基于DS18B20数字温度计的设计

基于DS18B20数字温度计的设计

姓名：XX 学号：XXXXXX 指导老师：XX

摘要

文章介绍了单线数字温度传感器DS18B20的测量原理、特性以及在温度测量中的硬件和软件设计。

讨论了单总线通信时序问题，最后以单总线器件DS18B20多点温度测量的应用为例，给出了单总线的数据读写方法。DS18B20用于多点测温时，同时将多个DS18B20挂在微处理器总线上采集数据,并通过串口传送至PC机。

本文结合实际使用经验，介绍了DS18B20数字温度传感器在单片机控制下的硬件连接及软件编程，并给出了软件流程图。下位机实现温度的检测并提供标准RS232通信接口，芯片使用了ATMEL公司的AT89S52单片机和DALLAS公司的DS18B20数字温度传感器。

该系统稳定性好，可应用于仓库测温、楼宇空调控制和生产过程监控等领域。关键词: DS18B20 测温单总线

Multi-points Temperature Measurement Based

on DS18B20

ABSTRCT:The theory and characteristics of DS18B20, the hardware and software design of the system were introduced in this article.

The problem of the single-bus communication timing is discussed. Finally, the multi-point temperature measurement application and the way of the single-bus data transmission were proposed. Some DS18B20s were linked with MCU bus to collect data, and the data was sent to PC computer by the serial-port when DS18B20 was used for multi-point temperature measure. The hardware and software design of DS18B20 Digital Temperature Sensor which was controlled in the MCU were introduced and the Software flowchart was proposed by practical experience in this paper. PC and the system communicated though the Serial port.

Because of its stability, it can be used in many fields.

Keywords: DS18B20；Temperature Measurement；1-wire

目录

摘要.............................................................................................................................. I 第1章引言.. (1)

1.1 选题背景 (1)

1.2 系统概述 (1)

第2章温度检测系统 (2)

2.1 传感器部分 (2)

2.2 主控制部分 (2)

2.3 总体设计方案 (3)

2.4 主控制器 (4)

2.5 显示电路 (4)

第3章DS18B20的知识及原理 (5)

3.1 DS18B20的基本知识 (5)

3.2 DS18B20测温原理 (5)

3.3 DS18B20内部结构 (6)

3.4 DS18B20工作过程 (9)

3.4.1 DS18B20的命令 (9)

3.4.2. DS18B20的时序 (10)

3.5 DS18B20供电方式 (11)

第4章系统设计与实现 (13)

4.1 系统整体硬件电路 (13)

4.1.1 主板电路 (13)

4.2 DS18B20与AT89S52硬件连接及软件编程 (13)

4.3 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路 (16)

4.4 程序设计 (17)

4.4.1 主程序 (17)

4.4.2 读出温度子程序 (18)

4.4.3 温度转换命令子程序 (19)

4.4.4计算温度子程序 (20)

4.4.5显示数据刷新子程序 (20)

4.4.6数字温度计程序 (21)

第5章调试及总结体会 (26)

5.1 调试及结果 (26)

5.2 总结体会 (26)

致谢 (28)

参考文献 (29)

第1章引言

1.1 选题背景

温度是工业中非常关键的一项物理量，在农业、现代科学研究和各种高新技术的开发和研究中也是一个非常普遍和常用的测量参数。温度测量的原理主要是将随温度变化而变化的物理参数，如膨胀、电阻、电容、热电动势、磁性、频率、光学特性等通过温度传感器转变成电的信号或其他信号，然后再传给处理电路，最后转换成温度数值显示出来。传统的温度测量方法基本上是接触式的，主要有：热膨胀式温度计、电阻式温度计、热电偶式温度计等。这些接触式温度计的主要缺点是对传感器的耐热性能比较苛刻，所以对应的使用温度范围比较有限。它们的精度也大大限制了他们的应用领域。此外，由于这些测量方法大都是接触式的，会污染一些高纯度，高腐蚀性的测量对象。目前应用的比较广泛的非接触温度测量技术有红外非接触温度测量技术、单总线数字式温度测量技术等等。此外，激光测量温度技术基于彩色三基色的温度测量技术也开始成为温度测量的手段。本文将着重对数字式温度测量技术的测试原理、特点以及应用加以介绍。

