多用智能溫度測量儀的設計 - 全文

　　隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，溫度測量在各個領域應用越來越廣泛，同時溫度測量技術也被人們所異常關注。多功能溫度測量儀就是一個典型的例子，運用單片機技術，向數(shù)字化，智能化方向發(fā)展。在此介紹一種多功能溫度測量儀，既可以測量環(huán)境溫度、又能測量人體溫度，達到快響應、數(shù)字顯示溫度值，并且具有高溫報警的目的。

　　設計實現(xiàn)了一種多用智能溫度測量儀。采用傳感器為DALLAS 公司的單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20 及單片機為8051，通過單片機對傳感器采集到的數(shù)字信號進行計算處理，實現(xiàn)溫度的測量、溫度數(shù)值的數(shù)字顯示及高溫報警等功能。提供了完整的硬件電路圖和軟件流程圖，并詳細介紹了軟件設計要點及創(chuàng)新點。經實物測試實驗，該測量儀既能測量環(huán)境溫度，又可測量人體溫度，具備使用方便、響應快、結果顯示直觀的特點。

　　1 硬件電路設計

　　1. 1 溫度傳感器

　　采用DA LLAS 公司的溫度傳感器DS18B20 作為溫度采集器件，DS18B20 的內部結構主要由64 位ROM、溫度靈敏元件、內部存儲器和配置寄存器4 部分組成，如圖1 所示。

　　( 1) 64 位ROM。它的內容是64 位序列號，它可以被看作是該DS18B20 的地址序列碼，其作用是使每個DS18B20 都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20 的目的。

　　( 2) 溫度靈敏元件。它完成對溫度的測量，測量后的結果存儲在2 個8 b 的溫度寄存器中。

　　( 3) 內部存儲器。內部存儲器包括一個高速暫存RAM 和一個非易失性的可電擦除的E2 PROM，后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL 以及配置寄存器。

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　　圖1 DS18B20 的內部結構

　　DS18B20 具有以下特點:

　　( 1) 獨特的單線接口方式，與單片機連接時僅需要一條口線;( 2) 測溫范圍為- 55~ + 125℃，在- 10~ + 85℃范圍內精度為±0. 5 ℃;( 3) 通過編程可實現(xiàn)9~ 12 位的數(shù)字讀數(shù)方式;( 4) 用戶可自設定非易失性的報警上下限值;( 5) 外圍電路簡單，使用時不需要外圍元件，可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為3. 0 ~ 5. 5 V 無需備用電源;( 6) DS18B20 有TO 92、SOIC 及CSP 封裝，本測量儀選用DS18B20 的外形及引腳排列如圖2 所示，其中VDD 為外接供電電源輸入端，GND 為公共地，DQ為數(shù)字信號輸出端。

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　　圖2 DS18B20 的外形及引腳排列

　　基于以上特點，采用DS18B2 使得硬件消耗更少，系統(tǒng)設計更靈活、方便，價格更便宜，體積更小。

　　1. 2 硬件電路設計

　　系統(tǒng)硬件電路如3 所示。

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　　圖3 系統(tǒng)硬件電路圖

　　包括信號采集、系統(tǒng)控制、數(shù)字顯示、高溫報警四個部分。傳感器DS18B20 為信號采集器件所采集到的溫度信號，通過內部處理由傳感器的DQ 端送到單片機P3. 2 端口，經單片機的計算處理后，由P0 口和P1 口分別作為4 位共陽數(shù)碼管的段控信號和位控信號，共同完成對所測溫度值的數(shù)字顯示，最高位是符號顯示，如顯示負號“-”時，表示當前溫度是負溫度，否則為正溫度;由P2. 0 端口控制蜂鳴器，當測量的溫度超過“預設報警溫度”時，發(fā)出提示音報警; P2. 1~ P2. 3 端口來控制黃、綠、紅3 個發(fā)光二極管分別表示低溫、正常、高溫三種溫度狀態(tài)。石英晶體JT 和電容C2 ，C3 共同組成晶振電路; 電容C1 、電阻R 13、S B 共同構成復位電路; 其中電阻R13為下拉電阻，SB 為手動復位按鈕。

　　2 軟件設計

　　為了便于子程序的調用和維護系統(tǒng)，程序遵循標準化、模塊化的原則，主要完成包括讀DS18B20 溫度數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的整理轉換、溫度顯示、報警等模塊的設計。由于程序任務相對較少，結構相對簡單，本系統(tǒng)由主程序和多個子程序組成，采用順序性結構主程序流程。

　　2. 1 軟件設計要點

　　由于DS18B20 采用的是單線總線協(xié)議方式，即在一條數(shù)據(jù)線上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而單片機硬件上不支持單總線協(xié)議，因此必須采用軟件方法來模擬單總線的協(xié)議是序來完成對DS18B20 芯片的訪問。

　　由于DS18B20 是在一根I/ O 線上讀寫數(shù)據(jù)，因此對讀寫的數(shù)據(jù)位有嚴格的時序要求，它有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序: 初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將單片機作為主設備，DS18B20 作為從設備，而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求DS18B20 回送數(shù)據(jù)，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。

　　2. 2 軟件設計

　　創(chuàng)新點在溫度顯示模塊引入“顯存”的概念，用“顯存”直接映射到顯示子程序，便于程序的移植，更便于以后的組建多點的溫度檢測網絡，或嵌于其他監(jiān)測系統(tǒng)。

　　程序片段如下:

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　　2. 3 主程序流程圖

　　主程序流程如圖4 所示。

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　　圖4 主程序流程圖

　　3 實物運行與測試

　　測試方法: 用水銀溫度計和溫度測量儀同時對同一空氣環(huán)境、水、人體進行測量，詳細記錄每次測量數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)對比。測試結果如表1 所示，結果顯示誤差僅± 0. 2 ℃。

　　表1 實物運行測試對照表

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　　4 結 語

　　運用溫度傳感器DS18B20 和單片機8051 等設計并制作的溫度測量儀，用較低的成本實現(xiàn)了溫度的測量與顯示。該測量儀采用的元器件價格低廉又容易獲得，具有硬件結構簡單、響應快、顯示直觀等優(yōu)點，并且元器件DS18B20 單總線結構具有很強的擴展性. 還可以組建多點的溫度檢測網絡該方案設計溫度監(jiān)測系統(tǒng)，應用前景廣泛。