数字式温度计设计

1、 兰州交通大学博文学院毕业设计（论文） 数字式温度计设计摘要在这个信息化高速发展的时代，单片机作为一种最经典的微控制器，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术，作为自动化专业的学生，我们学习了单片机，就应该把它熟练应用到生活之中来。本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计，本温度计属于多功能温度计，可以设置上下报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。本文设计的数字温度计具有读数方便，测温范围广，测温精确，数字显示，适用范围宽等特点。传统的单片机温度控制器用热敏电阻测量温度,须包含模拟测量电路及A/D转换器,且占用单片机的口线多,必要时须增加I/O扩展

2、接口芯片,电路器件多,降低了可靠性。而采用新型的单线数字温度传感器DS18B20测量温度则克服了上述缺点。DS18B20是美国DALLAS半导体公司近年推出的一种改进型智能温度传感器,与传统的热敏电阻相比,它能够直接读出被测温度,并可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式,无需外加测量电路及A/D转换器,简化了电路;而且从DS18B20读出或写入信息仅需一根口线,大大降低了单片机的硬件资源占用。基于DS18B20的单片机温度控制器具有电路简单、可靠性高的优点。 本数字式温度计对温度进行实时测量并显示(华氏与摄氏温度都可显示，通过一按键显示),用户可设定最高限报警温度值和最低限

3、报警温度值,有一定的温度控制功能。关键词：单片机;数码管显示;DS18B20;AT89S52Digital thermometer designABSTRACT In this information with the high-speed development of The Times, single chip microcomputer as one of the most classic micro controller, microcontroller technology has spread to we live, work, scientific research, each

4、domain, has become a mature technology, as automation major students, we learn of the single chip computer, you should do it skilled application to life. This paper will introduce a digital thermometer based on single chip microcomputer control, the thermometer belongs to the multi-function thermome

5、ter, can set up and down the temperature alarm, when the temperature is not set range, you can call the police. This paper designed digital thermometer readings is convenient, temperature measuring range, temperature measurement precision, the digital display, wide application scope etc. Characteris

6、tics. The traditional single chip microcomputer temperature control device is used for thermal resistance measurement temperature, must contain simulation measurement circuit and A/D converter, and take up the mouth of the single chip microcomputer line and, when necessary, any increase in the I/O e

7、xpansion interface chip, circuit devices, reduced reliability. And one of the new digital temperature sensor DS18B20 measuring temperature is overcome the shortcomings. The DALLAS semiconductor company is DS18B20 in recent years launched A improved intelligent temperature sensor, and compared the tr

8、aditional thermistors, it can be read out directly temperature measurement, and can according to the practical demands through the simple programming realize 9-12 of the numerical value of way of reading, without plus measurement circuit and A/D converter, simplified the circuit; And from DS18B20 re

9、ad or written information needs only one root mouth line, and greatly reduce the microcontroller hardware resources occupation. This digital thermometer temperature in real time measurement and display degrees Celsius temperature and can be show, through a button display), users can set a ceiling te

10、mperature and temperature alarm ZuiDiXian alarm, there is a certain temperature control function.Keywords: Single-chip microcomputer;Digital pipe display ; DS18B20 ;p AT89S52目录一、绪论1（一）课题研究的目的和意义1（二）设计原理2（三）设计难点2（四）设计要求3二、数字温度计设计方案论证4三、温度传感器模块5（一） 测温传感器的分类5 1.电阻式传感器5 2.半导体温度传感器5 3.晶体温度传感器5 4.辐射式温度传感器

11、5 5.热电式传感器6 6.光纤温度传感器6 7.液压温度传感器6 8.智能温度传感器6（二）集成温度传感器的产品分类6 1.模拟集成温度传感器6 2.模拟集成温度控制器7 3.智能温度传感器7（三）智能温度传感器发展的新趋势11（四）提高测温精度和分辨力11（五）增加测试功能11（六）总线技术的标准化与规范化12四、硬件设计13（一）总体设计框图13（二）各模块简介13 1.主控制器13 2. 显示电路14 3.DS18B20温度传感器与单片机的接口电路15 4.主板电路19 5.显示电路20 6.程序调试与Proteus仿真21五 、系统软件设计24（一）初始化程序24（二） 读出温度子程

