DS18B20數(shù)字溫度傳感器技術(shù)分析

史寶玲

（鄭州日產(chǎn)汽車有限公司，河南 鄭州 451450）

引言：溫度是生活及生產(chǎn)中最基本的物理量，它表征的是物體的冷熱程度。自然界中任何物理、化學(xué)過程都緊密地與溫度相聯(lián)系。在很多生產(chǎn)過程中，溫度的測量直接和安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟指標相聯(lián)系。因此，溫度的測量在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域中均受到了相當程度的重視。近年來，溫度的檢測在理論上發(fā)展比較成熟，但在實際測量中，如何保證快速實時地進行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，仍然是目前需要解決的問題。

在溫度的測量技術(shù)中，接觸式測溫發(fā)展較早，這種測量方法的優(yōu)點是：簡單、可靠、低廉，測量精度較高，一般能夠測得真實溫度;但由于檢測元件熱慣性的影響，響應(yīng)時間較長，對熱容量小的物體難以實現(xiàn)精確的測量，并且該方法不適宜于對腐蝕性介質(zhì)測溫，不能用于極高溫測量，難于測量運動物體的溫度。非接觸式測溫是通過對輻射能量的檢測來實現(xiàn)溫度測量的方法，其優(yōu)點是：不破壞被測溫場，可以測量熱容量小的物體，適于測量運動溫度，還可以測量區(qū)域的溫度分布，響應(yīng)速度較快。但也存在測量誤差較大，儀表指示值一般僅代表表觀溫度，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴等缺點。因此，在實際的測量中，要根據(jù)具體的測量對象選擇合適的測量方法，在滿足測量精度要求的前提下盡量減少人力和物力的投入。

1 溫度測量系統(tǒng)的功能要求

溫度測量系統(tǒng)主要分為兩大部分：現(xiàn)場溫度測量儀表和上位機程序。現(xiàn)場溫度測量儀表主要用于建立標準的高精度溫度場，并在溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后將現(xiàn)場溫度信號傳送到上位機。上位機程序負責(zé)接受下位機的數(shù)據(jù)并以作出相應(yīng)的處理動作或供人工查詢操作。

1.1 現(xiàn)場溫度控制儀表

(1)溫度的測量和顯示功能：對于工作現(xiàn)場的溫度的實時測量，顯示實際的測量溫度以及目標控制溫度的值；(2)工作參數(shù)的設(shè)定功能：溫度測量現(xiàn)場儀表的工作參數(shù)可以重新設(shè)定，方便根據(jù)實際的工作環(huán)境選擇最佳的工作參數(shù)；(3)遠程通信功能：現(xiàn)場溫度測量儀表可以把測得的溫度的值、工作參數(shù)傳送給上位機。

1.2 上位機程序：

(1)串口通信功能：從 PC機串口讀取現(xiàn)場儀表傳送上來的各項數(shù)據(jù)；(2)界面顯示：顯示每臺表的工作狀態(tài)以及每臺表所測量得到的溫度值；(3)歷史數(shù)據(jù)的保存：把下位機傳送上來的數(shù)據(jù)按年、月、日保存在 PC機中可以供以后調(diào)檔查看；(4)打印功能：可以打印歷史數(shù)據(jù)，溫度曲線。

2 溫度測量系統(tǒng)的主要性能指標

輸入種類：DS18B20數(shù)字輸入；輸入點數(shù)：1個；溫度控制范圍：-55℃～125℃；測量誤差：<±0.5℃；顯示：LED 顯示；通信接口：RS485

3 系統(tǒng)概述

欲對溫度進行實時測量和監(jiān)控,必須要有一個現(xiàn)場測量,顯示,現(xiàn)場修改參數(shù),并將測量結(jié)果直接傳回上位機的完整系統(tǒng).DS18B20數(shù)字溫度傳感器,9位數(shù)字量表示溫度值,分辨率0.5℃,且能在1秒內(nèi)完成被測溫度的數(shù)值轉(zhuǎn)換.它的溫度報警限設(shè)定值TH和TL存放在非易失性存儲器中,掉電后不會丟失,并可自由設(shè)定,因此對于隨時調(diào)整現(xiàn)場溫度監(jiān)控監(jiān)控報警標準提供了很大的便利.因此,由溫度傳感器,單片機,上位機構(gòu)成了一個閉環(huán)系統(tǒng),可隨時監(jiān)控現(xiàn)場溫度并調(diào)整監(jiān)控狀態(tài)。

