摘 要：传统温度传感器系统多采用放大、调理、A/D转换等形式将温度信号转换成数字信号传递至计算机进行处理，不仅处理电路复杂，占用计算机资源多，而且無法保证其可靠性。DS18B20不仅电路简单，而且成本低，并且具有较好的扩展性，便于组网及多点测量。该研究探讨一种基于DS18B20的数字温度计。
关键词：DS18B20 数字温度计 设计
中图分类号：TH811 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）03（b）-0117-02
1 DS18B20的特点及性能
传统的温度测量系统通常采用热电偶或热电阻测量温度，而热电阻必须在一个良好的恒流源中才能保证温度测量的准确性；而热电偶发送的信号为模拟信号，必须经过A/D转换才能将其发送至CPU进行相应处理，且热电偶信号仅有十几个mA，由于过于微弱在A/D转换之前需要进行增益放大，因此应用热电偶或热电阻构成的温度测量系统比较复杂。DS18B20是一种单线数字温度传感器芯片，由美国Dallas公司生产，与传统的温度传感器不同，DS18B20可将测得的温度信号直接转换为可供单片机处理的串行数字信号，因此可获得更高的工作效率。通过编程，可通过DS18B20实现9～12位的温度读数，其温度测量范围在-55 ℃～+125 ℃，其中- 10 ℃～+ 85 ℃其测温准确度误差可控制在0.5 ℃。相比其他温度测量元件，DS18B20的小体积、低功耗、强大的抗干扰能力、易连接微处理器等优势十分突出，其测量温度时无需其他硬件，仅需一根I/O口线即可实现与单片机的信息交换，其工作电源既可远端引入，也可采用寄生电源的方式而无需额外电源，可通过数据总线向其提供读写及温度转换功率等，大大简化了电路设计。此外，每片DS18B20均设置对应的产品序列号，该序列号存放于其内部ROM中，由于DS18B20的序列号具有唯一性，单片机在识别序列号时通过简单的协议即可实现，正是其这一特点使得多个DS18B20可挂接于同一条单线总线，不仅占据较少微处理器的端口，而且可减少引线及逻辑电路的应用，在多点温度测控系统的应用中具有较大优势。
2 DS18B20温度测量原理
达拉斯公司将其特有的温度测量技术融入到DS18B20中，其内部具有低温度系数振荡器及高温度系数振荡器，应用过程中该低温振荡器可产生频率信号f0，而被测温度会将高温度系数振荡器转换成频率信号f，DS18B20计数门的开通时间由高温系数振荡器来决定，计数门打开时DS18B20对f0计数；测温过程中频率会存在非线性，DS18B20内部设置为斜率累加器用于补偿频率的非线性。DS18B20测温完毕后将测量结果暂存于温度寄存器，单片机可直接读取测量结果。DS18B20完成温度变换后温度值会与告警触发值进行比较，告警触发值存储于TH与TL内。如实际测量过程中温度高于TH或低于TL，则器件内告警标志将置位，每测量一次温度此标志就会更新。当告警标志置位时DS18B20会响应告警搜索命令，故单线上多个DS18B20均可同时测量温度，如果某处温度越限，正在告警的器件也会被准确识别出来。
3 基于DS18B20数字温度计的设计与实现
3.1 硬件电路设计
该研究提出基于一种基于DS18B20的数字温度计，采用ATMEL公司推出的单片机AT89C2051作为控制器，其属于小型单片机，其体积小且低压供电，故成本较低，该温度计应用两节电池作为电源。
该系统中采用DS18B20作为温度传感器，其不仅可将温度信号直接转换为单片机可识别的串行数字信号，且经过编程后，还可实现9～12位的温度读数。应用一条信号经及地线即可实现DS18B20与单片机的可靠连接，为保证数字温度系统运行的可靠性，该研究以两节电池作为外接电源，这种情况下DS18B20第1脚接地，第2脚为信号线，第3脚直接连接电源。系统中还需要一个上拉电阻，由于DS18B20在写存储器操作状态及温度A/I转换操作状态时需要开启500 ms的上拉，上拉电阻则是为满足这一要求所设。采用4位一体的共阳LED数码管作为显示电路，段码由P1口输出，P3.0～P3.3口实现列扫描，采用8550三极管实现列驱动，温度显示由LED数码管以动态扫描的方法显示出来。
3.2 软件设计
该系统程序包括主程序、读出温度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序、显示数据刷新子程序等多个模块。其中DS18B20测量的温度值主要通过主程序实现实时的显示、读取及处理，每1 s进行1次温度测量。读出温度模块的主要作用是读出RAM中的9字节，读出时需进行CRC校验，如发现错误则不得改写温度数据。温度转换命令模块的主要作用是发送温度转换开始命令，如采用12位分辨率，则转换时间在750 ms左右。该系统中采用1 s显示程序延时法等待转换完成。计算温度模块的主要作用是将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并判断温度值的正负情况。
3.3 系统调试
系统调试需要针对硬件、软件两大部分进行分别调试，其中硬件调试要仔细检查电路焊接质量，再用万能表测试，或进行通电检测。软件调试则先将显示程序编写完成，再用硬件对程序编写的正确性进行检验，检查各显示模块是否正常，再逐一调试各程序模块。设计过程中需要注意，DS18B20是通过串行数据实现向单片机的数据传送，因此DS18B20的读/写编程要严格按照读/写时序进行，以免无法准确读取测量结果。软件调试可正确显示当前温度值，且当用手接触温度传感器时温度发生变化后，则温度显示也会随之改变，证明系统设计基本可满足设计要求。
4 结语
总之，传统的多路温度测量系统多采用公用的放大电路及A/D转换电路，如需要测量多路温度则只能逐一转换，不仅电路复杂且工作效率低下。而基于DS18B20的多点温度测量系统可实现多点温度的同步转换，大大提高了温度的测量效率，由此可见，DS18B20具有接口电路简单可靠的优势，其在温度检测领域的应用前景十分广阔。
参考文献
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