基于單片機的數字式熱敏電阻溫度計設計

李皓楠

關鍵詞 溫度 串行口線 I/O口線 DS18B20數字溫度傳感器 AT89C51單片機

中圖分類號：TP368 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）05-0016-03

1 研究背景及意義

在高新技術的推動下，我們正跨入真正的數字化、智能化、網絡化的時代。溫度不僅是一個重要的物理量，還是在進行工業生產的時候所需要的重要工藝參數之一。所以，對溫度的測量技術與溫度測量儀器是一個很有必要進行探究的課題。隨著時代的進步和發展，單片機技術已經伸入到各個領域，而單片機的數字溫度計與傳統的水銀溫度計相比，不僅讀數方便，測量溫度的范圍也比較廣泛，會用數字來表示測量的溫度。

1.1 溫度計的發展史

隨著我國科技的進步和現代工業技術的需求，溫度測量技術也隨著時代的發展而不斷地改進。隨著測量溫度的范圍越來越廣，我們根據社會對于不同測溫的需求，制造出了在不同情況下可以進行測溫的專業儀器。

氣體型的溫度計大多是以氫氣或是氦氣作為能夠測量溫度的物質，在一般情況下，這兩種氣體在液化之后的溫度與絕對零度是非常接近的，所以這種氣體型的測溫范圍很廣泛。但是，這種溫度計的精準性要求很高，所以大多數都用于精密測量上。

具有溫差性的電偶溫度計是一種在工業中經常用到的測量溫度儀器。它的原理主要就是利用溫差電的原理制作而成的，通過將兩種不同性質的金屬絲進行焊接，將其作為溫度計的工作端，而金屬絲的另外兩端和溫度計測量溫度的儀器進行連接，從而形成了溫度計運作的電路。在點偶溫度計工作的時候，可以將金屬絲工作的一端放在測量溫度的地方，當兩端的溫度有所不同時，就能夠形成電流的電動勢，此時會有一定的電流經過由金屬絲連接的電路。而這種形成溫差的電偶溫度計大多是通過兩種溫差大的物質進行溫度測量，像“銅-康銅、鐵-康銅”，一個用于高溫的測量，一個用作低溫測量。

DS18B20是一種無需經過其他變化電路，直接輸出被測溫度數字量的溫度傳感器，它采用單總線專用技術，可通過串行口線或其他I/O口線與計算機接口相連，支持多器件擴展，使用相當方便。測溫范圍為-550℃～ +1250℃，其分辨率為0.50℃，最高可達0.006250℃。

1.2 電路設計

本設計主要是在溫度檢測部分利用了一款新型的溫度檢測芯片DS18B20，這個芯片大大簡化了溫度檢測模塊的設計，它無需A/D轉換，可直接將測得的溫度值以二進制形式輸出。

2 數字溫度傳感器DS18B20的外觀及內部結構

2.1 S18B20的外觀

DS18B20采用3腳TO-92封裝，外形如同普通的半導體三極管，除此之外，DS18B20也有8腳的SOIC封裝及6腳的TSOC封裝等形式。

2.2 DS18B20的內部結構

S18B20與DS1820這兩種數字溫度傳感器在測量溫度時的工作原理和讀寫的順序是一樣的，只不過就是最后得到的溫度值位數會因為傳感器的分辨率而變得不同。在溫度轉換的過程中，DS1820的延時時間一般都是從2s減到750ms[1]。一般情況來講，低溫度系數晶振的振動頻率很少會受到溫度的影響而變化，主要的原理是將頻率穩定的脈沖信號傳送到計數器1。而高溫度系數晶振則與其相反，會隨著振動頻率的改變而改變，將產生的頻率轉換成計數器2的脈沖輸入。計數器1會對低溫度系數晶振產生脈沖信號的數值相減，當計數器1的初始值相減到0的時候，寄存溫度器上面的數值就會加1。當計數器1重新工作，對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行再一次計算的時候，會重復上一個過程直到計數器的數值重新回到0，寄存溫度器的累加也會隨之停止[2]。這個時候的寄存溫度器中的數值還是停留在所測的溫度數值。

