浅析基于DS18B20与AT89C2051的温度测量器设计方案

一、设计概况

本制作采用USB口作为供电端口，用DS18B20温度传感器进行温度信息采集，用AT89C2051单片机进行控制，采用四位共阳数码管显示，从而实现对温度的测量显示(系统框图如图1所示)。本设计可培养学生对单片机学习的兴趣，提高其制作与编程能力。

图1 系统框图

二、电路原理

采用PROteUS仿真软件进行原理图设计与程序仿真。电路如图2所示。

图2 电路图

1、电源

采用USB口供电，可将USB适配器接人电路板的USB口或直接接计算机USB口。这样，既节省了资源，又能够获得较为理想的工作电压。USB口的外形及电源口定义如图3所示。

图3 USB口的外形及电源口定义

2、温度信号采集

采用DS18B20(外形见图4)智能型数字温度传感器作为温度信号采集装置。

图4 DS18B20外形

(1)DS18B20工作原理

DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数不同，且温度转换的延时时间由2s减为750ms。DS18B20测温原理如图5所示。其中，低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振的振荡频率随温度变化改变明显，所产生的信号作为计数器2的脉冲输人。计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的—个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0日寸，温度寄存器的值将加1，计数器1将重新被装人预置，并重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数。如此循环，直到计数器2计数到OH寸停止温度寄存器值的累加。此时，温度寄存器中的数值即为所测温度。图5中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。

图5 DS18B20测温原理图

(2)DS18B20的主要特性

1)适应电压范围3.0V～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。

2)DS18B20与微处理器之间仅需要—条口线即可双向通讯。

3)支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯—的三线上，实现组网多点测温。

4)不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在外形如一只三极管的电路内。

5)测温范围-55℃～+125℃，在-lO℃～+85℃时精度为±0.5℃。

6)可编程的分辨率为9位～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。

7)在9位分辨率时，最多93.75ms便可把温度转换为数字，12位分辨率时最多750ms便可把温度值转换为数字。

8)直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。

9)电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

DS18B20遵循单总线协议，每次测温时必须有初始化、传送ROM命令、传送RAM命令、数据交换等4个过程。

3、AT89C2051单片机

采用AT89C2051单片机作为主控元件(参见图2)。

4、数码管显示

采用四位共阳数码管进行动态显示，温度显示保留到小数点后一位。编程时，利用P3.2～P3.5作为数码管动态显示的位选端，Pl.0～Pl.7作为数码管动态显示的段选位。当P3.2输出高电平时选中“1”号数码管，P3.3输出高电平时选中“2”号数码管，以此类推。在电路中，P3.2～P3.5外接4只NPN三极管作为驱动。Pl.0～Pl.7外接8只电阻限流。

三、参考程序

本设计采用单片机C语言进行编程，限于篇幅，其参考程序此处不一一列出。

四、制作与调试

本设计调试较为简单，只要安装、焊接正确，程序编写准确完整，一般较为容易实现功能。

调试好的实物如图6所示。

图6 实物图