摘要：設(shè)計實現(xiàn)了一種多用智能溫度測量儀。采用傳感器為DALLAS公司的單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20及單片機(jī)為8051，通過單片機(jī)對傳感器采集到的數(shù)字信號進(jìn)行計算處理，實現(xiàn)溫度的測量、溫度數(shù)值的數(shù)字顯示及高溫報警等功能。提供了完整的硬件電路圖和軟件流程圖，并詳細(xì)介紹了軟件設(shè)計要點及創(chuàng)新點。經(jīng)實物測試實驗，該測量儀既能測量環(huán)境溫度，又可測量人體溫度，具備使用方便、響應(yīng)快、結(jié)果顯示直觀的特點。
關(guān)鍵詞：溫度測量儀；DS18B20；80C51

    溫度是科學(xué)技術(shù)中最基本的物理量之一，在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度常是表征對象和過程狀態(tài)的最重要的參數(shù)之一，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，體溫也是我們最為關(guān)注的醫(yī)學(xué)參數(shù)。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，溫度測量在各個領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，同時溫度測量技術(shù)也被人們所異常關(guān)注。多功能溫度測量儀就是一個典型的例子，運用單片機(jī)技術(shù)，向數(shù)字化，智能化方向發(fā)展。在此介紹一種多功能溫度測量儀，既可以測量環(huán)境溫度、又能測量人體溫度，達(dá)到快響應(yīng)、數(shù)字顯示溫度值，并且具有高溫報警的目的。

1 硬件電路設(shè)計
1．1 溫度傳感器
    采用DALLAS公司的溫度傳感器DS18B20作為溫度采集器件，DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由64位ROM、溫度靈敏元件、內(nèi)部存儲器和配置寄存器4部分組成，如圖1所示。

    (1)64位ROM。它的內(nèi)容是64位序列號，它可以被看作是該DS18B20的地址序列碼，其作用是使每個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。
    (2)溫度靈敏元件。它完成對溫度的測量，測量后的結(jié)果存儲在2個8 b的溫度寄存器中。
    (3)內(nèi)部存儲器。內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的E2PROM，后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL以及配置寄存器。
    DS18B20具有以下特點：
    (1)獨特的單線接口方式，與單片機(jī)連接時僅需要一條口線；
    (2)測溫范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃范圍內(nèi)精度為±O．5℃；
    (3)通過編程可實現(xiàn)9～12位的數(shù)字讀數(shù)方式；
    (4)用戶可自設(shè)定非易失性的報警上下限值；
    (5)外圍電路簡單，使用時不需要外圍元件，可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為3．0～5．5 V無需備用電源；
    (6)DS18B20有TO-92、SOIC及CSP封裝，本測量儀選用DS18B20的外形及引腳排列如圖2所示，其中VDD為外接供電電源輸入端，GND為公共地，DQ為數(shù)字信號輸出端。

    基于以上特點，采用DS18B2使得硬件消耗更少，系統(tǒng)設(shè)計更靈活、方便，價格更便宜，體積更小。

1．2 硬件電路設(shè)計
    系統(tǒng)硬件電路如3所示。

    包括信號采集、系統(tǒng)控制、數(shù)字顯示、高溫報警四個部分。傳感器DS18B20為信號采集器件所采集到的溫度信號，通過內(nèi)部處理由傳感器的DQ端送到單片機(jī)P3．2端口，經(jīng)單片機(jī)的計算處理后，由P0口和P1口分別作為4位共陽數(shù)碼管的段控信號和位控信號，共同完成對所測溫度值的數(shù)字顯示，最高位是符號顯示，如顯示負(fù)號“-”時，表示當(dāng)前溫度是負(fù)溫度，否則為正溫度；由P2．0端口控制蜂鳴器，當(dāng)測量的溫度超過“預(yù)設(shè)報警溫度”時，發(fā)出提示音報警；P2．1～P2．3端口來控制黃、綠、紅3個發(fā)光二極管分別表示低溫、正常、高溫三種溫度狀態(tài)。石英晶體JT和電容C2，C2共同組成晶振電路；電容C1、電阻R13、SB共同構(gòu)成復(fù)位電路；其中電阻R13。為下拉電阻，SB為手動復(fù)位按鈕。

2 軟件設(shè)計
    為了便于子程序的調(diào)用和維護(hù)系統(tǒng)，程序遵循標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的原則，主要完成包括讀DS18B20溫度數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的整理轉(zhuǎn)換、溫度顯示、報警等模塊的設(shè)計。由于程序任務(wù)相對較少，結(jié)構(gòu)相對簡單，本系統(tǒng)由主程序和多個子程序組成，采用順序性結(jié)構(gòu)主程序流程。
2．1 軟件設(shè)計要點
    由于DS18B20采用的是單線總線協(xié)議方式，即在一條數(shù)據(jù)線上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而單片機(jī)硬件上不支持單總線協(xié)議，因此必須采用軟件方法來模擬單總線的協(xié)議是序來完成對DS18B20芯片的訪問。
    由于DS18B20是在一根I／O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此對讀寫的數(shù)據(jù)位有嚴(yán)格的時序要求，它有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將單片機(jī)作為主設(shè)備，DS18B20作為從設(shè)備，而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動啟動寫時序開始，如果要求DS18B20回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。
2．2 軟件設(shè)計創(chuàng)新點
    在溫度顯示模塊引入“顯存”的概念，用‘顯存’直接映射到顯示子程序，便于程序的移植，更便于以后的組建多點的溫度檢測網(wǎng)
絡(luò)，或嵌于其他監(jiān)測系統(tǒng)。
    程序片段如下：
    
    
2．3 主程序流程圖
    主程序流程如圖4所示。

3 實物運行與測試
    測試方法：用水銀溫度計和溫度測量儀同時對同一空氣環(huán)境、水、人體進(jìn)行測量，詳細(xì)記錄每次測量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)對比。測試結(jié)果如表1所示，結(jié)果顯示誤差僅±0．2℃。

4 結(jié)語
    運用溫度傳感器DS18B20和單片機(jī)8051等設(shè)計并制作的溫度測量儀，用較低的成本實現(xiàn)了溫度的測量與顯示。該測量儀采用的元器件價格低廉又容易獲得，具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、顯示直觀等優(yōu)點，并且元器件DS18B20單總線結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，還可以組建多點的溫度檢測網(wǎng)絡(luò)該方案設(shè)計溫度監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用前景廣泛。