数字温度计的设计与仿真
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应用，2000（ 1） ： 58－59．
收稿日期：2011 －10 －25 修改日期：2011 －12 －27 作者简介：高鹏飞（ 1987－） ，男，天津理工大学中环信息学院
自动 化 工 程 系 2006 级 自 动 化 专 业 wk.baidu.com 班 学 生，本科。
Design and simulation of digital thermometer
GAO Peng－fei，LI Shuang－xi
（ College of Zhonghuan Information，Tianjin University of Technology，Tianjin 300380，China）
1 需求分析
温度是一个重要的物理参数，许多重要的物理、 化学过程都要求在一定的温度条件下才能正常进 行，因此温度的测量方法和测量仪表在实际的生产 过程中十分必要［1］。
现代工业现场工作条件恶劣、电磁干扰严重，对 现场温度检测提出了较为苛刻的要求，概括来说，系 统功能要求如下：
（ 1） 尽量减少现场接线数量。 （ 2） 具有较高的可靠性、抗干扰性。 （ 3） 能够同时采集并显示多点温度。 （ 4） 具备足够的测量精度和测量范围。 （ 5） 易于安装、使用及维护。 （ 6） 在满足上述条件的基础上尽量减少成本开销。
6 结束语
图 1 系统框图
采用单总线技术设计的数字温度计与传统的仪 器相比，具有成本低廉、安装维护方便、系统工作稳 定、抗干扰能力强等优点。本次设计的温度测量系 统 的 测 量 温 度 范 围 为 － 55℃ ～ 125℃ ，精 度 0. 0 625℃［10］，能够满足日常生产需要。系统软硬 件已通过 EDA 仿真软件 Proteus 仿真验证，工作稳 定可靠。
ISSN1672 －4305 CN12－1352 / N
实验室科学 LABORATORY SCIENCE
第 15 卷 第 2 期 2012 年 4 月 Vol. 15 No. 2 Apr. 2012
数字温度计的设计与仿真
高鹏飞，李双喜
（ 天津理工大学 中环信息学院，天津 300380）
摘 要： 设计并仿真了一款基于单总线技术的数字温度计。核心部件为 AVR 单片机 ATmega32，主要控制在 单总线上所连接的 温 度 传 感 器 件 以 及 与 主 机 的 通 信 等 功 能。 温 度 采 集 部 分 采 用 达 拉 斯 半 导 体 公 司 生 产 的 DS18B20 进行多点分布式测量，另加入 RS232 接口用以进行上位机通讯。在 Labcenter 公司开发的 EDA 软件 Proteus 仿真环境下进行了仿真验证，仿真结果证明该系统工作稳定、可靠。 关键词： 单总线； 数字温度计； 单片机； Proteus 中图分类号：TH811 文献标识码：B doi：10． 3969 / j． issn． 1672－4305． 2012． 02． 059
3 硬件设计
温度显示部分采用了 SPI 总线架构，新扩展的 MAX7219 只需将 CLK，LOAD 引脚接到 SPI 总线上， DIN 引脚连接到上一片 MAX7219 的 DOUT 引脚。
上位机为通用 PC 机，串口是 RS232 电平，而单 片机的串口是 TTL 电平，两者之间必须有一个电平 转换电路，为此采用了专用芯片 MAX232 进行转换， RS232 采用三线制连接。
4 软件设计
本次设计采用模块化的程序设计思想，将各个 功能模块所调用的函数以库的形式给出，利用 C 语 言完成软件部分的设计开发。软件部分的主要架构 如下：
MAIN． C： 主函数控制模块，主要负责系统的控 制与管理。当系统启动后通过调用 DS18B20． H 接 口函数读取传感器的数量、传感器件类型、传感器内 部 ROM 编码、传感器供电方式与温度数据这些信 息，并将其传递给上位机，同时通过调用数码管驱动 接口函数点亮数码管。DS18B20． H： DS18B20 控制 库文件，提供传感器 DS18B20 控制接口函数。
5 系统仿真
进入 Proteus 仿真环境完成原理图的绘制后，鼠 标右击控制器 ATmega32，将程序“烧录”至单片机 中。利用 Proteus 仿真环境中所提供的示波器与串 口观测器来进行观测，在电压部分的 A、B、C、D 处 引出四个测量点，通过示波器观察电源电路部分的 工作状态。并将串口观测器的 RXD 端连接单片机 的 TXD 端，TXD 端连接单片机的 RXD 端。左侧的 DS18B20 方框内数值代表外界温度。仿真时通过调 节 DS18B20 方框内部的数值，观测到右侧数码管显 示数值与方框内部数值完全相符，而且串口数据内 容也发生改变，系统整体工作正常［9］。
