基于DS18B20的温度测量和显示系统设计与仿真

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釆集设备所代替。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釆集与处理、数字温度计及各种温控系统中。本文釆用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-55〜125C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，系统将发岀报警。

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-55〜125C，可编程分辨率为9~12位,对应的可分辨温度为0.5C、0.25C、0.125°C和0.0625GDS18B20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。本文釆用三极管形状的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125C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°C,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卜，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卜，然后发送存在脉冲，即拉低总线60~240卜。由于DS18B20的DQ弓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：

voidreset()

{

DQ=1;//DQ复位

delay(5);//稍做延时

DQ=0;//单片机将DQ拉低

delay(60);//精确延时大于480μs

DQ=1;//拉高总线

delay(8);

while(DQ);

while(~DQ)//检测到应答脉冲

delay(4);

}

图2温度测量与显示系统仿真电路图

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60us,并在每个独立的写时隙之间至少有1us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。

图3DS18B20的初始化时序、写时序和读时序

要产生写1时隙，单片机在拉低总线后必须在15μs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15~60μs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：

tempwrite(unsignedchardat)

{

uchari=0;

for(i=8;i>0;i--)

{

DQ=0;

DQ=dat&0x01;

delay(10);

DQ=1;

dat>>=1;

}

delay(8);

}

3.3读时序

所有的读时隙必须至少持续60卜，并在每个独立的读时隙之间至少有13的恢复时间。读时隙开始后，先由单片机拉低总线至少13,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15卜之内有效,因此，单片机在时隙开始后，必须释放总线，然后在153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：

tempREAD(void)

{

uchari=0;

uchardat=0;

for(i=8;i>0;i--)

{

DQ=0;//给脉冲信号

dat>>=1;

DQ=1;//给脉冲信号

if(DQ)

dat|=0x80;

delay(8);

}

return(dat);

}

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。

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