DS18B20数字温度计毕业设计毕业设计

西南大学本科毕业论文（设计）2 DS18B20数字温度计设计西南大学工程技术学院，重庆 400716摘要：本文介绍了利用美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改 进型智能温度传感DS18B20 和ATMEL公司生产的AT89C2051 ，结合四位共阳型LED，采用 动态显示的方法实现室内温度的检测和读数。本文设计的数字温度 计基于DS18B20单线总线结 构，与 单片机的接口电路简单无须外部电路，同时由于DS18B20 能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读 数方式，因而使得整体 设计思路简单，可以实现-55 +125C 的温度测量，精度误差在0.1C 以内。本文给出了具体的硬件电路和软件设计。关键词：单片机 DS18B20 智能温度传感器DS18B20 DIGITAL THERMOMETER DESIGNLI XuejianCollege of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400716, ChinaAbstract：This paper presents the method for a digital thermometer design made of DS18B20,a newly-product of advaced Programmable Resolution 1-Wire Digital Thermometer（DALLAS），and AT89C2051 (ATMEL).This design adopts dynamic dispay method with four LED to measure room temperature.This digital thermometer is based on the one wire configuration of DS18B20, and no external circuit is required.Since the measured temperature can be directly read by DS18B20 and 9-12 digits reading can be implemented through simple programming, the overalldesign concept is simple. Temperature within -55+125 C can be measured with an error of +/-0.1C. Detailed circuits and softwaredesign are given here. Key Words：single-chip computer DS18B20 smart temperature sensor西南大学本科毕业论文（设计）3 文献综述自动控制领域中，温度检测与控制占有很重要地位。温度测控系统在工农业生产、科学研究和在人们的生活领域，也得到了广泛应用。因此，温度传感器的应用数量居各种传感器之首。目前，温度传感器正从模拟式向数字集成式方向飞速发展。温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经历了以下 3 个阶段：传统的分立式温度传感器（含敏感元件） ，主要是能够进行非电量和电量之间转换模拟集成温度传感器/控制器智能温度传感器目前，国际上新型温度传感器正从模拟式想数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。一、温度传感器简介目前，温度传感器没有统一的分类方法。按输出量分类有模拟式温度传感器和数字式温度传感器。按测温方式分类有接触式温度传感器和非接触式温度传感器。按类型分类有分立式温度传感器（含敏感元件） 、模拟集成温度传感器和智能温度传感器（即数字温度传感器） 。模拟式温度传感器输出的是随温度变化的模拟量信号。其特点是输出响应速度较快和MPU （微处理器）接口较复杂。数字式温度传感器输出的是随温度变化的数字量，同模拟输出相比，它输出速度响应较慢，但容易与MPU接口。温度传感器与被测介质的接触方式分为两大类：接触式和非接触式。接触式温度传感器需要与被测介质保持热接触，使两者进行充分的热交换而达到同一温度。这一类传感器主要有电阻式、热电偶、PN结温度传感器等。非接触式温度传感器无需与被测介质接触， 而是通过被测介质的热辐射或对流传到温度传感器，以达到测温的目的。这一类传感器主要有红外测温传感器。这种测温方法的主要特点是可以测量运动状态物质的温度（如慢速行使的火车的轴承温度，旋转着的水泥窑的温度）及热容量小的物体（如集成电路中的温度分布）下面对工程中常用的温度传感器做简单介绍。