樊要玲,張 速

（華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011）

0 引言

常用的溫度計(jì)通常是水銀、煤油或酒精溫度計(jì)。這些溫度計(jì)的刻度間隔通常都很密， 不容易準(zhǔn)確分辨，讀數(shù)困難，而且其的熱容量比較大，達(dá)到熱平衡所需的時(shí)間較長(zhǎng)，因此很難讀準(zhǔn)，使用非常不方便[1]。為適應(yīng)社會(huì)生產(chǎn)的需要，數(shù)字溫度儀得到了進(jìn)一步發(fā)展。 文所說(shuō)的數(shù)字溫度儀，是通過(guò)DS18B20 數(shù)字溫度傳感器采集環(huán)境溫度，以單片機(jī)為核心控制部件，并通過(guò)2 位數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)溫度的一種數(shù)字溫度儀。 與傳統(tǒng)的溫度計(jì)相比，它具有讀數(shù)方便、測(cè)溫范圍廣、測(cè)溫準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對(duì)測(cè)溫要求比較準(zhǔn)確的場(chǎng)所， 如農(nóng)田實(shí)驗(yàn)等的溫測(cè)領(lǐng)域。

1 硬件及工作原理

1.1 硬件

1.1.1 數(shù)字溫度傳感器

溫度傳感器的精度、靈敏度基本決定了溫度儀的精度、測(cè)量范圍和用途等。 考慮到電路簡(jiǎn)單、成本低廉、操作方便等因素，數(shù)字溫度儀設(shè)計(jì)采用美國(guó)DAL LAS 半導(dǎo)體公司繼DS1820 之后推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器DS18B20，作為檢測(cè)元件，測(cè)溫范圍為-55～125℃，最大分辨率可達(dá)0.5℃。DS18B20 可以直接讀出被測(cè)溫度值，具有一線(xiàn)通信接口，可采用單線(xiàn)制與單片機(jī)相連，減少了外部的硬件電路，具有成本低和易使用等特點(diǎn)[2]。

如圖1 所示，其中（1）GND 接地信號(hào)；（2）DQ 為數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，為開(kāi)漏單總線(xiàn)接口引腳。 當(dāng)被用在寄生電源下時(shí)， 也可以向器件提供電源。 （3）VDD 為可選擇的引腳， 當(dāng)工作于寄生電源下時(shí)，此引腳必須接地。

圖1 DS18B20 的引腳排列及封裝[2]Fig.1 DS18B20 pin rank and its capsulation

1.1.2 主控制器

主控制器選用STC89C51 單片機(jī)，會(huì)有15 個(gè)雙向I/O 口，兩個(gè)16 位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，帶4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除、只讀存儲(chǔ)器FPEROM 的低電壓、高性能CMOS8 位微處理器[3]。

1.2 數(shù)字溫度儀顯示器

在考慮到效果、電路設(shè)計(jì)、價(jià)格等因素的情況下，本設(shè)計(jì)采用LED 數(shù)碼管顯示。LED 顯示器是一種控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式。 隨著大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，LED 顯示器正在迅速崛起，它集微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理于一體，具有色彩鮮艷、動(dòng)態(tài)范圍廣、亮度高、壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)， 因此它被廣泛用作數(shù)字儀器儀表、數(shù)控裝置、計(jì)算機(jī)的數(shù)顯器件。 與液晶顯示器LCD 相比，LED 顯示器在亮度、功耗、可視角度和刷新速率等方面都更具優(yōu)勢(shì)， 可用作為顯示文字、圖形、圖像、動(dòng)畫(huà)、行情、視頻、錄像信號(hào)等各種信息的顯示屏幕。

1.3 基本工作原理

原理簡(jiǎn)述：數(shù)字溫度傳感器DS18B20 把溫度信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式， 通過(guò)一線(xiàn)通信號(hào)接口與單片機(jī)相連，是單總線(xiàn)方式。它只用一根信號(hào)線(xiàn)，既供電，又傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，單總線(xiàn)具有“線(xiàn)與”功能，連接方便，便于擴(kuò)展。連接單片機(jī)獲取指定傳感器的數(shù)字溫度信息，并顯示到顯示設(shè)備上。其系統(tǒng)硬件電路框圖如圖2 所示。

