DS18B20數(shù)字溫度傳感器技術(shù)分析

史寶玲

（鄭州日產(chǎn)汽車有限公司，河南 鄭州 451450）

引言：溫度是生活及生產(chǎn)中最基本的物理量，它表征的是物體的冷熱程度。自然界中任何物理、化學(xué)過程都緊密地與溫度相聯(lián)系。在很多生產(chǎn)過程中，溫度的測(cè)量直接和安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相聯(lián)系。因此，溫度的測(cè)量在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中均受到了相當(dāng)程度的重視。近年來，溫度的檢測(cè)在理論上發(fā)展比較成熟，但在實(shí)際測(cè)量中，如何保證快速實(shí)時(shí)地進(jìn)行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，仍然是目前需要解決的問題。

在溫度的測(cè)量技術(shù)中，接觸式測(cè)溫發(fā)展較早，這種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)單、可靠、低廉，測(cè)量精度較高，一般能夠測(cè)得真實(shí)溫度;但由于檢測(cè)元件熱慣性的影響，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)熱容量小的物體難以實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量，并且該方法不適宜于對(duì)腐蝕性介質(zhì)測(cè)溫，不能用于極高溫測(cè)量，難于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度。非接觸式測(cè)溫是通過對(duì)輻射能量的檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的方法，其優(yōu)點(diǎn)是：不破壞被測(cè)溫場(chǎng)，可以測(cè)量熱容量小的物體，適于測(cè)量運(yùn)動(dòng)溫度，還可以測(cè)量區(qū)域的溫度分布，響應(yīng)速度較快。但也存在測(cè)量誤差較大，儀表指示值一般僅代表表觀溫度，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。因此，在實(shí)際的測(cè)量中，要根據(jù)具體的測(cè)量對(duì)象選擇合適的測(cè)量方法，在滿足測(cè)量精度要求的前提下盡量減少人力和物力的投入。

1 溫度測(cè)量系統(tǒng)的功能要求

溫度測(cè)量系統(tǒng)主要分為兩大部分：現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量?jī)x表和上位機(jī)程序?，F(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量?jī)x表主要用于建立標(biāo)準(zhǔn)的高精度溫度場(chǎng)，并在溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后將現(xiàn)場(chǎng)溫度信號(hào)傳送到上位機(jī)。上位機(jī)程序負(fù)責(zé)接受下位機(jī)的數(shù)據(jù)并以作出相應(yīng)的處理動(dòng)作或供人工查詢操作。

1.1 現(xiàn)場(chǎng)溫度控制儀表

(1)溫度的測(cè)量和顯示功能：對(duì)于工作現(xiàn)場(chǎng)的溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量，顯示實(shí)際的測(cè)量溫度以及目標(biāo)控制溫度的值；(2)工作參數(shù)的設(shè)定功能：溫度測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)儀表的工作參數(shù)可以重新設(shè)定，方便根據(jù)實(shí)際的工作環(huán)境選擇最佳的工作參數(shù)；(3)遠(yuǎn)程通信功能：現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量?jī)x表可以把測(cè)得的溫度的值、工作參數(shù)傳送給上位機(jī)。

1.2 上位機(jī)程序：

(1)串口通信功能：從 PC機(jī)串口讀取現(xiàn)場(chǎng)儀表傳送上來的各項(xiàng)數(shù)據(jù)；(2)界面顯示：顯示每臺(tái)表的工作狀態(tài)以及每臺(tái)表所測(cè)量得到的溫度值；(3)歷史數(shù)據(jù)的保存：把下位機(jī)傳送上來的數(shù)據(jù)按年、月、日保存在 PC機(jī)中可以供以后調(diào)檔查看；(4)打印功能：可以打印歷史數(shù)據(jù)，溫度曲線。

2 溫度測(cè)量系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

輸入種類：DS18B20數(shù)字輸入；輸入點(diǎn)數(shù)：1個(gè)；溫度控制范圍：-55℃～125℃；測(cè)量誤差：<±0.5℃；顯示：LED 顯示；通信接口：RS485

3 系統(tǒng)概述

欲對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控,必須要有一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,顯示,現(xiàn)場(chǎng)修改參數(shù),并將測(cè)量結(jié)果直接傳回上位機(jī)的完整系統(tǒng).DS18B20數(shù)字溫度傳感器,9位數(shù)字量表示溫度值,分辨率0.5℃,且能在1秒內(nèi)完成被測(cè)溫度的數(shù)值轉(zhuǎn)換.它的溫度報(bào)警限設(shè)定值TH和TL存放在非易失性存儲(chǔ)器中,掉電后不會(huì)丟失,并可自由設(shè)定,因此對(duì)于隨時(shí)調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)控監(jiān)控報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)提供了很大的便利.因此,由溫度傳感器,單片機(jī),上位機(jī)構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng),可隨時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)溫度并調(diào)整監(jiān)控狀態(tài)。