西南大学本科毕业论文（设计）4 1传统的分立式温度传感器1.1 热敏电阻温度传感器热敏电阻是利用电阻值随温度变化而构成的温度传感器，这类电阻的材料选用锰、镍、钴等金属氧化物，电阻值随温度变化较大，易于批量生产、价格低廉，但电阻值/温度特性为非线性关系，测温范围限于-100+400。根据其温度特性的不同，热敏电阻大致分为三类，即负温度系数的热敏电阻NTC、正温度系数的热敏电阻 PTC 以及临界温度系数热敏电阻 CTR，其中，NTC 对于温度的线性升高，电阻值以对数形式减小，作为各种温度传感器应用极其广泛。PTC 在工作温度范围内电阻值随温度升高而显著增大。CTR 表示对于特定的温度其电阻值急剧增大。1.2 热电阻式温度传感器利用热电阻温度系数随温度变化的特性而制成的温度传感器，称为热电阻温度传感器。对于大多数金属导体，其电阻值都具有随温度升高而增大的特性。由于纯金属的温度系数比合金的高，因此均采用纯金属作为热电阻组件。常用的金属导体材料有铂、铜、铁和镍。下面介绍铂电阻温度传感器。铂电阻的特点是精度高，稳定性好，重复性好，这是由金属铂的物理及化学性能所决定的，因此它是目前制造热电阻温度传感器最理想的材料，可用做标准电阻温度计，被广泛应用于作为温度的基准。1.3 热电偶式温度传感器热电偶是一种传统的温度传感器，其测温范围一般为-50+1600，最高可达+2800，并且有较高的测量精度。另外，热电偶产品已实现标准化、系列化，使用时易于选择，可方便地用计算机线性补偿，因此，至今在测温领域仍被广泛使用。它的理论基础是建立在热电效应上，将热能转化为电能。2模拟集成温度传感器/控制器集成温度传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器和单片集成传感器。模拟集成温度传感器是在 20 世纪 80 年代问世的。它是将温度传感器集成在一个芯片、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用 IC，它属于最简单的一种集成温度传感器，主要特点是功能单一（仅测量温度） 、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单，是目前国内应用较为普遍的一种集成传感器。根据输西南大学本科毕业论文（设计）5 出方式的不同，模拟集成温度传感器可划分成以下 5 种类型： 电流输出式集成温度传感器 电压输出式集成温度传感器 周期输出式集成温度传感器 频率输出式集成温度传感器 比率输出式集成温度传感器3智能温度传感器智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在 20 世纪 90 年代中期问世的。智能温度传感器是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶，它也是集成温度传感器领域中最具活力和发展前途的一种产品。目前，国际上许多著名的集成电路生产厂家已开发出上百种智能温度传感器产品。智能温度传感器具有以下三个显著特点：第一，能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU） ；第二，能以最简方式构成高性价比、多功能的智能化温度测控系统；第三，它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。智能温度传感器采用了数字化技术，能以数据形式输出被测温度值。其测温误差小、分辨率高、抗干扰能力强，能远程传输数据，用户可设定温度上、下限，具有越限自动报警功能并且带串行总线接口，适配各种微控制器。按照串行总线来划分，有单线总线（1-Wire） 、二线总线（含 SMBus、IC 总线）和四线总线（含 SPI总线）几种类型。典型产品有 DS18B20（单线总线） 、LM75（IC 总线）LM74（SPI 总线） 。二、智能温度传感器发展的新趋势进入 21 世纪后,智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。1提高测温精度和分辨力在 20 世纪 90 年代中期最早推出的智能温度传感器,采用的是 8 位 A/D 转换器,其测温精度较低,分辨力只能达到 1。目前,国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器,所用的是 912 位 A/D 转换器 ,分辨力一般可达0.50.0625。由美国 DALLAS 半导体公司新研制的 DS1624 型高分辨力智能温度西南大学本科毕业论文（设计）6 传感器,能输出 13 位二进制数据,其分辨力高达 0.03125,测温精度为0.2。为了提高多通道智能温度传感器的转换速率,也有的芯片采用高速逐次逼近式 A/D 转换器。