12、序24（三）读、写时序子程序25致 谢28参考文献29附录30140一、绪论随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，可广泛用于食品库、冷库、粮库、温室大棚等需要控制温度的地方。目前,该产品已在温控系统中得到广泛的应

13、用。（一）课题研究的目的和意义温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学、生物等学科都离不开温度。在工业生产和实验研究中，像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内：许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行;炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。可见，温度的测量和控制是非常重要的。虽然数字式温度计的应用己相当普遍，但

14、是，伴随着新器件的诞生、新技术的涌现，在新需求的推动下，温度检测系统的整体结构、器件选择等方面仍需不断研究和创新。本设计目的是研究与开发出结构简单、可靠性高、成本低、测温范围广、体积小、功耗低、精度高、显示直观特点的便携式数字温度计。由于所设计的系统将具有电路简单、采集温度精度高等许多优点，所有可广泛应用在不同场合，有很强的实际应用意义。该设计也是我对大学所学到的东西做的一个综合应用，同时将增强我的动手能力和提出问题，分析问题，解决问题的能力，可以巩固自己的专业知识，为以后的进一步工作学习打下扎实的基础。 十七世纪是温度计诞生和发展的最初阶段,这个物理仪器几乎比任何其它仪器都得到更广泛的应用。

15、现代的历史研究认为最早发明温度计的科学家是伽利略，他于1592年发明了最早的气体温度计，最早的液体温度计是荷兰科学家华伦海特制造出来1。随着宇航、核能、冶金、材料、低温、微电子学和生物医学等方面的发展，对温度测量、控制的精度和范围提出了越来越高的要求，尤其是对温度的测量非但要准确，而且需读取数值更直观更方便，从而促进了温度测量和控制技术的迅速发展2。虽然水银温度计至今仍是各种温度测量的计量标准。可是它的缺点是刻度间隔通常都很密, 不容易准确分辨, 读数因难, 而且它们的热容量还比较大, 达到热平衡所需的时间较长, 因此很难读准, 并且使用非常不方便，而且水银有毒，玻璃管易碎。后来出现代替水银的

16、有酒精温度计和金属簧片温度计，它们虽然没有毒性，但测量精度很低，只能作为一个概略指示。后来接着出现了热电阻温度计、热电偶温度计等。随着大规模集成电路工艺的提高，又出现了多种集成的数字化温度传感器3。随着电子工业的发展，数字仪表反应速度快、操作简单，对使用环境要求不高的优点，市场上逐渐出现越来越多的数字式温度计，另外，纵观国际上现有的温度计的变化，总的趋势是从模拟向数字转变，相应的体积也在不断减小，并且一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。测量温度的关键是温度传感器，随着科学技术的发展，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：(1)传统的分立式温度传感器，(2)模拟集成温度传感器，(3)智能集成温

17、度传感器。特别是现代仪器的发展，微型化、集成化、数字化正成为传感器发展的一个重要方向。总之，从温度计的诞生，发展到现在，温度计对物理学和日常生活起着非常重要的作用。（二）设计原理 本系统是一个基于单片机AT89S52的数字温度计的设计，用来测量环境温度，测量范围为-50110度。整个设计系统分为4部分：单片机控制、温度传感器、数码显示以及键盘控制电路。整个设计是以AT89S52为核心，通过数字温度传感器DS18B20来实现环境温度的采集和A/D转换，同时因其输出为数字形式，且为串行输出，这就方便了单片机进行数据处理，但同时也对编程提出了更高的要求。单片机把采集到的温度进行相应的转换后，使之能够

18、方便地在数码管上输出。LED采用四位一体共阴的数码管。（三）设计难点 此设计的重点在于编程，程序要实现温度的采集、转换、显示和上下限温度报警，其外围电路所用器件较少，相对简单，实现容易。 本文将针对传统的温度计读数困难、达到热平衡所需时间长等几方面问题展开研究。通过对目前各种温度传感器的分析与研究，对温度传感器做出合理选择，并根据实际需要选择合适的主芯片和显示器，达到优化整体结构，提高温度检测精度，同时使系统具有测温范围广、体积小、功耗低、精度高、显示直观的优点，并保证系统结构简洁。本论文的研究重点将放在温度传感器的选择、硬件设计和程序设计这三个方面。总之，本课题研究以期研制出一套简洁实用、精

