DS18B20数字温度计的设计与实现.docx

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DS18B20数字温度计的设计与实现

摘要…………………………………………………………………………...I

第一章绪论

1.1课题来源

20世纪80年代中期以后，Intel公司以专利转让的形式把8051内核技术转让给许多半导体芯片生产厂家，如ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。

这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。

这些兼容机与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而，常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机，它们对8051单片机一般都作了一些扩充，使其更有特点。

其功能和市场竞争力更强，其实不该把它们直接称呼为MCS-51系列单片机，因为MCS只是Intel公司专用的单片机系列型号。

MCS-51系列及80C51单片机有多种品种。

它们的引脚及指令系统相互兼容，主要在内部结构上有些区别。

目前使用的MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类：

基本型、增强型、低功耗型、专用型、超8位型、片内闪烁存储器型。

其中ATMEL公司的标准型AT89单片机因其与MCS-51的完全兼容性、优良的工作性能、使用的灵活性以及较高的性能价格比，成为AT89系列单片机的主流机型，在嵌入式控制系统中获得广泛应用。

众所周知，环境温度一直是生物能否较适宜生存的一个重要因素，而人们对环境温度的感知也从单纯的身体感官的感受发展到用各种温度计来对环境温度进行准确的测量。

但是受限于技术等原因，温度计通常都有体积较大，精度不高等各种缺陷。

而数字温度测量芯片的出现则解决了这些问题，其中的一款芯片DS18B20是DALLAS公司生产的1-Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。

因此，用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线上可以挂载很多这样的数字温度芯片，十分方便。

美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820[2]是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。

全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

“一线总线”独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。

使你可以充分发挥“一线总线”的优点。

同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C～+125°C，在-10～+85°C范围内，精度为±0.5°C。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

适合于恶劣环境的现场温度测量，如：

环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

与前一代产品不同，新的产品支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。

而且新一代产品更便宜，体积更小，这就为用最低的成本制作出用途更广，精度更高的便携带的数字温度计提供了可能。

目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。

单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有三十多年了。

由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无所不为”。

单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域，对各个行业的技术改造和产品更新换代起着重要的推动作用。

单片机有两种基本结构形式：

一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，称为普林斯顿结构。

另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，一般需要较大的程序存储器。

目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。

本设计讨论的单片机多功能定时器的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机，配置了外围设备，构成了一个可编程的计时定时系统，具有体积小，可靠性高，功能强等特点。