2 总体设计
2． 1 方案设计 系统方案分为供电电源，温度测量，控制器，温
度显示和上位机通讯接口五部分。 （ 1） 供电电源： 用常用 220V 交流电经过变压、
整流、稳压后得到控制器所需要的 5V 电源。（ 2） 温 度测量： 传感器是整个系统中最重要的部分，它的精 度灵敏度基本决定了温度检测系统的精度、测量范 围等。本次设计选用数字式温度传感器 DS18B20。 该传感器具有独特的单总线接口，与主机通讯时只 需一根信号线，全数字信号输出且无需外部器件，因 而十分适用于现代工业现场。（ 3） 控制器： 控制器 是整个检测系统的核心，与传统的温度计相比，由于 电子式温度计具有数字通信接口，并且系统的抗干 扰能力、实用性有了较大的提高。处于性价比方面 的考虑，本设计选用 Atmel 公司的 8 位高性能、低功 耗的单片机 Atmega32［2－4］。（ 4） 温度显示： 采用 8 位 8 段数码管显示每个传感器所采集到的温度，第一 位显 示 正 负，第 二、三、四 位 显 示 整 数，剩 余 显 示 小 数。因数码管控制引脚较多、为易于扩展，加入数码 管驱动芯片 MAX7219［5］。（ 5） 上位机通讯： 上位机
参考文献（ References） ：
［1］ 李增国． 传感器与检测技术［M］． 北京： 北京航空航天大学出 版社，2009．
［2］ 李朝青． 单片机原理及接口技术［M］． 北京： 北京航空航天大 学出版社，1998．
［3］ 李广弟． 单片机基础［M］． 北京： 北京航空航天大学出版社， 1994．
世界，2001（ 12） ： 25－ 29． ［8］ 周云波． 由 DS18B20 单线数字温度计构成的单线多点温度测
量系统［J］． 电子技术应用，1996（ 10） ： 59，63． ［9］ 李学礼． 基于 Proteus 的 8051 单片机实例教程［M］． 北京： 电
子工业出版社，2008． ［10］ 贾振国． DS1820 及其高精度温度测量的实现［J］． 电子技术
［4］ 余永 权． 单片 机 原 理 及应用［M］． 北 京： 电 子 工 业 出 版 社， 1997．
［5］ 曲喜贵． 电子元件材料手册［ M］． 北京： 电子工业出版社， 1989．
［6］ 廖常初． 现场总线概述［J］． 电工技术，1999（ 6） ： 1－5． ［7］ 周月霞，孙传友． DS18B20 硬件连接及软件编程［J］． 传感器
高鹏飞，等： 数字温度计的设计与仿真
191
通讯部分采用 RS232 通讯接口实现与上位机的串 口通信，方便用户的管理与控制［6］。
2． 2 系统框图与工作原理
系统方案如图 1 所示。多个数字式温度传感器 DS18B20 多点分布式测量［7］，将采集到的温度数据 通过单总线传送给控制器 Atmega32，在传输过程中 采取 CRC 校验方式。控制器经过数据处理通过 SPI 总线传递显示信息，经数码管驱动芯片 MAX7219 点 亮数码管，实时显示温度数值，同时将各个传感器的 数据通过串口传送位机［8］。
Abstract： We design a digital thermometer based on 1－wire technology． The core of the system is the AVR MCU，ATmega32，which controls the sensors and communicates with PC． The DS18B20 manufactured by Dallas Semiconductor is used in the part of distributed temperature measurement． RS232 interface is also used in this system in order to communicate with epigyny computer． The system is simulated in the Proteus VSM，which developed by Labcenter company． The stability of this system has been proved by the result of simulation． Key words： 1－wire； digital thermometer； MCU； proteus