19、确稳定、使用直观的便携式数字温度计。（四）设计要求1.用DS18B20实时采集温度信号并显示2.能够通过切换按钮可以切换华氏度和摄氏度显示；3.单片机对温度信号能够实时监控4.能够设置报警温度上下限5.当温度到达设定值，蜂鸣器能够鸣叫报警，而且发光二极管LED发光警报。二、数字温度计设计方案论证由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，

20、所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。在通过对数字式温度计的特性的了解之后，我们采用模块设计的方法来设计本系统。数字式温度计系统主要由五部分组成：主控模块，采集模块，键盘模块，显示模块和报警模块。其中，主控模块实现巡回监视温度信号的功能，采集模块实现温度信号的采集，键盘模块改变报警温度的上下限值以及来改变温度的显示方式，显示模块实现温度值和报警点的显示，报警模块实现报警的功能。三、温度传感器模块（一） 测温传感器的分类 1.电阻式传感器热电阻式传感器是利用导电物体的电阻率随温度而变化的效应制成的传

21、感器。可通过测量敏感材料的电阻来确定被测的温度。它分为金属热电阻和半导体热电阻两大类, 常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。铂热电阻的特点是物理化学性能稳定 ,尤其是耐氧化能力强、测量精度高、测温范围宽, 制作误差小, 结构简单, 而且已有统一的国际标准。有很好的重现性, 但价格较贵。而铜热电阻价格便宜 ,测温范围小,通常用于测量精度不高的场合。半导体热敏电阻具有电阻温度系数大、型小体轻、热惯性小、稳定可靠、价格便宜、结构简单等特点。半导体温度传感器按半导体电阻随温度变化的特点又分为负电阻温度系数热敏电阻、正电阻温度系数热敏电阻和临界温度电阻器4-5。2.半导体温度传感器半导体PN结测温是近几年

22、来发展起来的一种新型测温手段。PN结半导体温度传感器是利用半导体 PN结的温度特性制成的。其工作原理是PN结的反向电流随温度呈指数规律变化，而当正向电流不变时，其正向压降随温度近似线性变化。现代的PN结温度传感器都是利用正向压降进行测温。这种传感器线性较好、测温范围小、易集成。因此,可制成高精度、超小型的温度传感器4-5。3.晶体温度传感器晶体温度传感器是利用晶体的各向异性, 并通过选择适当的切割角度切割而成，这是一种可将温度转换成频率的传感器，这种传感器用于计算机测量时可省去模数转换，因此 ,适合于计算机测温的应用。4.辐射式温度传感器自然界的所有物体对辐射都具有吸收和反射的能力。辐射式温度

23、传感器就是利用物体的热辐射特性制成的。被测物体的辐射能被热敏元件（如热电偶、热敏电阻等）吸收时可使其物理参数（如输出电势、电阻值等）发生变化，利用现代测量手段检测出这种变化就可得被测温度。根据敏感原理不同，辐射式温度传感器可分为全辐射式、红外辐射式、光电比色式和光电亮度式等，并能实现非接触测量，可测温度高达3000以上。全辐射式传感器中敏感元件接受被测物体的全部辐射能而使参数发生变化；红外辐射式传感器中敏感元件只接受被测物体辐射能中部分波长的能量；比色式传感器是基于物体温度不同其辐射能的光谱分布不同；而亮度测量法是通过测量物体在一定波长下单色辐射亮度来确定温度，被测温度的微小变化就会引起单色亮

