基于DS18B20的温度测量和显示系统设计与仿真

摘要：基于美国DALLAS公司推出的数字温度传感器DS18B20，给出了一个温度测量与显示系统的设计方法。该系统由51单片机AT89C52控制，并由8位数码管显示实时温度，通过该系统可设置温度上限与下限，以便在温度超过限值时进行报警。
关键词：单片机；AT89C52；DS18B20；温度测量

0 引言
    传统的温度检测大多以热敏电阻为温度传感器，而热敏电阻的可靠性差，测量温度准确率低，且必须转换为数字信号后才能由单片机进行处理，在高精度要求的温度检测应用中，热敏电阻已经被精度高、准确性好的集成温度采集设备所代替。DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型数字温度传感器。它在温度精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面有很大改进，因而被广泛应用于温度采集与处理、数字温度计及各种温控系统中。本文采用DS18B20设计的温度测量与显示系统，可以实时测量并显示的温度范围为-55～125℃。系统可设置温度上限和温度下限，当测量温度高于上限或者低于下限温度时，系统将发出报警。

1 温度传感器DS18B20
    DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器，该传感器的可测温度范围为-55～125℃，可编程分辨率为9～12位，对应的可分辨温度为0．5℃、0．25℃、0．125℃和0．062 5℃。DS18B20的测量输出为数字信号，并可单线串行发送给CPU，并支持多点组网。DS18B20有3脚和8脚两种结构，而8脚的结构又有不同的封装形式，图1所示是DS18B20的引脚图。本文采用三极管形状的3脚DS18B20。
事实上，无论是3脚结构还是8脚的结构，DS18B20在实际电路中都只有3个引脚参与连接，即电源(VDD)、地(GND)和信号输入输出(DQ)。

2 系统仿真电路
    基于DS18B20的温度测量与显示系统仿真电路图如图2所示。

    电路中的单片机采用AT89C52，DS18B20采用外部电源供电方式，其DQ端子与单片机的P3．7相连。采用两个4连排共阳极数码管显示实时温度，分别用于显示整数部分和小数部分。数码管的段选线与单片机的P1口相连，位选线与P2口相连。图中显示的正是最高温度125℃，由于在proteus软件中DS18B20无法设置小数，所以小数部分只能显示零了。DS18B20的最高分辨率为0．0625℃，所以理论上应该能显示4位小数。

3 软件设计
    本系统的软件设计主要包括三部分，一是温度测量部分，二是温度显示部分，还有一个是报警部分。
    DS18B20通过严格的单线通信协议来保证数据完整。该协议中定义了复位脉冲、存在脉冲、写0、写1、读0、读1等几种信号形式。其中，只有存在脉冲是由总线受控(即DS18B20)发出，其他的全部由总线主控(即单片机)发出。
3．1 初始化
    DS18B20的初始化包括来自单片机的复位脉冲和接下来由DS18B20发出的存在脉冲。其初始化时序图如图3所示。
    当DS18B20响应单片机的复位而发出存在脉冲时，单片机便知道DS18B20在线上并已准备好。单片机发送复位脉冲，即拉低总线至少480 μs，然后单片机释放总线并进入接收模式。当DS18B20检测到复位脉冲后，等待15～60 μs，然后发送存在脉冲，即拉低总线60～240μs。由于DS18B20的DQ引脚接了一个上拉电阻，所以，总线的空闲状态为高电平，存在脉冲结束后，总线自动恢复到高电平状态。单片机所要做的就是发出复位脉冲并检测DS18B20的存在脉冲，其参考程序如下：
   
3．2 写时序
    单片机可在写时隙向DS18B20写入数据，在读时隙从DS18B20读出数据，每个时隙总线上只传送一位数据。写时隙有“写1”时隙和“写0”时隙两种。单片机通过写1时隙向DS18B20写入一个逻辑1，并通过写0时隙向DS18B20写入一个逻辑0。所有的写时隙必须至少持续60 μs，并在每个独立的写时隙之间至少有1 μs的恢复时间。两种写时隙都是由单片机拉低总线开始的，如图3所示。

    要产生写1时隙，单片机在拉低总线后必须在15 μs之内释放总线。总线被释放后，上拉电阻将把总线拉高。要产生写0时隙，单片机在拉低总线后必须继续保持总线低电平使时隙至少60μs。DS18B20在时隙开始后15～60 μs之间的时间段内对总线进行采样，如果总线是高电平，则向DS18B20写入一个1，如果总线是低电平，则向DS18B20写入一个0。
    下面是向DS18B20写入一个字节数据的程序代码：
   
3．3 读时序
    所有的读时隙必须至少持续60μs，并在每个独立的读时隙之间至少有1μs的恢复时间。读时隙开始后，先由单片机拉低总线至少1μs，然后单片机释放总线。读时隙开始后，DS18B20将开始向总线发送1或0。发送0时，DS18B20释放总线直到时隙结束，此后上拉电阻将把总线拉回到高电平的空闲状态。DS18B20的数据在读时隙开始之后15μs之内有效，因此，单片机在时隙开始后，必须释放总线，然后在15 μs之内对总线进行采样。下面是从DS18B20读出一个字节数据的程序：
   
   
3．4 主要命令
    DS18B20有5个ROM操作命令，6个存储器操作命令，表1所列是DS18B20的操作命令。
    本系统主要使用了表1中的3个命令，即跳过ROM、温度变换和读暂存器命令。

3．5 显示程序
    DS18B20提供的温度数据有两个字节，其中低8位的末4位是小数部分，因此，程序中对温度数据的整数部分和小数部分要分别进行处理。如t=t>>4；即得到温度值的整数部分，t=t&0x0f；则得到温度值的小数部分，然后分别在数码管上进行显示。
3．6 报警部分
    在程序中设置温度上限和温度下限后，测量温度将与门限值进行比较。如果测量温度高于温度上限或者低于温度下限，系统就发出报警。

4 结语
    本文基于数字温度传感器DS18B20设计并仿真了一个温度测量与显示系统，同时，系统设置了温度上限和温度下限，当测量温度超出温度门限值时，系统便会报警。事实上，具有显示与报警功能的温度测量系统的应用非常广泛，而且DS18B20可以支持多点组网，因此可以同时测量多点温度。