斜率累加器大多是在進行補償和修正測溫過程非線性的過程中進行應用，其輸出的數值會用作修正計數器在測溫過程中的初始值。而光刻ROM上的序列號一共有64位，這已經是在出廠之前就被光刻好的了，且光刻ROM的序列號可以當做是DS18B20的專屬序列號[3]。它的排列順序一般就是：光刻ROM序列號的前8位數是產品的類型標號，類型標號之后的48位是DS18B20自身出廠隨機帶出的序列號，而排列在最后的8位數則是將類型標號和序列號所形成的循環冗余校驗碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM所起到的作用就是能夠讓DS18B20都會有自己專屬的序列碼，以此達到在總線上連接DS18B20的目的。

DS18B20這種數字式溫度傳感器可以通過將12位轉換成16位符號的二進制讀數形式對溫度進行測量，以0.0625℃/LSB這種數字形式進行表達，其中S為符號位。

3 系統方案設計

在本次系統方案設計的過程中會，會用AT89C51單片機、DS18B20數字溫度傳感器等設施來對溫度的變化進行檢測，具體要求如下：

溫度檢測：系統能夠實時檢測溫度，溫度分辨率為0.10℃，溫度范圍為-550℃～+550℃。

溫度顯示：系統能夠實時顯示溫度值，顯示到小數后一位。在設置上、下限報警時，顯示上、下限提醒標志。

溫度報警：系統能夠設置溫度值范圍，當溫度超出設置范圍時發生報警。

報警設置：系統能夠設置上、下限報警溫度值，設置精度為0.10℃。

根據以上分析，數字溫度計的基本結構由單片機最小系統、按鍵模塊、溫度采樣模塊、顯示模塊和報警模塊等組成[4]。

4 電路分析

4.1 DS18B20的控制方法

DS18B20和單片機有兩種方式進行連接，一種是通過VDD與外部電源進行連接，GND與地連接，DQ會和單片機上的I/O線相連;而另一種是通過寄生電源為DS1820供電，此時VDD、GND接地，DQ接單片機I/O。不管是在內部所形成的計生電源還是通過外部供電，I/O口線都會和5KΩ數值上下的上拉電阻進行連接的。

我們根據DS18B20的通信協議就可以發現，主機會控制DS18B20進行溫度轉換，但必須通過以下幾個步驟來實現：在每次進行讀寫之前，都要先將DS18B20進行初始化，在初始化成功后對ROM執行一條的操作指令，然后進行存儲器（包括SCRATCHPAD RAM和E2RAM）操作指令，使DS18B20完成對溫度的測量工作，并把測量之后的結果存入高速暫存器，在此基礎上，主機才能讀出轉換結果。

4.2 蜂鳴器的原理

蜂鳴器本身就是一個一體化結構的電子訊響器，通過直流電壓，對其進行供電，大多使用在計算機、電子玩具等一系列的電子產品當中作為一個發出聲音的組件。蜂鳴器一般有壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器這兩種形態。在一般情況下，蜂鳴器會用字母“H”或“HA”（舊標準用“FM”“LB”“JD”等）在電路中表示。

4.3 蜂鳴器驅動

在對單片機進行應用和設計的過程中，很多方案都會用蜂鳴器來進行驅動，大多數都是用蜂鳴器所發出的聲音進行提示或者是報警。

4.4 AT89C51單片機

目前，單片機的種類很多，MCS-51 8位單片機系列、MCS-96 16位單片機系列，還出現了32位單片機。位數越高，運算速度越快。本系統選用MCS-51系列單片機。

單片機各引腳的功能介紹如下所示：

1.VCC：運行和程序校驗時接電源正端。

2.GND：接地。

3.P0口：P0口是一個8位、漏極開路的雙向I/O口，每腳可吸收8個TTL門電流。在P0口第一次在管腳上寫“1”的時候，會被當成是高阻輸入。P0在外部的程序數據存儲器進行運作的時候，也可以被當成是數據或者是在地址的第八位數字。在進行FIASH編程的過程中，P0口一般都被當做是編程原碼的輸入口。且在編程之后，FIASH會對其進行校驗，P0在輸出原碼的過程中，P0外部也會被拉高。

