基于DS18B20和AT89C2051的家用溫度測量器設(shè)計(jì)研究

一、設(shè)計(jì)概況

本制作采用USB口作為供電端口，用DS18B20溫度傳感器進(jìn)行溫度信息采集，用AT89C2051單片機(jī)進(jìn)行控制，采用四位共陽數(shù)碼管顯示，從而實(shí)現(xiàn)對溫度的測量顯示（系統(tǒng)框圖如圖1所示）。本設(shè)計(jì)可培養(yǎng)學(xué)生對單片機(jī)學(xué)習(xí)的興趣，提高其制作與編程能力。

圖1 系統(tǒng)框圖

二、電路原理

采用PROteUS仿真軟件進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)USB口。這樣，既節(jié)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(shù)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(shí)序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)不同，且溫度轉(zhuǎn)換的延時(shí)時(shí)間由2s減為750ms。DS18B20測溫原理如圖5所示。其中，低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率隨溫度變化改變明顯，所產(chǎn)生的信號作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸人。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對應(yīng)的—個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0日寸，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1將重新被裝人預(yù)置，并重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)。如此循環(huán)，直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到OH寸停止溫度寄存器值的累加。此時(shí)，溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖5中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。

圖5 DS18B20測溫原理圖

（2）DS18B20的主要特性

1）適應(yīng)電壓范圍3.0V～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)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(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯—的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫。

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

5）測溫范圍－55℃～＋125℃，在－lO℃～＋85℃時(shí)精度為±0.5℃。

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

7）在9位分辨率時(shí)，最多93.75ms便可把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多750ms便可把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字。

8）直接輸出數(shù)字溫度信號，以一線總線串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。

9）電源極性接反時(shí)，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。

DS18B20遵循單總線協(xié)議，每次測溫時(shí)必須有初始化、傳送ROM命令、傳送RAM命令、數(shù)據(jù)交換等4個(gè)過程。

3、AT89C2051單片機(jī)

采用AT89C2051單片機(jī)作為主控元件（參見圖2）。

4、數(shù)碼管顯示

采用四位共陽數(shù)碼管進(jìn)行動態(tài)顯示，溫度顯示保留到小數(shù)點(diǎn)后一位。編程時(shí)，利用P3.2～P3.5作為數(shù)碼管動態(tài)顯示的位選端，Pl.0～Pl.7作為數(shù)碼管動態(tài)顯示的段選位。當(dāng)P3.2輸出高電平時(shí)選中“1”號數(shù)碼管，P3.3輸出高電平時(shí)選中“2”號數(shù)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(qū)動。Pl.0～Pl.7外接8只電阻限流。

三、參考程序

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)C語言進(jìn)行編程，限于篇幅，其參考程序此處不一一列出。

四、制作與調(diào)試

本設(shè)計(jì)調(diào)試較為簡單，只要安裝、焊接正確，程序編寫準(zhǔn)確完整，一般較為容易實(shí)現(xiàn)功能。

調(diào)試好的實(shí)物如圖6所示。

圖6 實(shí)物圖