基于DS18B20的智能測溫系統(tǒng)的設計

賈海云

摘要：溫度測量在生產生活和工業(yè)控制等領域的應用十分廣泛，傳統(tǒng)溫度計有性能單一、使用壽命短、可靠性低等問題。本設計采用數字溫度傳感器DS18B20，結合單片機AT89S52控制技術，實現智能測量溫度的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可設置報警溫度的閾值，當測量溫度超過設定的警戒溫度上下限時，蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲且指示燈閃爍顯示，產生報警信號，同時具有精度高、抗干擾能力強和硬件開銷低的特點。

關鍵詞：溫度測量;溫度傳感器DS18B20;單片機AT89S52;報警溫度;蜂鳴器;指示燈

中圖分類號：TP391? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）09-0251-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1概述

溫度是衡量儀器儀表、電子設備等器件能否正常工作的一個重要指標，是實現生產自動化需要重點監(jiān)測的一個參數。常見的溫度測量方法是直接用溫度計讀取，如水銀溫度計，酒精溫度計等，人們可以觀察其刻度值知道當前的溫度。但是這些常見的溫度計存在測溫精度差，讀數不方便等問題。因此，本設計選用智能數字溫度傳感器DS18B20和單片機實現溫度的監(jiān)測。具有單總線接口的數字溫度傳感器DS18B20，溫度的轉換精度可以有4種，測量溫度范圍比較廣，可編程實現測溫轉換精度等優(yōu)點，被廣泛應用于恒溫控制器、溫度報警系統(tǒng)。

隨著電子技術和微型計算機的快速發(fā)展，單片機在各行各業(yè)發(fā)揮的作用與日俱增。單片機實際上是把一個微型計算機系統(tǒng)集成在單一芯片上，其具有體積小、質量輕、價格便宜、控制能力強等優(yōu)勢。本設計采用單片機AT89S52作為控制核心，對環(huán)境溫度進行實時監(jiān)測;采用溫度傳感器DS18B20作為溫度采集的核心器件;溫度的顯示采用4個共陽極數碼管顯示;通過按鍵設置上下限報警溫度;若溫度超過限制，啟動蜂鳴器和指示燈實現聲光報警。

2硬件電路的設計

基于單片機AT89S52的智能溫度監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路在單片機最小系統(tǒng)基礎上，還有溫度傳感器DS18B20構成的檢測電路、4個共陽極數碼管構成的溫度數值顯示電路、蜂鳴器和發(fā)光二極管構成的聲光報警電路、電源電路、數據下載接口等電路，如圖1所示。

2.1單片機最小系統(tǒng)

單片機的最小系統(tǒng)是保證單片機能正常工作的所必需的最少硬件電路，由復位電路、時鐘電路、存儲器電路和電源電路組成。復位電路的作用是為單片機產生復位信號，保證單片機上電后從一個確定的狀態(tài)開始工作。時鐘電路用來產生時鐘脈沖信號，它就像人類的心臟，缺少了時鐘信號單片機就無法正常運轉。存儲器電路讓系統(tǒng)從片內程序存儲器中開始執(zhí)行程序。電源電路驅動單片機，給其提供電能保障。

2.2智能溫度傳感器DS18B20系統(tǒng)

溫度傳感器DS18B20的VDD引腳接+5V的外部電源，GND引腳接地，DQ引腳接單片機的P1.0引腳，為了保證總線空閑時為高電平狀態(tài)，需要接一個大小為10k的上拉電阻，這樣就可以用單總線的方式實現數據的傳輸。

2.3數碼管顯示電路

4個共陽極數碼管構成的溫度數值顯示電路中，位選端選取單片機P3.4、P3.5、P3.6、P3.7引腳，與數碼管的公共端相接。PNP三極管為驅動管，其導通時將小電流放大為大電流，驅動數碼管工作，使其有足夠的顯示亮度。選取單片機P1口作為控制數碼管顯示字符的段選端，在某個位選端為高電平時，只要段選端P1口送出需要顯示字符的代碼，數碼管就能顯示該字符。

2.4聲光報警系統(tǒng)和電源電路

聲光報警系統(tǒng)中蜂鳴器與單片機P2.3引腳相連，用PNP三極管驅動它。當溫度超過范圍設定范圍時，蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲，同時二極管閃爍顯示，即可起到聲光報警的作用。電源電路用LM7805穩(wěn)壓器來產生穩(wěn)定的5v電壓。

3系統(tǒng)的程序設計

本控制系統(tǒng)的設計以單片機和溫度傳感器DS18B20為核心，DS18B20檢測到的數據通過4個數碼管實時顯示。如果檢測到的溫度超過設定的警戒值，則聲光報警器開啟工作。因此，程序設計的模塊涉及主程序、讀取測量溫度子程序、轉換溫度值子程序、數碼管顯示溫度值子程序、聲光報警控制子程序等。

