淺析基于DS18B20與AT89C2051的溫度測量器設計方案

一、設計概況

本制作采用USB口作為供電端口，用DS18B20溫度傳感器進行溫度信息采集，用AT89C2051單片機進行控制，采用四位共陽數碼管顯示，從而實現對溫度的測量顯示(系統框圖如圖1所示)。本設計可培養學生對單片機學習的興趣，提高其制作與編程能力。

圖1 系統框圖

二、電路原理

采用PROteUS仿真軟件進行原理圖設計與程序仿真。電路如圖2所示。

圖2 電路圖

1、電源

采用USB口供電，可將USB適配器接人電路板的USB口或直接接計算機USB口。這樣，既節省了資源，又能夠獲得較為理想的工作電壓。USB口的外形及電源口定義如圖3所示。

圖3 USB口的外形及電源口定義

2、溫度信號采集

采用DS18B20(外形見圖4)智能型數字溫度傳感器作為溫度信號采集裝置。

圖4 DS18B20外形

(1)DS18B20工作原理

DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數不同，且溫度轉換的延時時間由2s減為750ms。DS18B20測溫原理如圖5所示。其中，低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給計數器1。高溫度系數晶振的振蕩頻率隨溫度變化改變明顯，所產生的信號作為計數器2的脈沖輸人。計數器1和溫度寄存器被預置在-55℃所對應的—個基數值。計數器1對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當計數器1的預置值減到0日寸，溫度寄存器的值將加1，計數器1將重新被裝人預置，并重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數。如此循環，直到計數器2計數到OH寸停止溫度寄存器值的累加。此時，溫度寄存器中的數值即為所測溫度。圖5中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數器1的預置值。

圖5 DS18B20測溫原理圖

(2)DS18B20的主要特性

1)適應電壓范圍3.0V～5.5V，在寄生電源方式下可由數據線供電。

2)DS18B20與微處理器之間僅需要—條口線即可雙向通訊。

3)支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯在唯—的三線上，實現組網多點測溫。

4)不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在外形如一只三極管的電路內。

5)測溫范圍-55℃～+125℃，在-lO℃～+85℃時精度為±0.5℃。

6)可編程的分辨率為9位～12位，對應的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實現高精度測溫。

7)在9位分辨率時，最多93.75ms便可把溫度轉換為數字，12位分辨率時最多750ms便可把溫度值轉換為數字。

8)直接輸出數字溫度信號，以一線總線串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。

9)電源極性接反時，芯片不會因發熱而燒毀，但不能正常工作。

DS18B20遵循單總線協議，每次測溫時必須有初始化、傳送ROM命令、傳送RAM命令、數據交換等4個過程。

3、AT89C2051單片機

采用AT89C2051單片機作為主控元件(參見圖2)。

4、數碼管顯示

采用四位共陽數碼管進行動態顯示，溫度顯示保留到小數點后一位。編程時，利用P3.2～P3.5作為數碼管動態顯示的位選端，Pl.0～Pl.7作為數碼管動態顯示的段選位。當P3.2輸出高電平時選中“1”號數碼管，P3.3輸出高電平時選中“2”號數碼管，以此類推。在電路中，P3.2～P3.5外接4只NPN三極管作為驅動。Pl.0～Pl.7外接8只電阻限流。

三、參考程序

本設計采用單片機C語言進行編程，限于篇幅，其參考程序此處不一一列出。

四、制作與調試

本設計調試較為簡單，只要安裝、焊接正確，程序編寫準確完整，一般較為容易實現功能。

調試好的實物如圖6所示。

圖6 實物圖