收稿日期：2011 －10 －25 修改日期：2011 －12 －27 作者简介：高鹏飞（ 1987－） ，男，天津理工大学中环信息学院
自动 化 工 程 系 2006 级 自 动 化 专 业 wk.baidu.com 班 学 生，本科。
Design and simulation of digital thermometer
GAO Peng－fei，LI Shuang－xi
（ College of Zhonghuan Information，Tianjin University of Technology，Tianjin 300380，China）
1 需求分析
温度是一个重要的物理参数，许多重要的物理、 化学过程都要求在一定的温度条件下才能正常进 行，因此温度的测量方法和测量仪表在实际的生产 过程中十分必要［1］。
现代工业现场工作条件恶劣、电磁干扰严重，对 现场温度检测提出了较为苛刻的要求，概括来说，系 统功能要求如下：
（ 1） 尽量减少现场接线数量。 （ 2） 具有较高的可靠性、抗干扰性。 （ 3） 能够同时采集并显示多点温度。 （ 4） 具备足够的测量精度和测量范围。 （ 5） 易于安装、使用及维护。 （ 6） 在满足上述条件的基础上尽量减少成本开销。
6 结束语
图 1 系统框图
采用单总线技术设计的数字温度计与传统的仪 器相比，具有成本低廉、安装维护方便、系统工作稳 定、抗干扰能力强等优点。本次设计的温度测量系 统 的 测 量 温 度 范 围 为 － 55℃ ～ 125℃ ，精 度 0. 0 625℃［10］，能够满足日常生产需要。系统软硬 件已通过 EDA 仿真软件 Proteus 仿真验证，工作稳 定可靠。
ISSN1672 －4305 CN12－1352 / N
实验室科学 LABORATORY SCIENCE
第 15 卷 第 2 期 2012 年 4 月 Vol. 15 No. 2 Apr. 2012
数字温度计的设计与仿真
高鹏飞，李双喜
（ 天津理工大学 中环信息学院，天津 300380）
摘 要： 设计并仿真了一款基于单总线技术的数字温度计。核心部件为 AVR 单片机 ATmega32，主要控制在 单总线上所连接的 温 度 传 感 器 件 以 及 与 主 机 的 通 信 等 功 能。 温 度 采 集 部 分 采 用 达 拉 斯 半 导 体 公 司 生 产 的 DS18B20 进行多点分布式测量，另加入 RS232 接口用以进行上位机通讯。在 Labcenter 公司开发的 EDA 软件 Proteus 仿真环境下进行了仿真验证，仿真结果证明该系统工作稳定、可靠。 关键词： 单总线； 数字温度计； 单片机； Proteus 中图分类号：TH811 文献标识码：B doi：10． 3969 / j． issn． 1672－4305． 2012． 02． 059
3 硬件设计
温度显示部分采用了 SPI 总线架构，新扩展的 MAX7219 只需将 CLK，LOAD 引脚接到 SPI 总线上， DIN 引脚连接到上一片 MAX7219 的 DOUT 引脚。
上位机为通用 PC 机，串口是 RS232 电平，而单 片机的串口是 TTL 电平，两者之间必须有一个电平 转换电路，为此采用了专用芯片 MAX232 进行转换， RS232 采用三线制连接。
4 软件设计
本次设计采用模块化的程序设计思想，将各个 功能模块所调用的函数以库的形式给出，利用 C 语 言完成软件部分的设计开发。软件部分的主要架构 如下：
MAIN． C： 主函数控制模块，主要负责系统的控 制与管理。当系统启动后通过调用 DS18B20． H 接 口函数读取传感器的数量、传感器件类型、传感器内 部 ROM 编码、传感器供电方式与温度数据这些信 息，并将其传递给上位机，同时通过调用数码管驱动 接口函数点亮数码管。DS18B20． H： DS18B20 控制 库文件，提供传感器 DS18B20 控制接口函数。
5 系统仿真
进入 Proteus 仿真环境完成原理图的绘制后，鼠 标右击控制器 ATmega32，将程序“烧录”至单片机 中。利用 Proteus 仿真环境中所提供的示波器与串 口观测器来进行观测，在电压部分的 A、B、C、D 处 引出四个测量点，通过示波器观察电源电路部分的 工作状态。并将串口观测器的 RXD 端连接单片机 的 TXD 端，TXD 端连接单片机的 RXD 端。左侧的 DS18B20 方框内数值代表外界温度。仿真时通过调 节 DS18B20 方框内部的数值，观测到右侧数码管显 示数值与方框内部数值完全相符，而且串口数据内 容也发生改变，系统整体工作正常［9］。