數(shù)字傳感器采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，用于檢測環(huán)境溫度,并將溫度直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。控制部分采用ATmega8單片機作為核心部件。采集到的溫度通過LED顯示輸出。現(xiàn)場可采用鍵盤對系統(tǒng)進行簡單的操作，便于適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的多變需求。通過RS485通訊模塊，將采集到的信息傳送給上位機，便于上位機處理現(xiàn)場信號，并發(fā)送指令給溫度測量裝置。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.1 單片機概述

單片機誕生于 20世紀70年代，象Fairchid公司研制的F8單片微型計算機。所謂單片機是利用大規(guī)模集成電路技術(shù)把中央處理單元((Center Processing Unit,也即常稱的CPU)和數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、程序存儲器(RAM)及其他I/O通信口集成在一塊芯片上，構(gòu)成一個最小的計算機系統(tǒng)，而現(xiàn)代的單片機則加上了中斷單元，定時單元及A/D轉(zhuǎn)換等更復(fù)雜、更完善的電路，使得單片機的功能越來越強大，應(yīng)用更廣泛。

4.2 ATmega8單片機

ATmega8是ATMEL公司在2002年推出的一款新型的AVR高檔單片機，其芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路，具備AVR高檔單片機MEGE系列的全部性能和特點。由于采用了小引腳封裝(為DIP28和TQFP/MLF32)，價格僅和低檔單片機相當，再加上AVR單片機的系統(tǒng)內(nèi)在可編程特性，使得無需購買昂貴的仿真器，只需要一條編程下載線就可以進行單片機嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，這尤其適合非專業(yè)的研究人員掌握應(yīng)用于系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。

ATmega8是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RIS側(cè)精簡指令集)結(jié)構(gòu)的8bit單片機。AV R單片機的核心是將32個工作寄存器和豐富的指令集連接在一起，所有的工作寄存器都與ALU(算術(shù)邏輯單元)直接相連，實現(xiàn)了在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行的一條指令同時訪問(讀/寫)2個獨立寄存器的操作。這種結(jié)構(gòu)提高了代碼效率，使得大部分指令的執(zhí)行時間僅為一個時鐘周期。因此，ATmega8可以達到將近1 MIPS/MHz的性能，運行速度比普通的單片機高出10倍。

結(jié)語

ATmega8的主要性能特點如下：(1)高性能、低功耗：8bit AVR微控制器，先進的RISC精簡指令集結(jié)構(gòu)，130條功能強大的指令，大多數(shù)為單周期指令，32個8B的通用工作寄存器，工作在16MHz時具有16MIPS的性能；片內(nèi)集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器。8 kB的Flash程序存儲器，可擦寫次數(shù)大于10,000次;512B的E2PRROM擦寫次數(shù)至少100,000次;支持可在線編程((ISP)和可應(yīng)用自編程((IAP):可編程的程序加密位；(2)豐富強大的外部接口性能：3個PWM通道，可實現(xiàn)任意lbb以內(nèi)的、相位和頻率可調(diào)的PWM脈寬調(diào)制輸出;6通道A/D轉(zhuǎn)換;一個12C的串行接口，一個可編程的USART接口;一個支持主/從、收/發(fā)的SPI同步串行接口;2個帶預(yù)分頻的8b定時/計數(shù)器，1個帶預(yù)分頻的16b定時/計數(shù)器;帶片內(nèi)RC振蕩器的可編程看門狗定時器。正是由于這些特性才實現(xiàn)了系統(tǒng)中的溫濕度檢測、紅外學(xué)習(xí)遙控等功能；(3)特殊的微控制器性能：可控制的上電復(fù)位延時電路和可編程的欠電壓檢測電路:內(nèi)部和外部共18個中斷源:5種休眠模式 (空閑，ADC噪聲抑制，省電，掉電，待命)。

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