3.1主程序

主程序的作用是先對溫度傳感器DS18B20進行初始化，使其能夠正常檢測溫度;后讀取并處理DS18B20的測量的溫度值，根據預先設置的溫度的上限或下限判斷是否要進行聲光報警，并通過數碼管顯示當前測量到的溫度。系統(tǒng)一通電，溫度傳感器就開始工作，對環(huán)境溫度進行測量，并計算溫度的大小，通過DQ端將數據傳送給單片機P2.4引腳進行處理，處理后的數據再通過單片機P1口傳送給數碼管，數碼管按動態(tài)顯示的原理顯示數值。接在單片機P2口的按鍵可以設置產生溫度報警信號的閾值，當超過閾值時，單片機的P2.3引腳由低電平變?yōu)楦唠娖絾勇暪鈭缶?。程序中每?秒就對溫度測量一次，可以起到實時監(jiān)測的作用，保證整個環(huán)境溫度處于可控范圍內。

3.2讀取測量溫度子程序

溫度傳感器DS18B20的訪問操作涉及初始化操作、讀數操作和寫數操作。初始化的作用是確定系統(tǒng)中是否存在DS18B20。如果存在，則初始化成功，可以進行讀寫操作;否則，數碼管顯示4個“-”以提示錯誤。單片機從DS18B20中讀數時，DS18B20是以字節(jié)為單位向單總線發(fā)送數據，先發(fā)送低位，后發(fā)送高位。讀取測量溫度子程序的主要作用是讀出存放在數據存儲器中的9字節(jié)。

3.3 溫度轉換命令子程序

溫度傳感器DS18B20進行溫度轉換時需要一定時間，啟動溫度轉換命令后需要延長一段時間后，才能讀取溫度轉換值;否則，所讀的數據是錯誤。溫度轉換命令子程序主要作用是發(fā)送開始進行溫度轉換的命令，由于DS18B20的溫度轉換時間大約需要750毫秒，特采用延時1秒的子函數，等待轉換的完成。首先發(fā)復位命令使溫度傳感器DS18B20恢復到一個確定的初始狀態(tài)，然后發(fā)跳過程序存儲器的命令，最后發(fā)送開始進行溫度轉換命令，這樣就可以順利地完成溫度轉換。

3.4數碼管顯示子程序

4位數碼管采用動態(tài)掃描的方式顯示相應位的數值，先控制需要顯示的數碼管，讓其位選端為高電平，其他3個數碼管位選端為低電平處于無效狀態(tài)，再給這個發(fā)光的數碼管送相應的字型碼;按照相同的顯示原理，依次點亮其余的數碼管，由于人眼的視覺停留，感覺這4個數字是同時被點亮的。計算溫度子程序將RAM中讀取值進行BCD碼的轉換運算，取出個位、十位、小數點后面的1位，并進行溫度值正負的判定，通過調用數碼管顯示函數，就可以顯示相應的字符。

3.5 聲光報警控制子程序設計

聲光報警控制程序設置低溫報警和高溫報警，先讀出檢測到的溫度，再和設定閾值進行比較，當預先設定的報警溫度值中的最大值或最小值超出初始設置的閾值，轉去執(zhí)行定時器T0編寫中斷服務函數，從而控制蜂鳴器和發(fā)光二極管的狀態(tài)，發(fā)揮聲光報警作用。

4測試與結果分析

本設計系統(tǒng)的硬件電路原理圖是在 Proteus仿真平臺上繪制完成，用C語言在Keil軟件中編寫控制程序，編寫程序時要注意按模塊設計，程序編寫完畢后要進行調試，直至顯示沒有錯誤并生成.hex文件。然后，用Proteus仿真平臺測試，看程序設計是否符合設計要求。單片機是整個控制系統(tǒng)的核心，為其添加.hex文件，點擊運行按鈕開始仿真，可以觀察到單片機一上電時數碼管顯示的是四個一，代表系統(tǒng)能正常工作。

單片機上電后對程序進行初始化，檢測溫度傳感器DS18B20狀態(tài)，調節(jié)溫度傳感器DS18B20的數值，數碼管顯示模塊顯示對應的數值。如果調節(jié) DS18B20芯片上表示溫度變化的箭頭，DS18B20芯片上顯示的溫度與數碼管顯示的溫度相同，說明溫度測量的設計是符合要求的。

當溫度超過設置的閾值的上限或下限時，系統(tǒng)會啟動聲光報警電路，蜂鳴器會發(fā)出“唧……唧……唧”蜂鳴聲，同時LED燈會閃爍。當系統(tǒng)未成功檢測到溫度傳感器DS18B20，或出現其他異常時，數碼管所有管段全部發(fā)光以提示錯誤。

5結論

生產生活中，對糧倉、儲罐、電訊機房、電力機房等易發(fā)生火災的地方進行溫度測量十分重要。人們根據監(jiān)測到的溫度可以采取相對應的措施，起到保護人身安全和財產安全的作用。DS18B20是一個能輸出數字信號的數字溫度傳感器，具有體積小、功耗低、測量精度高、抗干擾能力強等優(yōu)勢，被廣泛應用于工業(yè)控制和自動化生產領域中。因此，本文設計了一種基于DS18B20的智能溫度測量系統(tǒng)，按照設計要求搭建的仿真系統(tǒng)可以正常運行，仿真結果達到預期。本設計依托單片機最小系統(tǒng)，以溫度傳感器DS18B20為溫度檢測核心，利用Proteus仿真平臺和Keil編程軟件實現了實時監(jiān)測環(huán)境溫度的功能，符合設計要求。

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【通聯(lián)編輯：梁書】