2 总体设计
2． 1 方案设计 系统方案分为供电电源，温度测量，控制器，温
度显示和上位机通讯接口五部分。 （ 1） 供电电源： 用常用 220V 交流电经过变压、
整流、稳压后得到控制器所需要的 5V 电源。（ 2） 温 度测量： 传感器是整个系统中最重要的部分，它的精 度灵敏度基本决定了温度检测系统的精度、测量范 围等。本次设计选用数字式温度传感器 DS18B20。 该传感器具有独特的单总线接口，与主机通讯时只 需一根信号线，全数字信号输出且无需外部器件，因 而十分适用于现代工业现场。（ 3） 控制器： 控制器 是整个检测系统的核心，与传统的温度计相比，由于 电子式温度计具有数字通信接口，并且系统的抗干 扰能力、实用性有了较大的提高。处于性价比方面 的考虑，本设计选用 Atmel 公司的 8 位高性能、低功 耗的单片机 Atmega32［2－4］。（ 4） 温度显示： 采用 8 位 8 段数码管显示每个传感器所采集到的温度，第一 位显 示 正 负，第 二、三、四 位 显 示 整 数，剩 余 显 示 小 数。因数码管控制引脚较多、为易于扩展，加入数码 管驱动芯片 MAX7219［5］。（ 5） 上位机通讯： 上位机
参考文献（ References） ：
［1］ 李增国． 传感器与检测技术［M］． 北京： 北京航空航天大学出 版社，2009．
［2］ 李朝青． 单片机原理及接口技术［M］． 北京： 北京航空航天大 学出版社，1998．
［3］ 李广弟． 单片机基础［M］． 北京： 北京航空航天大学出版社， 1994．
世界，2001（ 12） ： 25－ 29． ［8］ 周云波． 由 DS18B20 单线数字温度计构成的单线多点温度测
量系统［J］． 电子技术应用，1996（ 10） ： 59，63． ［9］ 李学礼． 基于 Proteus 的 8051 单片机实例教程［M］． 北京： 电
子工业出版社，2008． ［10］ 贾振国． DS1820 及其高精度温度测量的实现［J］． 电子技术
［4］ 余永 权． 单片 机 原 理 及应用［M］． 北 京： 电 子 工 业 出 版 社， 1997．
［5］ 曲喜贵． 电子元件材料手册［ M］． 北京： 电子工业出版社， 1989．
［6］ 廖常初． 现场总线概述［J］． 电工技术，1999（ 6） ： 1－5． ［7］ 周月霞，孙传友． DS18B20 硬件连接及软件编程［J］． 传感器
高鹏飞，等： 数字温度计的设计与仿真
191
通讯部分采用 RS232 通讯接口实现与上位机的串 口通信，方便用户的管理与控制［6］。
2． 2 系统框图与工作原理
系统方案如图 1 所示。多个数字式温度传感器 DS18B20 多点分布式测量［7］，将采集到的温度数据 通过单总线传送给控制器 Atmega32，在传输过程中 采取 CRC 校验方式。控制器经过数据处理通过 SPI 总线传递显示信息，经数码管驱动芯片 MAX7219 点 亮数码管，实时显示温度数值，同时将各个传感器的 数据通过串口传送位机［8］。
Abstract： We design a digital thermometer based on 1－wire technology． The core of the system is the AVR MCU，ATmega32，which controls the sensors and communicates with PC． The DS18B20 manufactured by Dallas Semiconductor is used in the part of distributed temperature measurement． RS232 interface is also used in this system in order to communicate with epigyny computer． The system is simulated in the Proteus VSM，which developed by Labcenter company． The stability of this system has been proved by the result of simulation． Key words： 1－wire； digital thermometer； MCU； proteus