基于單片機(jī)平臺(tái)上的智能控制數(shù)字溫度計(jì)硬件設(shè)計(jì)

石樹正 徐 政 呂祎莎 劉東信

（1.河北建筑工程學(xué)院機(jī)械系，河北 張家口075000；2.宣化鋼鐵有限公司，河北 張家口07500；3.張家口市煙草專賣局，河北 張家口075000；4.衡水市經(jīng)濟(jì)適用房發(fā)展中心，河北 衡水053000）

0 前 言

數(shù)字溫度計(jì)與傳統(tǒng)的溫度計(jì)相比，具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫準(zhǔn)確，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對(duì)測溫比較準(zhǔn)確的場所，控制器使用單片機(jī)AT89S51，測溫傳感器使用DS18B20，用3位共陽極LED數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)溫度顯示.

1 總體框圖

溫度計(jì)電路方框圖如圖1所示，控制器采用單片機(jī)AT89S51，溫度傳感器采用DS18B20，用3位LED數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)溫度顯示.

圖1 總體方框圖

1.1 主控制器

單片機(jī)AT89S51具有低電壓供電和體積小等特點(diǎn)，四個(gè)端口只需要兩個(gè)口就能滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電.

1.2 顯示電路

顯示電路采用3位共陽LED數(shù)碼管，從P3口RXD，TXD串口輸出段碼.

1.3 溫度傳感器

DS18B20采用3腳PR-35封裝或8腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.

圖2 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3 DS18B20字節(jié)定義

DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器還包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的EERAM.結(jié)構(gòu)如圖3所示.頭2個(gè)字節(jié)包含測得的溫度信息，第3和第4字節(jié)TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時(shí)被刷新.第5個(gè)字節(jié)，為配置寄存器，.DS18B20工作時(shí)寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值.該字節(jié)各位的定義如圖3所示.低5位一直為1，TM是工作模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式，DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶要去改動(dòng)，R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率.

由表1可見，DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間比較長，而且分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間越長.因此，在實(shí)際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間權(quán)衡考慮.

高速暫存RAM的第6、7、8字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯1.第9字節(jié)讀出前面所有8字節(jié)的CRC碼，可用來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性.

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當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換.轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第1、2字節(jié).單片機(jī)可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時(shí)低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.062℃／LSB形式表示.

當(dāng)符號(hào)位S＝0時(shí)，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)符號(hào)位S＝1時(shí)，表示測得的溫度值為負(fù)值，要先將補(bǔ)碼變成原碼，再計(jì)算十進(jìn)制數(shù)值.表2是一部分溫度值對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù).

DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與RAM中的TH、TL字節(jié)內(nèi)容作比較.若T＞TH或T＜TL，則將該器件內(nèi)的報(bào)警標(biāo)志位置位，并對(duì)主機(jī)發(fā)出的報(bào)警搜索命令作出響應(yīng).因此，可用多只DS18B20同時(shí)測量溫度并進(jìn)行報(bào)警搜索.

在64位ROM的最高有效字節(jié)中存儲(chǔ)有循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼（CRC）.主機(jī)ROM的前56位來計(jì)算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比較，以判斷主機(jī)收到的ROM數(shù)據(jù)是否正確.

DS18B20的測溫原理是這這樣的，器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器1；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入.器件中還有一個(gè)計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DS18B20就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)進(jìn)而完成溫度測量.計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1、溫度寄存器中，計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值.

減法計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器1重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值就是所測溫度值.其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)器門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直到溫度寄存器值大致被測溫度值.

表2 一部分溫度對(duì)應(yīng)值表

另外，由于DS18B20單線通信功能是分時(shí)完成的，它有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫時(shí)序很重要.系統(tǒng)對(duì)DS18B20的各種操作按協(xié)議進(jìn)行.操作協(xié)議為：初使化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲(chǔ)器操作命令→處理數(shù)據(jù).

圖4 DS18B20與單片機(jī)的接口電路

2 DS18B20溫度傳感器與單片機(jī)的接口電路

DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時(shí)DS18B20的1腳接地，2腳作為信號(hào)線，3腳接電源.另一種是寄生電源供電方式，如圖4所示單片機(jī)端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時(shí)鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個(gè)MOSFET管來完成對(duì)總線的上拉.

2.1 主板電路

系統(tǒng)整體硬件電路包括，傳感器數(shù)據(jù)采集電路，溫度顯示電路，上下限報(bào)警調(diào)整電路，單片機(jī)主板電路等，如圖5所示.

圖5中有三個(gè)獨(dú)立式按鍵可以分別調(diào)整溫度計(jì)的上下限報(bào)警設(shè)置，圖中蜂鳴器可以在被測溫度不在上下限范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)出報(bào)警鳴叫聲音，同時(shí)LED數(shù)碼管將沒有被測溫度值顯示，這時(shí)可以調(diào)整報(bào)警上下限，從而測出被測的溫度值.按健復(fù)位電路是上電復(fù)位加手動(dòng)復(fù)位，使用比較方便，在程序跑飛時(shí)，可以手動(dòng)復(fù)位，這樣就不用在重起單片機(jī)電源，就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位.

2.2 顯示電路

顯示電路是使用的串口顯示，這種顯示最大的優(yōu)點(diǎn)就是使用口資源比較少，只用p3口的RXD，和TXD，串口的發(fā)送和接收，四只數(shù)碼管采用74LS164右移寄存器驅(qū)動(dòng)，顯示比較清晰.

圖5 單片機(jī)主板電路

圖6 溫度顯示電路

基本范圍-50℃～110℃

精度誤差小于0.5℃

LED數(shù)碼直讀顯示

實(shí)現(xiàn)語音報(bào)數(shù)

可以任意設(shè)定溫度的上下限報(bào)警功能

［1］李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)（簡明修訂版）.杭州：北京航空航天大學(xué)出版社，1998

［2］李廣弟.單片機(jī)基礎(chǔ).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994

［3］閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).第3版.北京：高等教育出版社，1989

［4］李伯成，基于MCS-51單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：電子工業(yè)出版社，2004，7

［5］程德福，智能儀器.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005，2