24、度很大变化。如辐射体温度由1200K上升到1500K时，总辐射能仅增加2.5倍，而波长为0.660 u M的红光单色亮度可增加10倍以上。此方法是辐射测温中最精确的一种。常用的辐射式传感器多数是红外传感器，适合于高速运行物体、带电体、高温及高压物体的温度测量4-5。这种红外测温传感器具有反应速度快、灵敏度高、测量准确、测温范围广泛等特点。5.热电式传感器热电式传感器（又称热电偶）属有源传感器,它能将温度直接转换成热电势,其特点是结构简单、测量温度高、准确、可靠、性能稳定、热惯性小，但价格较贵，通常用于高温炉的测量和快速测量方面。6.光纤温度传感器随着测量技术的不断发展，出现了适用于高温、强磁场

25、干扰等恶劣环境的光纤温度传感器。它是将光源的光经光纤送入调制区，在调制区内被测参数(温度)与进入调制区的光相互作用使光的光学性质(如强度、波长、频率等)发生变化而成为被调制的信号光，再经光纤送入光检测器及解调器而获得被测参数，此种方法也适于其它参数的测量。 根据传感原理不同，光纤温度传感器可分成功能型和传输型。功能型传感器中光纤既是传光的介质又是温度敏感元件，因此结构巧妙、简洁，但既满足传输要求又满足敏感要求的光纤制作难度大，所以一般只在有特殊要求的场合使用;传输型传感器中光纤只起传光的作用，对温度的敏感作用由其它元件来实现，因此结构较前者复杂，但可通过分别选择性能优良的光纤和敏感元件而达到较

26、高的性能。现在使用和研制的光纤传感器以传输型居多，温度敏感元件可以是热电阻、热敏电阻、热电偶等4-5。7.液压温度传感器这种传感器流体受热会产生膨胀, 膨胀程度与所加的热量成正比。在根据液压原理制成的温度传感器中 ,最普通的就是大家熟悉的水银温度计。 8.智能温度传感器智能温度传感器由于在一个芯片上集成有温度传感器、处理器、存储器、A/D转换器等部件。因此，这类传感器具有判断和信息处理能力, 并可对测量值进行各种修正和误差补偿，同时还带有自诊断、自校准功能，可大大提高系统的可靠性，并能和计算机直接联机4-5。（二）集成温度传感器的产品分类 1.模拟集成温度传感器 集成传感器是采用硅半导体集成工

27、艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等4-5。 2.模拟集成温度控制器模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器，典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。某些增强型

28、集成温度控制器(例如TC652/653)中还包含了A/D转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别。 3.智能温度传感器智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术ATE(Automatic Test Equipment)的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D(Analog to Digital)转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器CPU(Centr

29、al Processing Unit)、随机存取存储器RAM(Random Access Memory)和只读存储器ROM(Read-only Memory)。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器MCU(Microcontroller Unit)，并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平4-5。 DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。DS18B20的性能特

30、点如下：（1）独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信，无须经过其它变换电路；（2）多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；（3)内含64位经过激光修正的只读存储器ROM；（4）可通过数据线供电，内含寄生电源，电压范围为3.05.5； （5）零待机功耗；（6）温度以或位数字；（7）用户可定义报警设置； （8）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；（9）负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；测温范围为-55-+125，测量分辨率为0.0625采用单总线专用技术，DS18B20采用脚PR35封装或脚SOIC封装。64位ROM

31、的结构开始位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器和，可通过软件写入用户报警上下限。DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为字节的存储器，结构如图3所示。头个字节包含测得的温度信息，第和第字节和的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图3所示。低位一直为，

32、是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。由下面表1可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存的第、字节保留未用，表现为全逻辑。第字节读出前面所有字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第、字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据

33、时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625LSB形式表示。当符号位时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表1是一部分温度值对应的二进制温度数据。表1 DS18B20温度转换时间表DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、T字节内容作比较。若TH或TTL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存

34、入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。DS18B20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将55所对应的一个基数分别置入减法计数器、温度寄存器中，计数器和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。减法计数器对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行

35、减法计数，当减法计数器的预置值减到时，温度寄存器的值将加1，减法计数器的预置将重新被装入，减法计数器重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。表2温度/二进制表示十六进制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 0001

36、00A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H DS18B20的外形和内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如下： DS18B20外形图引脚定义： (1) DQ为数字信号输入/输出端；