數(shù)字傳感器采用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，用于檢測(cè)環(huán)境溫度,并將溫度直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。控制部分采用ATmega8單片機(jī)作為核心部件。采集到的溫度通過LED顯示輸出?，F(xiàn)場(chǎng)可采用鍵盤對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作，便于適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的多變需求。通過RS485通訊模塊，將采集到的信息傳送給上位機(jī)，便于上位機(jī)處理現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，并發(fā)送指令給溫度測(cè)量裝置。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 單片機(jī)概述

單片機(jī)誕生于 20世紀(jì)70年代，象Fairchid公司研制的F8單片微型計(jì)算機(jī)。所謂單片機(jī)是利用大規(guī)模集成電路技術(shù)把中央處理單元((Center Processing Unit,也即常稱的CPU)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、程序存儲(chǔ)器(RAM)及其他I/O通信口集成在一塊芯片上，構(gòu)成一個(gè)最小的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而現(xiàn)代的單片機(jī)則加上了中斷單元，定時(shí)單元及A/D轉(zhuǎn)換等更復(fù)雜、更完善的電路，使得單片機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，應(yīng)用更廣泛。

4.2 ATmega8單片機(jī)

ATmega8是ATMEL公司在2002年推出的一款新型的AVR高檔單片機(jī)，其芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路，具備AVR高檔單片機(jī)MEGE系列的全部性能和特點(diǎn)。由于采用了小引腳封裝(為DIP28和TQFP/MLF32)，價(jià)格僅和低檔單片機(jī)相當(dāng)，再加上AVR單片機(jī)的系統(tǒng)內(nèi)在可編程特性，使得無需購(gòu)買昂貴的仿真器，只需要一條編程下載線就可以進(jìn)行單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，這尤其適合非專業(yè)的研究人員掌握應(yīng)用于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

ATmega8是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RIS側(cè)精簡(jiǎn)指令集)結(jié)構(gòu)的8bit單片機(jī)。AV R單片機(jī)的核心是將32個(gè)工作寄存器和豐富的指令集連接在一起，所有的工作寄存器都與ALU(算術(shù)邏輯單元)直接相連，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的一條指令同時(shí)訪問(讀/寫)2個(gè)獨(dú)立寄存器的操作。這種結(jié)構(gòu)提高了代碼效率，使得大部分指令的執(zhí)行時(shí)間僅為一個(gè)時(shí)鐘周期。因此，ATmega8可以達(dá)到將近1 MIPS/MHz的性能，運(yùn)行速度比普通的單片機(jī)高出10倍。

結(jié)語

ATmega8的主要性能特點(diǎn)如下：(1)高性能、低功耗：8bit AVR微控制器，先進(jìn)的RISC精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，130條功能強(qiáng)大的指令，大多數(shù)為單周期指令，32個(gè)8B的通用工作寄存器，工作在16MHz時(shí)具有16MIPS的性能；片內(nèi)集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。8 kB的Flash程序存儲(chǔ)器，可擦寫次數(shù)大于10,000次;512B的E2PRROM擦寫次數(shù)至少100,000次;支持可在線編程((ISP)和可應(yīng)用自編程((IAP):可編程的程序加密位；(2)豐富強(qiáng)大的外部接口性能：3個(gè)PWM通道，可實(shí)現(xiàn)任意lbb以內(nèi)的、相位和頻率可調(diào)的PWM脈寬調(diào)制輸出;6通道A/D轉(zhuǎn)換;一個(gè)12C的串行接口，一個(gè)可編程的USART接口;一個(gè)支持主/從、收/發(fā)的SPI同步串行接口;2個(gè)帶預(yù)分頻的8b定時(shí)/計(jì)數(shù)器，1個(gè)帶預(yù)分頻的16b定時(shí)/計(jì)數(shù)器;帶片內(nèi)RC振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器。正是由于這些特性才實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中的溫濕度檢測(cè)、紅外學(xué)習(xí)遙控等功能；(3)特殊的微控制器性能：可控制的上電復(fù)位延時(shí)電路和可編程的欠電壓檢測(cè)電路:內(nèi)部和外部共18個(gè)中斷源:5種休眠模式 (空閑，ADC噪聲抑制，省電，掉電，待命)。

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