圖2 硬件電路示意圖Fig.2 Hardware circuit frame

其中，測(cè)溫模塊是由DS18B20 組建的溫度測(cè)量單元構(gòu)成的。 將DS18B20 與STC 單片機(jī)的P1.0 連接，測(cè)量的溫度值經(jīng)過(guò)取整化處理，就可以通過(guò)顯示電路進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，顯示器有兩種常用方法：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的I/O 接口，用于筆劃段字形代碼。 這樣，單片機(jī)只要把字形代碼發(fā)送進(jìn)接口電路，就顯示新的數(shù)據(jù)，然后再發(fā)送新的字形碼。因此，使用這種方法，單片機(jī)中CPU 的開(kāi)銷(xiāo)小。 所謂動(dòng)態(tài)掃描顯示，就是利用人眼的特性，分時(shí)進(jìn)行LED 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)，人眼感受的是有效亮度的平均值。 其優(yōu)點(diǎn)是：驅(qū)動(dòng)芯片少，電路簡(jiǎn)單，成本低。由于本設(shè)計(jì)占用的單片機(jī)的資源比較少，顯示電路可以采用靜態(tài)顯示的方法，分別用P0 口和P2 口作為顯示通道。

2 軟、硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路總體設(shè)計(jì)

此設(shè)計(jì)以STC89C51 單片機(jī)為核心， 加上外圍電源時(shí)鐘電路、 復(fù)位電路、 測(cè)溫電路及顯示電路組成。 DS18B20 傳感器采用單總線(xiàn)方式與STC89C51單片機(jī)相連，即單片機(jī)通過(guò)P1.0 口連接溫度測(cè)量模塊DS18B20。 具體電路如圖3 所示。

在電路中， 單片機(jī)工作的時(shí)間基準(zhǔn)是由時(shí)鐘電路提供的。 在單片機(jī)的XTAL1 和XTAL2 兩個(gè)引腳間接一只晶振及兩只電容， 就構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘電路。 電容器C1 和C2 對(duì)振蕩頻率有微調(diào)作用。 在本設(shè)計(jì)中，晶振選擇12MHz，C1、C2 選擇20PF。

圖3 基于DS18B20 數(shù)字溫度儀電路圖Fig.3 Circuit based on DS18B20 digital thermograph

單片機(jī)的RST 引腳為主機(jī)提供一個(gè)外部復(fù)位信號(hào)輸入端口。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，高電平有效的持續(xù)時(shí)間應(yīng)為2 個(gè)機(jī)器周期以上。在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的復(fù)位方式采取上電復(fù)位和手工復(fù)位兩種。

LED 顯示器的驅(qū)動(dòng)是一個(gè)非常重要的問(wèn)題，顯示電路由LED 顯示器、段驅(qū)動(dòng)電路和位驅(qū)動(dòng)電路組成。由于本次設(shè)計(jì)中采用靜態(tài)顯示，故只考慮段驅(qū)動(dòng)即可。 段驅(qū)動(dòng)電路有很多種。 在本次設(shè)計(jì)中， 選擇74LS48 作為段驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片具有鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)的功能。 即在輸入端輸入要顯示字符BCD 碼， 輸出端就可以得到具有一定驅(qū)動(dòng)能力的7段顯示字符碼（具體注意事項(xiàng)見(jiàn)后續(xù)）。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在軟件方面，采用匯編語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。采用這種設(shè)計(jì)指令的執(zhí)行速度快，可節(jié)省存儲(chǔ)空間。同時(shí)， 為便于擴(kuò)展和更改， 軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，使程序設(shè)計(jì)的邏輯關(guān)系更加簡(jiǎn)潔明了。主程序流程和讀取溫度子程序流程分列見(jiàn)圖4 和圖5。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Main program flow