37、 (2) GND为电源地； (3) VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。温度传感器的选择及合理使用是测温系统设计的关键。温度检测的传统方法是使用模拟传感器，那么一个温度量要经过感温元件、测量电路、放大电路、模数转换电路之后才能得到相应的数字量这样须考虑的线路环节较多，相应测温装置中元器件数量降不下来，随之影响产品的可靠性和体积微缩化。把被测温度这一非电模拟量转换成数字信号，将其处理过程的多个环节集成在单片IC(Integrated Circuit)器件内部，是解决传统温度检测方法弊病的理想途径。目前 ,典型的温度测控系统是由模拟式温度传感器、A/D转换电路和单片机组成。自动

38、化程度和可靠性较高 ,使用方便 ,得到了广泛应用。但是由于模拟式温度传感器输出为模拟信号 ,必须经过 A/D转换环节获得数字信号后才能与单片机等微处理器接口 ,使得硬件电路结构复杂 ,成本较高。而以 DS18B20为代表的新型单总线智能数字式温度传感器集温度测量和 A/D转换于一体 ,直接输出数字量 ,与单片机接口几乎不需要外围元件 ,使得硬件电路结构简单，具有微型化的优点 ,特别适合做便携式数字温度计的温度传感器6。由于采取高集成度设计，数字式传感器在可靠性、抗干扰能力以及器件微小化方面与模拟传感器相比，都有明显的优点，具有较强的推广应用价值。所以本设计选用美国DALLAS公司最新推出的DS

39、18B20数字式温度传感器。（三）智能温度传感器发展的新趋势 进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展4-5。（四）提高测温精度和分辨力在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1。目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是912位A/D转换器，分辨力一般可达0.50.0625。由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125，

40、测温精度为0.2。为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27us、9us。（五）增加测试功能新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。例如，DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟RTC(Real-time Clock)，使其功能更加完善。DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的E2PROM（Electrically Erasable Programmable ROM）存储器，可存储用户的短信息。另外，智能温度传感器正从单通道向多通道的

41、方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。智能温度传感器都具有多种工作模式可供选择，主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式，有的还增加了低温极限扩展模式，操作非常简便。对某些智能温度传感器而言，主机（外部微处理器或单片机）还可通过相应的寄存器来设定其A/D转换速率（典型产品为MAX6654），分辨力及最大转换时间(典型产品为DS1624)。智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。典型产品有DS1620、DS1623、TCN75、LM76、MAX6625。智能温度控制器适配各种微控制器，构成智能化温控系统；它们还可以脱离微控制器单独工作，自行构成一个温控仪。（六

42、）总线技术的标准化与规范化目前，智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线(1-Wire)总线、I2C总线、SMBus总线和spI总线。温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。四、硬件设计（一）总体设计框图温度计电路设计总体设计方框图如图1所示，控制器采用单片机AT89S52，温度传感器采用DS18B20，用4位共阴LED数码管以串口传送数据实现温度显示。 图1 总体设计框图（二）各模块简介1.主控制器单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，ATMEL公司生产的AT89C51单片机由于功能全面、开发工具较为完善、衍生产品丰富、大量的设计资源可以继承和共享

43、，得到广泛的应用。而且单片机功耗低、体积小、 重量轻、 抗干扰能力强、 对环境要求不高、 价格低廉、可靠性高、灵活性好，很适合便携手持式产品的设计使用系统7。AT89S52主控模块采用ATMEL公司生产的AT89C52，AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4K的可反复擦写的FLASH只读存储器和128 BYTES的随机存取数据存储器，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口。AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容

44、标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。 单片机AT89S52具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，适合便携手持式产品的设计使用。 2. 显示电路显示电路采用4位共阴LED数码管，从P0口输出段码，P2.0P2.3作片选端。但在焊电路板的时候发现数码管亮度不够，所以在P2.0P2.3端口接四个10K的电阻和四个NPN的三极管，以使数码管高亮显示。单片机AT

