数字式温度计设计

数字温度计的设计与实现

一、设计目的

１．了解DS18B20数字式温度传感器的工作原理。

２．利用DS18B20数字式温度传感器和微机实验平台实现数字温度计。

二、设计内容与要求

采用数字式温度传感器为检测器件，进行单点温度检测。用数码管直接显示温度值，微机系统作为数字温度计的控制系统。

１．基本要求：

(1)检测的温度范围：0℃～100℃，检测分辨率 0.5℃。

(2)用4位数码管来显示温度值。

(3)超过警戒值（自己定义）要报警提示。

２．提高要求

(1)扩展温度范围。

(2)增加检测点的个数，实现多点温度检测。

三、设计报告要求

１．设计目的和内容

２．总体设计

３．硬件设计：原理图（接线图）及简要说明

４．软件设计框图及程序清单

５．设计结果和体会（包括遇到的问题及解决的方法）

四、数字温度传感器DS18B20

由DALLAS半导体公司生产的DS18B20型单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器,可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。

1.DS18B20性能特点

DS18B20的性能特点：①采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O 口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位），②测温范围为-55℃-+125℃，测量分辨率为0.0625℃,③内含64位经过激光修正的只读存储器ROM ，④适配各种单片机或系统机，⑤用户可分别设定各路温度的上、下限，⑥内含寄生电源。 2. DS18B20内部结构

DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH 和TL,高速暂存器。64位光刻ROM 是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列号。64位ROM 结构图如图2所示。不同的器件地址序列号不同。 DS18B20的管脚排列如图1所示。

图1 DS18B20引脚分布图

图2 64位ROM 结构图 DS18B20高速暂存器共9个存储单元，如表所示： LSB

MSB 8位检验CRC 48位序列号 8位工厂代码（10H ）

以12位转化为例说明温度高低字节存放形式及计算：12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个高低两个8位的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才能得到实际温度。

3.DS18B20控制方法

DS18B20有六条控制命令，如表所示：

4.DS18B20的通信协议

DS18B20器件要求采用严格的通信协议，以保证数据的完整性。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲，应答脉冲时隙；写0，写1时隙；读0，读1时隙。与DS18B20的通信，是通过操作时隙完成单总线上的数据传输。发送所有的命令和数据时，都是字节的低位在前，高位在后。

a)复位和应答脉冲时隙

每个通信周期起始于微控制器发出的复位脉冲，其后紧跟DS18B20发出的应答脉冲，在写时隙期间，主机向DS18B20器件写入数据，而在读时隙期间，主机读入来自DS18B20的数据。在每一个时隙，总线只能传输一位数据。时序图见图3。

b)写时隙

当主机将单总线DQ从逻辑高拉到逻辑低时，即启动一个写时隙，所有的写时隙

必须在60~120us完成，且在每个循环之间至少需要1us的恢复时间。写0和写1时隙如图所示。在写0时隙期间，微控制器在整个时隙中将总线拉低；而写1时隙期间，微控制器将总线拉低，然后在时隙起始后15us之释放总线。时序图见图4。

c)读时隙

DS18B20器件仅在主机发出读时隙时，才向主机传输数据。所以在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时隙，以便DS18B20能够传输数据。所有的读时隙至少需要60us，且在两次独立的读时隙之间，至少需要1us的恢复时间。每个读时隙都由主机发起，至少拉低总线1us。在主机发起读时隙之后，DS18B20器件才开始在总线上发送0或1，若DS18B20发送1，则保持总线为高电平。若发送为0，则拉低总线当发送0时，DS18B20在该时隙结束后，释放总线，由上拉电阻将总线拉回至高电平状态。DS18B20发出的数据，在起始时隙之后保持有效时间为15us。因而主机在读时隙期间，必须释放总线。并且在时隙起始后的15us之内采样总线的状态。时序图见图4。

图3 复位和应答脉冲时隙

图4 读写时序

五、硬件电路设计

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5所示。

图5 电路结构框图

在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5KΩ左右的上拉电阻。

六、软件设计

系统程序主要包括主程序、读出温度子程序、温度转换子程序、计算温度子程序、显示数据刷新子程序等等。

1．主程序

主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量温度值，温度测量每1s进行一次，其程序流程图如图6。

图6 主程序流程图

2．读出温度子程序

读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需要进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图7所示。