基于单片机平台上的智能控制数字温度计硬件设计

石树正 徐 政 吕祎莎 刘东信

（1.河北建筑工程学院机械系，河北 张家口075000；2.宣化钢铁有限公司，河北 张家口07500；3.张家口市烟草专卖局，河北 张家口075000；4.衡水市经济适用房发展中心，河北 衡水053000）

0 前 言

数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，控制器使用单片机AT89S51，测温传感器使用DS18B20，用3位共阳极LED数码管以串口传送数据，实现温度显示.

1 总体框图

温度计电路方框图如图1所示，控制器采用单片机AT89S51，温度传感器采用DS18B20，用3位LED数码管以串口传送数据实现温度显示.

图1 总体方框图

1.1 主控制器

单片机AT89S51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电.

1.2 显示电路

显示电路采用3位共阳LED数码管，从P3口RXD，TXD串口输出段码.

1.3 温度传感器

DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图2所示.

图2 DS18B20内部结构

图3 DS18B20字节定义

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电擦除的EERAM.结构如图3所示.头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节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，.DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值.该字节各位的定义如图3所示.低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率.

由表1可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长.因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑.

高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1.第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性.

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当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换.转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节.单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.062℃／LSB形式表示.

当符号位S＝0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S＝1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值.表2是一部分温度值对应的二进制温度数据.

DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较.若T＞TH或T＜TL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应.因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索.

在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）.主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确.

DS18B20的测温原理是这这样的，器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入.器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量.计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值.

减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值.其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值.

表2 一部分温度对应值表

另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要.系统对DS18B20的各种操作按协议进行.操作协议为：初使化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据.

图4 DS18B20与单片机的接口电路

2 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路

DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源.另一种是寄生电源供电方式，如图4所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉.

2.1 主板电路

系统整体硬件电路包括，传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警调整电路，单片机主板电路等，如图5所示.

图5中有三个独立式按键可以分别调整温度计的上下限报警设置，图中蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时，发出报警鸣叫声音，同时LED数码管将没有被测温度值显示，这时可以调整报警上下限，从而测出被测的温度值.按健复位电路是上电复位加手动复位，使用比较方便，在程序跑飞时，可以手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位.

2.2 显示电路

显示电路是使用的串口显示，这种显示最大的优点就是使用口资源比较少，只用p3口的RXD，和TXD，串口的发送和接收，四只数码管采用74LS164右移寄存器驱动，显示比较清晰.

图5 单片机主板电路

图6 温度显示电路

基本范围-50℃～110℃

精度误差小于0.5℃

LED数码直读显示

实现语音报数

可以任意设定温度的上下限报警功能

［1］李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.杭州：北京航空航天大学出版社，1998

［2］李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社，1994

［3］阎石.数字电子技术基础.第3版.北京：高等教育出版社，1989

［4］李伯成，基于MCS-51单片机的嵌入式系统设计.北京：电子工业出版社，2004，7

［5］程德福，智能仪器.北京：机械工业出版社，2005，2