以 AD7817 型 5 通道智能温度传感器为例,它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为 27S、9S。2增加测试功能新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。例如,DS1629 型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（RTC）,使其功能更加完善。DS1624 还增加了存储功能,利用芯片内部 256 字节的 E2PROM 存储器,可存储用户的短信息。另外,智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展,这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。智能温度传感器都具有多种工作模式可供选择,主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式,有的还增加了低温极限扩展模式,操作非常简便。对某些智能温度传感器而言,主机(外部微处理器或单片机)还可通过相应的寄存器来设定其 A/D转换速率(典型产品为 MAX6654),分辨力及最大转换时间(典型产品为 DS1624)。智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。典型产品有DS1620、DS1623、TCN75 、LM76、MAX 6625。智能温度控制器适配各种微控制器,构成智能化温控系统;它们还可以脱离微控制器单独工作,自行构成一个温控仪。3总线技术的标准化与规范化目前,智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化,所采用的总线主要有单线(1-Wire)总线、I2C 总线、SMBus 总线和 SPI 总线。4可靠性及安全性设计传统的 A/D 转换器大多采用积分式或逐次比较式转换技术 ,其噪声容限低,抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差。新型智能温度传感器(例如TMP03/04、 LM74、LM83) 普遍采用了高性能的 式 A/D 转换器,它能以很高的采样速率和很低的采样分辨力将模拟信号转换成数字信号,再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术,来提高有效分辨力。 式 A/D 转换器不仅能滤除量化噪声,而且对外围元件的精度要求低。为了避免在温控系统受到噪声干扰时产生误动作,在 AD7416/7417/7817、LM7576、MAX6625 6626 等智能温度传感器的内部,都设置了一个可编程的“故障排队(fault queue)”计数器,专用于设定允许被测温度值超过上、下限的次数。仅当被测温度连续超过上限或低于下限的次数达到或超过所西南大学本科毕业论文（设计）7 设定的次数 n(n=14)时,才能触发中断端。若故障次数不满足上述条件或故障不是连续发生的,故障计数器就复位而不会触发中断端。这意味着假定 n=3 时,那么偶然受到一次或两次噪声干扰,都不会影响温控系统的正常工作。LM76 型智能温度传感器增加了温度窗口比较器,非常适合设计一个符合ACPI(Advanced Configuration and Power Interface,即“先进配置与电源接口”)规范的温控系统。这种系统具有完善的过热保护功能,可用来监控笔记本电脑和服务器中CPU 及主电路的温度。微处理器最高可承受的工作温度规定为 tH,台式计算机一般为 75,高档笔记本电脑的专用 CPU 可达 100。一旦 CPU 或主电路的温度超出所设定的上、下限时,INT 端立即使主机产生中断,再通过电源控制器发出信号,迅速将主电源关断起到保护作用。此外,当温度超过 CPU 的极限温度时,严重超温报警输出端(T_CRIT_A)也能直接关断主电源,并且该端还可通过独立的硬件关断电路来切断主电源,以防主电源控制失灵。上述三重安全性保护措施已成为国际上设计温控系统的新观念。为防止因人体静电放电(ESD)而损坏芯片。一些智能温度传感器还增加了 ESD保护电路,一般可承受 10004000V 的静电放电电压。通常是将人体等效于由 100PF电容和 1.2K 欧姆电阻串联而成的电路模型,当人体放电时,TCN75 型智能温度传感器的串行接口端、中断比较器信号输出端和地址输入端均可承受 1000V 的静电放电电压。LM83 型智能温度传感器则可承受 4000V 的静电放电电压。最新开发的智能温度传感器(例如 MAX6654、LM83)还增加了传感器故障检测功能,能自动检测外部晶体管温度传感器(亦称远程传感器)的开路或短路故障。