DS18B20溫度傳感器的應(yīng)用設(shè)計

王云飛

【摘要】該設(shè)計介紹了DS18B20型數(shù)字溫度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作時序，并提出了以 DS18B20和 AT89C51為核心設(shè)計的數(shù)字溫度計設(shè)計方案。實踐證明，該數(shù)字式溫度計的測溫范圍為-50～+110℃，精度誤差在 0.1℃以內(nèi)，具有測溫精度高，控制性能良好等特點。設(shè)計還介紹了一種基于51單片機和DS18B20數(shù)字溫度傳感器來進行溫度測量的方法，包括溫度傳感器芯片的選取、單片機與溫度傳感器接口電路的設(shè)計，以及實現(xiàn)溫度信息采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖O(shè)計。該溫度計完全適用于一般的應(yīng)用場合，也可在高低溫報警、遠距離多點測溫控制等方面進行應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】 數(shù)字溫度計；單片機；溫度傳感器

引言

在傳統(tǒng)的溫度測量系統(tǒng)中，一般采用熱電偶或鉑電阻進行溫度測量。在這些電路中，有這樣一些問題必須解決：為了進行準確的溫度測量，必須給鉑電阻提供一個良好的恒流源；由于熱電偶出來的信號是模擬信號，所以此信號在送給CPU之前必須先進行A/D轉(zhuǎn)換，然后再送給CPU進行處理；并且熱電偶的信號很微弱，只有十幾個mA，因此在A/D轉(zhuǎn)換之前通常還需要進行增益放大。因此，采用熱電偶和鉑電阻進行溫度測量，需要考慮很多問題，構(gòu)成的系統(tǒng)也比較復(fù)雜。

DALLAS公司推出的數(shù)字式溫度傳感器DS 18B20很好地解決了這樣一些問題，DS18B20采用一線接口，只需占用單片機的一個I/O口位，其外圍電路也非常簡單；并且DS18B20將測得的溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，可以與單片機直接相連，而不需進行信號放大和A/D轉(zhuǎn)換，大大簡化了電路的設(shè)計，因此系統(tǒng)采用了DS18B20作為溫度傳感器進行溫度采集。

1.概述

1.1 設(shè)計的目的及意義

單片機實現(xiàn)的電子溫度計的畢業(yè)設(shè)計是在學(xué)習(xí)單片機，c語言，PROTEUS軟件等基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用所學(xué)的理論知識完成。

設(shè)計目的：整個系統(tǒng)以單片機AT89C51為核心，結(jié)合數(shù)字溫度傳感器DS18B20，數(shù)碼管顯示等，實現(xiàn)溫度的示數(shù)。

單片機應(yīng)用系統(tǒng)具有體積小、功耗低、功能強、性能價格比高、易于開發(fā)和推廣等優(yōu)點，在自動化控制、儀器儀表和家用電器等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計主要包含以下兩方面內(nèi)容：

（1）深入研究單片機的芯片功能，掌握與其相關(guān)的接口電路，熟練掌握與其相關(guān)的軟件語言和設(shè)計方法，學(xué)習(xí)和了解現(xiàn)有系統(tǒng)的設(shè)計原理和方法。

（2）學(xué)習(xí)和掌握傳感器技術(shù)，掌握電子技術(shù)的一般設(shè)計原理和方法。

1.2 單片機簡介

微型計算機可分為普通微型計算機和單片微型計算機，前一種指我們通常所用的PC機，后者正是這次設(shè)計所使用的，簡稱單片機。

2.方案論證

方案一：熱電偶的實現(xiàn)辦法，需要比較多的外部硬件支持，電路復(fù)雜，軟件調(diào)試復(fù)雜，制作成本高。實現(xiàn)上需要溫度的補償，在滿足精度時有一定的難度。

方案二：智能傳感器DS18B20作為檢測元件，測溫范圍-55℃～125℃，分辨率最大可

達0.0625℃。DS18B20可以直接讀出被測溫度值。而且采用3線制與單片機相連，減少了外部硬件電路，具有低成本和易使用的特點。LED數(shù)碼管作為顯示器件，通過89C51構(gòu)建最小系統(tǒng)。

綜上所述，權(quán)衡各方面的利弊，我采用方案二。

3.系統(tǒng)元件選擇

3.1 主控制器選擇

AT89C51

3.2 溫度傳感器DS18B20

3.2.1 DS18B20的特性

（1）適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0～ 5.5V，寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供。

（2）獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。

（3）溫范圍-55℃～+125℃，在-10～ +85℃時精度為±0.5℃。

（4）DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。

（5）在9位分辨率時最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。

（6）可編程的分辨率為9～12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實現(xiàn)高精度測溫。

3.2.2 DS18B20的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列：

引腳定義：

（1）DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；

（2）GND為電源地；

（3）VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。

3.2.3 DS18B20與單片機的接口電路

確保DS18B20在其變換期得到足夠的電源電流，在I/O線上提供一強的上拉。

而此處采用外部電源供電方式，即在DQ與單片機接口處必須填加上拉電阻，該電阻一般為4.7K。

4.系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)是以AT89C51芯片為核心，通過檢測DS18B20的工作與否，然后將其內(nèi)部的數(shù)字量溫度讀到單片機，通過相應(yīng)的數(shù)碼管顯示，當(dāng)溫度超出設(shè)定的溫度時用蜂鳴器報警。其外圍電路包括復(fù)位電路、晶振電路。

5.系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計

軟件部分主要有三部分構(gòu)成：

（1）溫度的采集；

（2）溫度數(shù)據(jù)的處理；

（3）數(shù)值的顯示。

溫度的采集：

時序及協(xié)議：該部分設(shè)計時主要考慮DS-l8B20工作過程及時序。

DSl8B20工作過程中的協(xié)議如下：

初始化ROM操作命令存儲器操作命令處理數(shù)據(jù)。

（1）初始化

單總線上的所有處理均從初始化開始。

（2）ROM操作品令

總線主機檢測到DSl820的存在便可以發(fā)出ROM操作命令之一。

（3）存儲器操作命令

指令 代碼

Write Scratchpad（寫暫存存儲器） [4EH]

Read Scratchpad（讀暫存存儲器） [BEH]

Copy Scratchpad（復(fù)制暫存存儲器） [48H]

Convert Temperature（溫度變換） [44H]

Recall EPROM（重新調(diào)出） [B8H]

Read Power supply（讀電源） [B4H]

參考文獻

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