基于51单片机和DS18B20的数字温度计设计说明

题目：基于89C51和DS18B20的数字温度计设计

一、设计要求

数字式温度计要求测温范围为－55～125°C，精度误差在0.1°C以内，LED数码管直读显示。

二、方案论证

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。

按照系统设计功能的要求，确定系统由3个模块组成：主控制器、测温电路和显示电路。

数字温度计总体电路结构框图如图1所示。

图1 数字温度计总体电路结构框图

三、系统硬件电路的设计

温度计电路设计原理图如图2所示，控制器使用单片机AT89C51，温度传感器使用DS18B20，用4位共阳LED数码管实现温度显示。

图2 数字温度计设计电路原理图

1、主控制器

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

2、显示电路

显示电路采用4位共阳LED数码管，从P0口输出段码，列扫描用P3.0~P3.3口来实现，列驱动用8550三极管。

3、温度传感器工作原理

DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它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9～12位的数字值读数方式。

DS18B20 的性能特点如下：

●独特的单线接口方式仅需要一个端口引脚进行通信；

●多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；

●无需外部器件；

●可通过数据线供电，电压范围：3.0～5.5V；

●测温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃

●零待机功耗

●温度以9或12位数字量读出；

●用户可定义的非易失性温度报警设置

●报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件

●负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作

DS18B20采用3脚PR－35 封装或８脚SOIC封装，其内部结构框图如图3所示

图3 DS18B20内部结构框图

64 b 闪速ROM 的结构如下：

开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48 位，最后8位是前面56 位的CRC 检验码，这也是多个DS18B20 可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器TH 和TL ，可通过软件写入户报警上下限。主机操作ROM 的命令有五种，如表1所列

表1 主机操作ROM 的命令

指 令 说 明

读ROM （33H ） 读DS1820的序列号

匹配ROM （55H ） 继读完64位序列号的一个命令，用于跳过ROM （CCH ） 此命令执行后的存储器操作将针对搜ROM （F0H ） 识别总线上各器件的编码，为操作各报警搜索（ECH ）

仅温度越限的器件对此命令做出响

DS18B20 温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM 的结构为8字节的存储器，结构如图4所示。

图4 高速暂存RAM结构图

前2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。

温度低位LSB 温度高位

MSB

TH TL 配置保留保留保留8位CRC

当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1，2字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0.062 5 ℃/LSB形式表示。温度值格式如下：

这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。图中，S表示位。对应的温度计算：当符号位S=0时，表示测得的温度植为正值，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，表示测得的温度植为负值，先将补码变换为原码，再计算十进制值。例如+125℃的数字输出为

07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。

DS18B20温度传感器主要用于对温度进行测量，数据可用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，并以0.0625℃／LSB形式表示。表2是部分温度值对应的二进制温度表示数据。

表2 部分温度值

DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL 字节内容作比较，若T>TH或T