一种多用智能温度测量仪的设计与实现

摘要：设计实现了一种多用智能温度测量仪。采用传感器为DALLAS公司的单总线数字式温度传感器DS18B20及单片机为8051，通过单片机对传感器采集到的数字信号进行计算处理，实现温度的测量、温度数值的数字显示及高温报警等功能。提供了完整的硬件电路图和软件流程图，并详细介绍了软件设计要点及创新点。经实物测试实验，该测量仪既能测量环境温度，又可测量人体温度，具备使用方便、响应快、结果显示直观的特点。
关键词：温度测量仪；DS18B20；80C51

    温度是科学技术中最基本的物理量之一，在工业生产中，温度常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一，在医学领域中，体温也是我们最为关注的医学参数。随着现代科技的发展，温度测量在各个领域应用越来越广泛，同时温度测量技术也被人们所异常关注。多功能温度测量仪就是一个典型的例子，运用单片机技术，向数字化，智能化方向发展。在此介绍一种多功能温度测量仪，既可以测量环境温度、又能测量人体温度，达到快响应、数字显示温度值，并且具有高温报警的目的。

1 硬件电路设计
1．1 温度传感器
    采用DALLAS公司的温度传感器DS18B20作为温度采集器件，DS18B20的内部结构主要由64位ROM、温度灵敏元件、内部存储器和配置寄存器4部分组成，如图1所示。

    (1)64位ROM。它的内容是64位序列号，它可以被看作是该DS18B20的地址序列码，其作用是使每个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
    (2)温度灵敏元件。它完成对温度的测量，测量后的结果存储在2个8 b的温度寄存器中。
    (3)内部存储器。内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2PROM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL以及配置寄存器。
    DS18B20具有以下特点：
    (1)独特的单线接口方式，与单片机连接时仅需要一条口线；
    (2)测温范围为-55～+125℃，在-10～+85℃范围内精度为±O．5℃；
    (3)通过编程可实现9～12位的数字读数方式；
    (4)用户可自设定非易失性的报警上下限值；
    (5)外围电路简单，使用时不需要外围元件，可用数据总线供电，电压范围为3．0～5．5 V无需备用电源；
    (6)DS18B20有TO-92、SOIC及CSP封装，本测量仪选用DS18B20的外形及引脚排列如图2所示，其中VDD为外接供电电源输入端，GND为公共地，DQ为数字信号输出端。

    基于以上特点，采用DS18B2使得硬件消耗更少，系统设计更灵活、方便，价格更便宜，体积更小。

1．2 硬件电路设计
    系统硬件电路如3所示。

    包括信号采集、系统控制、数字显示、高温报警四个部分。传感器DS18B20为信号采集器件所采集到的温度信号，通过内部处理由传感器的DQ端送到单片机P3．2端口，经单片机的计算处理后，由P0口和P1口分别作为4位共阳数码管的段控信号和位控信号，共同完成对所测温度值的数字显示，最高位是符号显示，如显示负号“-”时，表示当前温度是负温度，否则为正温度；由P2．0端口控制蜂鸣器，当测量的温度超过“预设报警温度”时，发出提示音报警；P2．1～P2．3端口来控制黄、绿、红3个发光二极管分别表示低温、正常、高温三种温度状态。石英晶体JT和电容C2，C2共同组成晶振电路；电容C1、电阻R13、SB共同构成复位电路；其中电阻R13。为下拉电阻，SB为手动复位按钮。

2 软件设计
    为了便于子程序的调用和维护系统，程序遵循标准化、模块化的原则，主要完成包括读DS18B20温度数据、数据的整理转换、温度显示、报警等模块的设计。由于程序任务相对较少，结构相对简单，本系统由主程序和多个子程序组成，采用顺序性结构主程序流程。
2．1 软件设计要点
    由于DS18B20采用的是单线总线协议方式，即在一条数据线上实现数据的双向传输，而单片机硬件上不支持单总线协议，因此必须采用软件方法来模拟单总线的协议是序来完成对DS18B20芯片的访问。
    由于DS18B20是在一根I／O线上读写数据，因此对读写的数据位有严格的时序要求，它有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将单片机作为主设备，DS18B20作为从设备，而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求DS18B20回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。
2．2 软件设计创新点
    在温度显示模块引入“显存”的概念，用‘显存’直接映射到显示子程序，便于程序的移植，更便于以后的组建多点的温度检测网
络，或嵌于其他监测系统。
    程序片段如下：
    
    

2．3 主程序流程图
    主程序流程如图4所示。

3 实物运行与测试
    测试方法：用水银温度计和温度测量仪同时对同一空气环境、水、人体进行测量，详细记录每次测量数据，并进行数据对比。测试结果如表1所示，结果显示误差仅±0．2℃。

4 结语
    运用温度传感器DS18B20和单片机8051等设计并制作的温度测量仪，用较低的成本实现了温度的测量与显示。该测量仪采用的元器件价格低廉又容易获得，具有硬件结构简单、响应快、显示直观等优点，并且元器件DS18B20单总线结构具有很强的扩展性，还可以组建多点的温度检测网络该方案设计温度监测系统，应用前景广泛。