基于DS18B20的多点温度测量系统设计

一、 绪论

1.1 课题来源

温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量，是国际单位制七个基本量之一，同时它也是一种最基本的环境参数。人民的生活与环境温度息息相关，物理、化学、生物等学科都离不开温度。在工业生产和实验研究中，在电力、化工、石油、冶金、机械制造、大型仓储室、实验室、农场塑料大棚甚至人们的居室里经常需要对环境温度进行检测，并根据实际的要求对环境温度进行控制。比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行。炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分流才能得到汽油、柴油、煤油等产品；没有合适的温度环境，许多电子设备不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。可见，研究温度的测量具有重要的理论意义和推广价值。

随着现代计算机和自动化技术的发展，作为各种信息的感知、采集、转换、传输相处理的功能器件，温度传感器的作用日益突出，成为自动检测、自动控制系统和计量测试中不可缺少的重要技术工具，其应用已遍及工农业生产和日常生活的各个领域。本设计就是为了满足人们在生活生产中对温度测量系统方面的需求。

本设计要求系统测量的温度的点数为4个，测量精度为0.5℃，测温范围为-20℃～+80℃。采用液晶显示温度值和路数，显示格式为:温度的符号位,整数部分,小数部分,最后一位显示℃。显示数据每一秒刷新一次。

1.2 课题研究的意义

21世纪科学技术的发展日新月异，科技的进步带动了测量技术的发展，现代控制设备的性能和结构发生了巨大的变化，我们已经进入了高速发展的信息时代，测量技术也成为当今科技的主流之一，被广泛地应用于生产的各个领域。对于本次设计，其目的在于：

（1）掌握数字温度传感器DS18B20的原理、性能、使用特点和方法，利用C51对系统进行编程。

（2）本课题综合了现代测控、电子信息、计算机技术专业领域方方面面的知识，具有综合性、科学性、代表性，可全面检验和促进学生的理论素养和工作能力。

（3） 本课题的研究可以使学生更好地掌握基于单片机应用系统的分析与设计方法，培养创新意识、协作精神和理论联系实际的学风，提高电子产品研发素质、增强针对实际应用进行控制系统设计制作的能力。

1.3国内外现状及水平

传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段:传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；模拟集成温度传感器／控制器；数字温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展，同时具有抑制串模干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。随着我国四个现代化和经济发展，我国在科技和生产各领域都取得了飞速的发展和进步，发展以温度传感器为载体的温度测量技术具有重大意义。

二、 总体方案设计

2.1 方案介绍

本该方案使用了AT89C51单片机作为控制核心,以智能温度传感器DS18B20为温度测量元件，采用多个温度传感器对各点温度进行检测，通过4×4键盘模块对正常温度进行设置显示电路采用128×64 LCD模块，使用LM386作为报警电路中的功率放大器。

如图2.1为系统总体框图。

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温度传感器DS18B20温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器LCD显示电路单片机集成功放报警器4×4键盘图2.1 基于数字温度传感器测量系统框图

本课题采用数字温度传感器DS18B20作为测为测温元件,它具有如下特点: （1）只要求一个端口即可实现通信。

（2）在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。 （3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。 （4）测量温度范围在－55C到＋125C之间。

（5）数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。 （6）内部有温度上、下限告警设置。

三、硬件电路设计

3.1测温电路

DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出北侧温度，并且

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可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点如下：

①独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；

②多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能； ③无须外部器件；

④可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5V； ⑤零待机功能；

⑥温度以9或12位数字量读出； ⑦用户可定义的非易失性温度报警设置；

⑧报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件； ⑨负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；

DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图3.1所示。

图3.1 DS18B20内部结构图

64位ROM的位结构如图3.2所示。开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。非易失性温度报警器触发器TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。

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图3.2 64位ROM结构图

DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图3.3所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节是TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。

DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如图3.4所示。低5位一直为1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要改动，R1和R0决定温度转换得精度位数，即用来设置分辨率，定义方法见表1。

图3.3 高速暂存RAM结构图

图3.4 配置寄存器 表1 DS18B20分辨率的定义规定

由表1可见,DS18B20温度转换的时间比较长,而且设定的分辨率越高,所需

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