶體振蕩器時的推薦電容器為30pF±10pF，而使用陶瓷諧振器時的推薦電容器為40pF±10F。用戶還可以使用外部時鐘。圖3-1顯示了使用外部時鐘的電路。在這種情況下，外部時鐘脈沖連接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端子XTAL1，而XTAL2保持懸空。報警電路設(shè)置的原理是電子溫度計的極限范圍是0到100度。如果超出此范圍，則應(yīng)發(fā)出警報。 PNP晶體管9015用于驅(qū)動蜂鳴器并在開/關(guān)狀態(tài)下工作。原理圖如圖3-2所示。

電源單元的功能是保持單片機千分尺穩(wěn)定運行，每個順序都必須嚴格，對電源的要求也更高。我們建議使用開關(guān)電源。這是自制電源。變壓器將輸出電壓從高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓，并且輸出電壓值為正弦曲線圖。橋完全整流后，橋堆的輸出電壓呈波狀。即，正弦波的負半周期變?yōu)檎胫芷凇?C1整流后，C1充電，從而產(chǎn)生衰減波形。 7805是恒定輸出調(diào)節(jié)器模塊。 5V，C3和C2電壓可以消除雜散波的共同頻率。 7805的輸出端不能高于輸入端，因此添加二極管保護7805。原理圖如圖3-3所示。

數(shù)據(jù)顯示電路的功能是顯示傳感器檢測到的溫度數(shù)據(jù)。 由于必須以0.1°C的分辨率顯示0°C至100°C，因此該部件至少具有四個數(shù)字管來顯示這些值。 單芯片計算機的資源有限，此處僅提供動態(tài)掃描。 通過這種連接方法，微控制器千分尺使用的端口線是端口P0，必須將其拔出作為輸出端口，電阻為10K，數(shù)字管使用共用陽極管。

四、電子溫度計系統(tǒng)設(shè)計

軟件部分主要是：（1） 溫度的采集;（2） 溫度數(shù)據(jù)的處理（3） 數(shù)值的顯示。

（一）溫度的采集

設(shè)計的這一部分主要考慮DS18B20的工作過程和時序。

ROM操作命令存儲器操作命令處理數(shù)據(jù)的初始化

（1）初始化

單個總線上的所有內(nèi)容均始于初始化

（2）ROM操作產(chǎn)品訂購

總線主機可以檢測到DS1820的存在并發(fā)出ROM操作命令之一。

（3）內(nèi)存操作命令

（4） ?時 序

主機使用時間隙（time slots）來讀寫DSl8B20的數(shù)據(jù)位和寫命令字的位

a）.初始化

時序如下圖4-1所示，主機總線發(fā)送一個復(fù)位脈沖（最短的480us低電平信號），釋放總線進入接收狀態(tài)。 DS18B20在檢測到總線的上升沿后等待15-60us，然后DS18B20發(fā)送一個應(yīng)答脈沖（低電平持續(xù)60-240 us）。

b）.寫時間隙

當主機總線從高電平拉低到低電平時，存在寫時間間隔。 從開始算起的15us內(nèi)，要寫入的位被發(fā)送到總線上的DS18B20。 公交車的采樣時間為15-60us。 低電平寫入的位在下面的圖4-2左側(cè)顯示為0。 如果以高電平寫入的位數(shù)為1，請參見下面的圖4-2右側(cè)，以寫入兩個連續(xù)位之間的間隙應(yīng)大于1us 。

c）.讀時間隙

見下圖4-3所示，當主機總線從高電平拉至低電平時，總線應(yīng)保持低電平15 s。 然后在t1處將總線拉高以產(chǎn)生讀取間隙。 讀取間隙在t1和t2之后有效。 到的tz距離為15μs或tz。 前端主機必須完成讀取位并在60μs至120μs內(nèi)釋放總線。

設(shè)計軟件部分的核心是DS18B20的使用，讀取溫度需要嚴格的時間，模塊設(shè)計的主程序流程圖如下：溫度轉(zhuǎn)換子例程如下：

（二）溫度數(shù)據(jù)的處理

這部分是將溫度傳感器的數(shù)字量讀入單片機后的處理內(nèi)容。 它主要包括正負號處理，負數(shù)，正數(shù)，小數(shù)點處理，溫度比較，最后決定是否發(fā)出警報。

（三）數(shù)值的顯示

端口P0連接到7段顯示器和數(shù)字管的小數(shù)點，P2的前四個端口連接到數(shù)字管的公共端作為芯片選擇信號。 由于這里使用了動態(tài)掃描方法，因此在軟件仿真中很容易接收。

四、總結(jié)

該設(shè)計是根據(jù)單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)步驟，硬件電路開發(fā)和軟件開發(fā)的基本思想和方法進行的，采用模塊化設(shè)計的思想實現(xiàn)了軟件系統(tǒng)。模塊化設(shè)計是將大型程序分為幾個較小的模塊，具體取決于它們的功能。每個模塊都是相對獨立的，具有定義明確的結(jié)構(gòu)，并且具有簡單的界面。這種模塊化設(shè)計降低了程序設(shè)計的復(fù)雜性，提高了組件的可靠性，縮短了開發(fā)周期，避免了重復(fù)的程序開發(fā)任務(wù)，促進了維護和增強，等等。有優(yōu)點。本設(shè)計中的軟件功能模塊分為溫度采集，溫度數(shù)據(jù)處理，主程序模塊，延遲子程序等。在系統(tǒng)范圍的設(shè)計過程中嚴格遵循硬件電路設(shè)計規(guī)則，使整個系統(tǒng)的設(shè)計完全成功。

參考文獻

[1]楊海波，張瑋，劉曉靜，等. 一種基于數(shù)字溫度傳感器DS18B20的多功能電子溫度計設(shè)計[J]. 中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2013，30（1）：3890-3893.

[2]王林勝. 基于單片機控制的數(shù)字溫度計的電路設(shè)計[J]. 通訊世界，2016（11）：223-224.

[3]向繼文，劉昕，陳善榮. 基于DS18B20的數(shù)字溫度計設(shè)計與仿真[J]. 電腦與信息技術(shù)，2019，27（01）：47-50.

作者簡介：廖敏（1981-10），女，彝族，籍貫：云南鎮(zhèn)沅，職稱：講師，學(xué)歷：工程碩士，單位：普洱市職教中心，研究方向：電工電子。