DS18B20溫度傳感器的應用設計

王云飛

【摘要】該設計介紹了DS18B20型數字溫度傳感器內部結構及工作時序，并提出了以 DS18B20和 AT89C51為核心設計的數字溫度計設計方案。實踐證明，該數字式溫度計的測溫范圍為-50～+110℃，精度誤差在 0.1℃以內，具有測溫精度高，控制性能良好等特點。設計還介紹了一種基于51單片機和DS18B20數字溫度傳感器來進行溫度測量的方法，包括溫度傳感器芯片的選取、單片機與溫度傳感器接口電路的設計，以及實現溫度信息采集和數據傳輸的軟件設計。該溫度計完全適用于一般的應用場合，也可在高低溫報警、遠距離多點測溫控制等方面進行應用。

【關鍵詞】 數字溫度計；單片機；溫度傳感器

引言

在傳統的溫度測量系統中，一般采用熱電偶或鉑電阻進行溫度測量。在這些電路中，有這樣一些問題必須解決：為了進行準確的溫度測量，必須給鉑電阻提供一個良好的恒流源；由于熱電偶出來的信號是模擬信號，所以此信號在送給CPU之前必須先進行A/D轉換，然后再送給CPU進行處理；并且熱電偶的信號很微弱，只有十幾個mA，因此在A/D轉換之前通常還需要進行增益放大。因此，采用熱電偶和鉑電阻進行溫度測量，需要考慮很多問題，構成的系統也比較復雜。

DALLAS公司推出的數字式溫度傳感器DS 18B20很好地解決了這樣一些問題，DS18B20采用一線接口，只需占用單片機的一個I/O口位，其外圍電路也非常簡單；并且DS18B20將測得的溫度信號轉換為數字量輸出，可以與單片機直接相連，而不需進行信號放大和A/D轉換，大大簡化了電路的設計，因此系統采用了DS18B20作為溫度傳感器進行溫度采集。

1.概述

1.1 設計的目的及意義

單片機實現的電子溫度計的畢業設計是在學習單片機，c語言，PROTEUS軟件等基礎上，綜合應用所學的理論知識完成。

設計目的：整個系統以單片機AT89C51為核心，結合數字溫度傳感器DS18B20，數碼管顯示等，實現溫度的示數。

單片機應用系統具有體積小、功耗低、功能強、性能價格比高、易于開發和推廣等優點，在自動化控制、儀器儀表和家用電器等領域中得到了廣泛的應用。單片機應用系統設計主要包含以下兩方面內容：

（1）深入研究單片機的芯片功能，掌握與其相關的接口電路，熟練掌握與其相關的軟件語言和設計方法，學習和了解現有系統的設計原理和方法。

（2）學習和掌握傳感器技術，掌握電子技術的一般設計原理和方法。

1.2 單片機簡介

微型計算機可分為普通微型計算機和單片微型計算機，前一種指我們通常所用的PC機，后者正是這次設計所使用的，簡稱單片機。

2.方案論證

方案一：熱電偶的實現辦法，需要比較多的外部硬件支持，電路復雜，軟件調試復雜，制作成本高。實現上需要溫度的補償，在滿足精度時有一定的難度。

方案二：智能傳感器DS18B20作為檢測元件，測溫范圍-55℃～125℃，分辨率最大可

達0.0625℃。DS18B20可以直接讀出被測溫度值。而且采用3線制與單片機相連，減少了外部硬件電路，具有低成本和易使用的特點。LED數碼管作為顯示器件，通過89C51構建最小系統。

綜上所述，權衡各方面的利弊，我采用方案二。

3.系統元件選擇

3.1 主控制器選擇

AT89C51

3.2 溫度傳感器DS18B20

3.2.1 DS18B20的特性

（1）適應電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0～ 5.5V，寄生電源方式下可由數據線供。

（2）獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊。

（3）溫范圍-55℃～+125℃，在-10～ +85℃時精度為±0.5℃。

（4）DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內。

（5）在9位分辨率時最多在93.75ms內把溫度轉換為數字，12位分辨率時最多在750ms內把溫度值轉換為數字，速度更快。

（6）可編程的分辨率為9～12位，對應的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實現高精度測溫。

3.2.2 DS18B20的外形和內部結構

DS18B20內部結構主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列：

引腳定義：

（1）DQ為數字信號輸入/輸出端；

（2）GND為電源地；

（3）VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。

3.2.3 DS18B20與單片機的接口電路

確保DS18B20在其變換期得到足夠的電源電流，在I/O線上提供一強的上拉。

而此處采用外部電源供電方式，即在DQ與單片機接口處必須填加上拉電阻，該電阻一般為4.7K。

4.系統硬件設計

該系統是以AT89C51芯片為核心，通過檢測DS18B20的工作與否，然后將其內部的數字量溫度讀到單片機，通過相應的數碼管顯示，當溫度超出設定的溫度時用蜂鳴器報警。其外圍電路包括復位電路、晶振電路。

5.系統軟件部分的設計

軟件部分主要有三部分構成：

（1）溫度的采集；

（2）溫度數據的處理；

（3）數值的顯示。

溫度的采集：

時序及協議：該部分設計時主要考慮DS-l8B20工作過程及時序。

DSl8B20工作過程中的協議如下：

初始化ROM操作命令存儲器操作命令處理數據。

（1）初始化

單總線上的所有處理均從初始化開始。

（2）ROM操作品令

總線主機檢測到DSl820的存在便可以發出ROM操作命令之一。

（3）存儲器操作命令

指令 代碼

Write Scratchpad（寫暫存存儲器） [4EH]

Read Scratchpad（讀暫存存儲器） [BEH]

Copy Scratchpad（復制暫存存儲器） [48H]

Convert Temperature（溫度變換） [44H]

Recall EPROM（重新調出） [B8H]

Read Power supply（讀電源） [B4H]

參考文獻

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