不仅能满足所需要求而且还有很多功能可供开发，有着广泛的应用领域。

1.2国内外现状及水平

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。

成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。

随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。

随着国内外工艺的日益发展，温度检测技术也不断的进步，目前的温度检测使用的温度计种类繁多、应用范围也较广泛，大致包括一些几种方法：

（1）利用物体热胀冷缩原理制成的温度计，包括玻璃温度计、双金属温度计、压力温度计等；

（2）利用热电效应技术制成的温度检测元件；

利用此项技术制成的温度检测元件主要是热电偶。

热电偶发展较早，比较成熟，至今仍未应用最广泛的检测元件。

热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。

常用热电偶镍铬-镍硅、镍铬-康铜、铂铑-铂、铂锗30-铂锗6等；

（3）利用热阻效应制成的温度计：

可分为电阻测温元件、导体测温元件、陶瓷热敏测温元件；

（4）利用热幅原理制成的高温计；

辐射测温在近年相对其他的测温领域显得活跃些，热辐射高温计通常分为两种：

一种是单色辐射高温计，一般称为光学高温计；另一种是全辐射高温计，它的原理是物体受热辐射后，视物体本身的性质，能将其吸收、透过或反射，。

而受热物体放出的辐射能的多少，与他的温度有一定的关系。

热辐射式高温计就是根据这种热辐射原理制成的。

（5）利用声学原理进行温度测量；

声学法温度检测技术是近年来发展起来的一项新技术，利用该技术，可以对炉内的烟气温度测量值和火焰分布进行检测，判断炉的燃烧状况，进行实时调节和控制。

声学温度检测技术的基本原理是通过测量声波传感器之间的声波传播时间以最小二乘原理重建温度的测量方法。

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。

尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：

CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。

同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。

而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。

单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。

单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

早期的单片机都是8位或4位的。

其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。

此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。

基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。

随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。

90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。

随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。

而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。

目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。

当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。

而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。

1.3课题研究的目的意义

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，或科研实验室使用。

温度计是常用的热工仪表，常用于工业现场作为过程的温度测量。

在工业生产过程中，不仅需要了解当前温度读数，而且还希望能了解过程中的温度变化情况。

随着工业现代化的发展，对温度测量仪表的要求越来越高，而数字温度表具有结构简单，抗干扰能力强，功耗小，可靠性高，速度快等特点，更加适合于工业过程中以及科学试验中对温度进行在线测量的要求。

近年来，数字温度表广泛应用在各个领域，它与模拟式温度表相比较，归纳起来有如下特点。

⑴准确度高，⑵测量范围宽、灵敏度高，⑶测量速度快，⑷使用方便、操作简单，⑸抗干扰能力强，⑹自动化程度高，⑺读数清晰、直观方便。

数字温度计的高速发展，使它已成为实现测量自动化、提高工作效率不可缺少的仪表。

数字化是当前计量仪器仪表发展的主要方向之一。

而高准确度数字温度计的出现，又使温度计进入了精密标准测量领域。

与此相适应，测量的可靠性、准确性显得越来越重要。

1.4课题研究内容

本设计主要介绍了用单片机和数字温度传感器DS18B20相结合的方法来实现温度的采集，以单片机AT89C51芯片为核心，辅以温度传感器DS18B20和LED数码管及必要的外围电路，构成了一个多功能单片机数字温度计。

该装置适用于人民的日常生活和工、农业生产的温度测量与报警，实现对温度的监测。

其主要研究内容包括两方面，一是对系统硬件部分的设计，包括温度采集电路和显示电路；二是对系统软件部分的设计，应用C语言实现温度的采集与显示。

通过利用数字温度传感器DS18B20进行设计，能够满足实时检测温度的要求，同时通过LED数码管的显示功能，可以实现不间断的温度显示，并带有复位功能。

本次设计的主要思路是利用51系列单片机，数字温度传感器DS18B20和LED数码显示器，构成实现温度检测与显示的单片机控制系统，即数字温度计。

通过对单片机编写相应的程序，达到能够实时检测周围温度的目的。

通过对本课题的设计能够熟悉数字温度计的工作原理及过程，了解各功能器件（单片机、DS18B20、LED）的基本原理与应用，掌握各部分电路的硬件连线与程序编写，最终完成对数字温度计的总体设计。

根据实验要求实现测温范围在-55~125oC，误差在±0.5oC以内的LED数码管显示。

第二章系统方案设计

2.1设计任务和要求

本次课程设计课题是数字温度计的设计，设计任务为：

（1）根据设计要求，选用AT89C51单片机为核心器件；

（2）温度检测器件采用DS18B20数字式温度传感器，利用单总线式连接方式与单片机的串行接口P0.0引脚相连；

（3）显示电路采用4个LED数码管显示器接P1口并行显示温度值，数码管由P3口（P3.0～P3.3）选通，动态显示。

（4）给出全部电路和源程序。

2.2设计方案

根据系统的设计要求，选择DS18B20作为本系统的温度传感器，选择单片机AT89C51为测控系统的核心来完成数据采集、处理、显示、报警等功能。

选用数字温度传感器DS18B20，省却了采样/保持电路、运放、数/模转换电路以及进行长距离传输时的串/并转换电路，简化了电路，缩短了系统的工作时间，降低了系统的硬件成本。

该系统的总体设计思路如下：

温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到AT89C51单片机上，经过51单片机处理，将把温度在显示电路上显示，本系统显示器用4位共阳LED数码管以动态扫描法实现。

检测范围-55摄氏度到125摄氏度。

根据系统的设计要求，选择DS18B20作为本系统的温度传感器，选择单