圖5 讀取溫度值子程序流程圖Fig.5 Subprogram flow of loading temperature value

3 應(yīng)用范圍及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

3.1 應(yīng)用范圍

該溫度儀測(cè)溫范圍廣， 因而它完全適合一般性應(yīng)用場(chǎng)合，可以在高低溫報(bào)警、遠(yuǎn)距離多點(diǎn)控制等方面進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)。 也可利用其低電壓供電特性做成用電池供電的手持電子溫度儀。

3.2 注意事項(xiàng)

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意以下問(wèn)題：

（1）DS18B20 傳感器工作時(shí)電流達(dá)1.5mA，總線(xiàn)上掛接點(diǎn)數(shù)較多。 因此，當(dāng)同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，要考慮增加總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)， 在溫度轉(zhuǎn)換時(shí)可用單片機(jī)端口導(dǎo)通一個(gè)MOSFET 來(lái)供電。

（2）連接DS18B20 傳感器的總線(xiàn)電纜是有長(zhǎng)度限制的，因此，在用DS18B20 進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)， 應(yīng)充分考慮總線(xiàn)分布電容和阻抗匹配等問(wèn)題。

（3） 在設(shè)計(jì)顯示電路時(shí)， 無(wú)論共陰極還是共陽(yáng)極，7 段顯示電路都需要加限流電阻，否則通電后易燒壞7 段譯碼管。 限流電阻的選取方法是：5V 電源電壓減去發(fā)光二極管的工作電壓， 除以10mA 到15mA，得數(shù)即為限流電阻的值。 發(fā)光二極管的工作電壓一般在1.8V-2.2V，為計(jì)算方便，通常選2V 即可。 發(fā)光二極管的工作電流的選取范圍是10-20mA，電流選小了，7 段數(shù)碼管不太亮，選大了，工作時(shí)間一長(zhǎng)，發(fā)光管就容易燒壞。對(duì)于大功率7 段數(shù)碼管， 可根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選取限流電阻及電阻的瓦數(shù)。

（4） 在基于DS18B20 測(cè)溫程序的設(shè)計(jì)中，向DS18B20 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后， 程序要等待DS18B20 的返回信號(hào)。一旦某個(gè)DS18B20 接觸不好或斷線(xiàn)，當(dāng)程序讀該DS18B20 時(shí)，就將沒(méi)有返回信號(hào)，程序?qū)⑦M(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)，在進(jìn)行DS18B20 硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)，要給予一定的重視。

4 結(jié)語(yǔ)

溫度測(cè)控技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。溫度測(cè)量裝置只是一個(gè)大的智能化系統(tǒng)中的一部分。隨著社會(huì)自動(dòng)化程度的提高，人們對(duì)數(shù)字溫度儀表的要求也會(huì)越來(lái)越高。溫度計(jì)的發(fā)展很快，已從原始的玻璃管溫度計(jì)發(fā)展到了現(xiàn)在的電子溫度計(jì)。 本文對(duì)基于DS18B20 溫度傳感器的數(shù)字溫度儀技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行了探討，分別從其基本原理、電路的軟硬件設(shè)計(jì)、 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)及應(yīng)用前景等方面進(jìn)行了闡述。相信在先進(jìn)技術(shù)的不斷推動(dòng)下，溫度檢測(cè)儀表的發(fā)展方向?qū)⑦M(jìn)一步走向數(shù)字化、集成化、微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

[1] 李邕. 數(shù)字式熱敏電阻溫度計(jì)設(shè)計(jì)[J]. 甘肅科技縱橫，2008(1)：15,149.

[2] 美國(guó)MAXIM/ DALLAS 半導(dǎo)體公司技術(shù)網(wǎng)站.DS18B20技術(shù)資料，[DB/OL].[201101]http://www.maxim-ic.com.

[3] 李蒙.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2010：15-42.