45、89C52是该模块也是整个电路的核心器件。实现巡回监视温度信号。当温度超过给定的门限值时出现报警信号（液晶LCD显示器显示当前温度值和报警点，蜂鸣器和发光二极管发出报警信号）。其中： P0口连显示模块，P3.7连蜂鸣器，P2.5、P2.6连二极管(P2.5接LED-BLUE、P2.6 LED-RED)，P3.3连接DS18B20的DQ端。单片机采用12M的晶振，并由电解电容和电阻构成上电复位电路。其电路图如下： 图 2显示电路图 3.DS18B20温度传感器与单片机的接口电路DS18B20DS18B20DS18B204.7KGNDGNDGNDVCCVCC单片机. 图3 DS18B20与单片机的

46、接口电路DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图4 所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉，多个DS18B20可以将2口串接到一条总线上，而本设计只用了一个DS18B20。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。DS18B20高速暂存存储器高速暂存存储器由9个

47、字节组成，其分配如表46所示。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如表4-1所示。对应的温度计算：当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变为原码，再计算十进制值。第九个字节是冗余检验字节9。表4-1 DS18B20暂存寄存器分布寄存器内容字节地址温度值低位0温度值高位1高温限值TH2低温限值TL3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC检验8根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS

48、18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待1660微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。 表4-2ROM指令表指 令约定代码功 能读ROM33H读DS1820ROM中的编码（即64位地址）符合ROM55H发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的DS1820使之作出响应，为下一步对该DS1820的读写作准备。搜索ROM0F0H用于确定挂接在同一总线上DS1820的个数和识别64位ROM

49、地址。为操作各器件作好准备。跳过ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS1820发温度变换命令。适用于单片工作。告警搜索命令0ECH执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。 表4-3 RAM指令表指 令约定代码功 能温度变换44H启动DS1820进行温度转换，转换时最长为500ms（典型为200ms）。结果存入内部9字节RAM中。读暂存器0BEH内部RAM中9字节的内容写暂存器4EH发出向内部RAM的3、4字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。复制暂存器48H将RAM中第3、4字节的内容复制到EEPROM中。重调EEPROM0B8H将EEPROM中内

50、容恢复到RAM中的第3、4字节。读供电方式0B4H读DS1820的供电模式。寄生供电时DS1820发送“0”，外接电源供电DS1820发送“1”。DS18B20测量温度使用特有温度测量技术，其测温电路框图如图所示：图4 DS18B20测温原理框图DS18B20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振

51、荡器来决定，每次测量前，首先将55 所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在55 所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值9。另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格

52、的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。DS18B20的使用方法由于DS18B20采用的是1Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89C51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问9。由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时

53、序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。(1) DS18B20的复位时序图5 DS18B20的复位时序图(2) DS18B20的读时序对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。图6 DS18B20的读时序图(3)

54、 DS18B20的写时序对于DS18B20的写时序为写0时序和写1时序两个过程仍然分。对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。图7 DS18B20的写时序图 4.主板电路系统整体硬件电路包括，传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警调整电路，单片机主板电路等，单片机主板电路如图8 所示： 图8单片机主板电路 图8 中包括时钟振荡电路和按键复位电路，按键复位电路是上电复位加手动复位，使用比较方便

55、，在程序跑飞时，可以手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。另外扩展电路中，蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时，发出报警鸣叫声音，同时LED数码管将没有被测温度值显示，这时可以调整报警上下限，从而测出被测的温度值。5.显示电路显示电路是使用的串口显示，这种显示最大的优点就是使用口资源比较少，只用P0和P3口,串口的发送和接收，采用4位共阴LED数码管，从P0口输出段码，P2.0P2.3作片选端。但在焊电路板的时候发现数码管亮度不够，所以在P2.0P2.3端口接四个10K的电阻和四个NPN的三极管，期望增加驱动电流，以使数码管高亮显示。 图9 温度显示电路6.程序调试与Proteus仿真 数字式温度计的源程序编写完之后，我们需要使用KEIL软件和Proteus共同来调试调试源程序的争取与否。首先，我们先使用KEIL软件来验证源程序是否含有逻辑和语法上的错误，如图10。点击菜单栏中的Proget来建立名为wendu的Proget 图10在刚调试时，发现一些语法上的错误，进过几次改正再调试后，终于正确了。以下几幅图分别为最后编译、连接正确时的截图，如图11所示： 图11五 、系统软件设计系统程序主要包括主程序，读出温