4.P1口：P1口主要是為單片機內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，一個P1口的緩沖器能將4個TTL門電流進行接收和輸出。當P1口的管腳寫入1之后，會被單片機的內部進行上拉，大多都會當做是輸入電流。當P1口被單片機的外部下拉和電流持平的時候，就會將電流進行輸出。

5.P2口：P2口和P1口一樣，也是為單片機內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，一個P2口的緩沖器能將4個TTL門電流進行接收和輸出。當P2口被寫上數字“1”的時候，P2口的管腳會在單片機內部的上拉電阻拉高，并作為高阻輸入。而作為電阻輸入的時候，P2口的管腳會被單片機的外部所拉低，從而使電流能夠輸出，這也是由于在單片機內部被上拉的緣故。P2口在被當做是外部或者是16位的程序存儲器的時候，會存取相應的數據。

6.P3口：P3口是一個自帶單片機內部上拉電阻的準雙向8位的I/O口，最多可以接受并輸出4個TTL門電流。P3口也可以當做是AT89C51單片機的一些具有其他功能的口，P3口可同時為編程和校驗接收一些進行控制信號，為其提供了一些能夠替代的功能。

7.RST：復位并重新輸入相應的信號數據，且針對高電平有使用效果。在振動器進行工作時，在RST上會具有一定的高電平，且保持在兩個周期以上，將單片微機復位。

8.ALE/PROG：地址鎖存允許信號，輸出。

9./PSEN：片外的程序存儲器讀選通信號，針對低電平是有效果的。在由外部程序存儲器取值期間，每個機器在一個周期中都會有兩次/PSEN產生效果。但是在對外部數據存儲器進行訪問的時候，這兩次有效的/PSEN信號也不會出現。/PSEN將8個LSTTL負載進行驅動[5]。

10./EA/VPP：片外程序存儲器訪問允許信號，針對低電平是有效果的。當/EA=1時，選擇片內程序存儲器（80C51為4KB，80C52為8KB）;當/EA=0時，則程序存儲器全部在片外，而不管片內是否有程序存儲器。使用80C51時，/EA必須接地，使用8751編程時，/EA施加21V的編程電壓。

11.XTAL1：是一個在單片機的內部振蕩器中進行輸入的反相放大器。在運用外部的振動器進行工作時，對HMOS單片微機，此引腳應該接地;對CHMOS單片微機，此引腳作驅動端。

12.XTAL2：是在單片機內部振蕩器中進行輸出的反相放大器，輸入到內部時鐘發生器。在運用外部的振動器進行工作時，XTAL2主要是接收振動器發出的信號，對CHMOS單片微機，此引腳應懸浮。

在單片機當中，時鐘電路可以說是其最小的一部分系統，它主要是用在單片微機工作所需要的時鐘信號上的，單片微機本身就像是一個頗為繁雜的時序電路，為了能夠同步地進行工作，電路會在一個時鐘信號的控制下按照時序電路的步驟進行嚴格的工作。

系統性時鐘電路主要會采用內部方式進行設計，也就是利用芯片在內部產生振動的電路。AT89C51這個單片機有一個將振動器的高效益反相變大的機器，它有兩個引腳，分別是XTAL1和XTAL2，這兩個引腳也是放大器的輸入端和輸出端。放大器會和一個具有反饋元件原工作原理的片外晶體諧振器形成一個自激振動器。外接晶體諧振器和C1和C2這兩個電容組成了并聯諧振電路，并與放大器的回饋電路相連接。

4.5 單片機的復位電路

單片機自身所具有的復位電路主要是把PC通過初始化變為0000H，使單片微機從0000H這一單元就開始進行程序。當程序運行的時候如果遇到程序的操作錯誤，讓單片機的系統處于死鎖狀態的時候，可以按復位鍵將單片機進行重新啟動。

參考文獻：

[1] 譚浩強.C語言程序設計第2版[M].北京：清華大學出版社，2003.

[2] 龍門工作室.51單片機C語言開發技術大全[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[3] 孔維功.C51單片機編程與應用[M].北京：電子工業出版社，2011.

[4] 宋文緒，楊帆.傳感器與檢測技術[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5] 孟如茹，李麗榮.工業信號檢測與控制[M].北京：電子工業出版社，2009.