MAX6654 还具有选择“寄生阻抗抵消”(Parasitic Resistance Cancellation,英文缩写为 PRC)模式,能抵消远程传感器引线阻抗所引起的测温误差,即使引线阻抗达到 100欧姆,也不会影响测量精度。远程传感器引线可采用普通双绞线或者带屏蔽层的双绞线。5虚拟温度传感器和网络温度传感器(1)虚拟传感器虚拟传感器是基于传感器硬件和计算机平台、并通过软件开发而成的。利用软件可完成传感器的标定及校准,以实现最佳性能指标。最近,美国公司已开发出一种基于软件设置的 TEDS 型虚拟传感器,其主要特点是每只传感器都有唯一的产品序列号并且附带一张软盘,软盘上存储着对该传感器进行标定的有关数据。使用时,传西南大学本科毕业论文（设计）8 感器通过数据采集器接至计算机,首先从计算机输入该传感器的产品序列号,再从软盘上读出有关数据,然后自动完成对传感器的检查、传感器参数的读取、传感器设置和记录工作。(2)网络温度传感器网络温度传感器是包含数字传感器、网络接口和处理单元的新一代智能传感器。数字传感器首先将被测温度转换成数字量,再送给微控制器作数据处理。最后将测量结果传输给网络,以便实现各传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与系统之间的数据交换及资源共享,在更换传感器时无须进行标定和校准,可做到“即插即用(Plug&Play)”,这样就极大地方便了用户。6单片测温系统单片系统(System On Chip)是 21 世纪一项高新科技产品。它是在芯片上集成一个系统或子系统,其集成度将高达 108109 元件/片,这将给 IC 产业及 IC 应用带来划时代的进步。半导体工业协会(SIA)对单片系统集成所作的预测见表。目前,国际上一些著名的 IC 厂家已开始研制单片测温系统,相信在不久的将来即可面市。西南大学本科毕业论文（设计）9 1 引言温度是表征物体冷热程度的物理量,是工业生产和科学实验中一个非常重要的参数。物质的许多物理现象和化学性质都与温度有关。它一般约占生产过程中全部过程参数的50 %左右,许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的。因此,温度检测仍有很重要的地位。温度计是日常生活，工业控制中常见的测温仪器，测量温度的关键部件是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个阶段：传统的分立式温度传感器，如NTC(热敏电阻)测温技术、半导体温度传感器测温技术、铂电阻(RTD) 测温技术、热电偶测温技术；模拟集成温度传感器，如AD590（电流输出型的集成温度传感器） ，AN6701；智能集成温度传感器，如美国DALLAS公司生产的DS1620，DS1820，DS 18B20等。各种测温技术各有优缺点，在不同的领域都有其最适合的应用之处。本文拟采用美国DALLAS公司生产的数字温度测控器DS18B20和ATMEL 公司生产的AT89 C2051，采用LED动态显示设计一个数字温度计。2 系统方案选择与论证2.1 设计功能要求数字式温度计要求测量范围为-55+125C，精度误差在0.1C以内，LED数码管直接显示温度。2.2 系统基本方案方案一：在以往的温度测控系统中,大多采用对温度传感器采集到的信号放大,经A/D转换,然后送入单片机进行处理,要提高精度,就必须采用高精度的放大器和 A/D转换器。这种电路硬件结构复杂，调试繁杂，精度易受元器件参数影响。这类温度计的方案可以统一表示为图2.1所示的原理框图。温度传感器与被测介质的接触方式分为两大类：接触式和非接触式。接触式温度传感器需要与被测介质保持热接触，使两者进行充分的热交换而达到同一温度。这一类传感器主要有电阻式、热电偶、PN结温度传感器等。非接触式温度传感器无需与被测介质接触，而是通过被测介质西南大学本科毕业论文（设计）10 的热辐射或对流传到温度传感器，以达到测温的目的。这一类传感器主要有红外测温传感器 1，3，5 。方案一的应用电路一：利用石英晶体作温度传感器，石英晶体温度传感器和以发送模式工作的LTC-485RS485 型收发器IC1组成一个Pierce晶体振荡器。收发器的差分电路驱动器输出端通过双绞线电缆传送频率编码的温度信号，传递距离长达1000英尺6。图21 方案一的系统框图Fig.2.1 system block of scheme 1第二只LTC-485型收发器IC 2以接收模式工作，接收差分数据，并为IC 3提供一个单端输出信号。IC 3是PIC -16F73型处理器，它将频率编码的温度数据转换后在LCD或者LED上显示出摄氏温度 。 其系统框图如图2.2所示 12。图 22 直接读出摄氏温度数的石英晶体遥测温度计Fig.2.2 Derected_read t