本次毕业设计中采用单片机和集成式数字温度传感器作为主要芯片设计单点温度检测与控制系统。它利用单总线的特点可组建传感网络，方便实现多点温度的测量及控制。本系统的设计抗干扰性强、设计灵活方便并且适合在恶劣的环境下进行温度测量，所以设计意义较为深远。

1.2 系统概述

本设计首先采用由一台计算机（PC微型计算机），一个DC-PROC实验箱进行实验。将实验箱上的电路接好后，对其进行编程，在通过Keil单片机软件将编好的程序下载到单片机上。最后将其中的数据送LED上显示。

温度采集使用的是传感器DS18B20。DS18B20利用单总线的特点可以方便实现多点温度的测量，轻松的组建传感器网络，系统的抗干扰性好、设计灵活、方便，而且适合于在恶劣的环境下进行现场温度测量。本系统可以应用在大型工业及民用常温多点监测场合。如粮食仓储系统、楼宇自动化系统、温控生产线之温度影像检测、医疗与健诊的温度测试、空调系统的温度检测、石化、机械等。

第2章温度检测系统

温度检测系统有着共同的特点：测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。若采用一般温度传感器采集温度信号，则需要设计信号调理电路、A/D 转换及相应的接口电路才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机处理。由于各种因素会造成检测系统较大的偏差，又因为检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降。所以多点温度检测系统的设计的关键在于两部分：温度传感器的选择和主控单元的设计。温度传感器应用范围广泛、使用数量庞大，也高居各类传感器之首。

2.1 传感器部分

在多点测温系统中，传统的测温方法是将模拟信号远距离采样进行AD转换。而为了获得较高的测温精度，就必须采用措施解决由长线传输，多点测量切换及放大电路零点漂移等造成的误差补偿问题。采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化，便于单片机处理及控制。从而省去了传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定，它能用作工业测温元件，此元件线形较好。在0-100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和微控制器AT89S52构成的温度测量装置输出温度的数字信号可直接与计算机连接。测温系统的结构就比较简单,体积也不大,且由于AT89S52可以带多个DSB1820,因此可以非常容易实现多点测量，从而轻松地组建传感器网络。

采用温度芯片DS18B20测量温度，可以体现系统芯片化这个趋势。部分功能电路的集成使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。而且，集成块的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。毕业设计应用这一温度芯片，也是顺应这一趋势。

2.2 主控制部分

此方案采用AT89S52八位单片机实现。单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。而且体积小，硬件实现简单，安装方

便。既可以单独对多DS18B20控制工作，还可以与PC机通信。运用主从分布式思想，由一台上位机（PC微型计算机），下位机（单片机）多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统,实现远程控制。另外AT89S52在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。

2.3 总体设计方案

方案一

由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应在将随被测温度变化的电压或电流采集过来进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D 转换电路。

方案二

根据方案一进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以非常容易想到采用一只温度传感器DS18B20，此传感器可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。

从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案二。

方案二的总体设计框图

温度计电路设计总体设计方框图如图1所示，控制器采用单片机8031，温度传感器采用DS18B20，用4位LED数码管实现温度数据显示。

图1 总体设计框图

2.4 主控制器

8031，P1口﹑P3口对用户开放，时钟频率为6.0MHz，程序存储器和数据存储器统一编址，最多可达64k，其中4000H-5FFFH为程序存储区，供下载实验程序。所以在编写程序的时候，程序的起始地址为4000H。

2.5 显示电路

由4位共阳极LED数码管、位驱动电路、端输入电路组成，采用动态扫描的方式显示。其中该模块包括了4位LED数码管4个、9015位驱动器4个，还使用P0口采用电阻上拉。显示电路如图2所示（图2中所示为4位LED数码管）。

图2 温度计的显示电路

第3章 DS18B20的知识及原理

3.1 DS18B20的基本知识

DS18B20是美国DALLAS公司推出的智能化数字式温度传感器，其内部使用了在板专利技术，全部传感元件及转换电路集成在形如一个三极管的集成电路内，封装形式如图3所示。与其它温度传感器相比，DS18B20具有以下技术特性：

1.具有独特的单总线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需一条I/O 口线就可实现微处理器与DS18B20的双向通信；

2.支持多点组网功能，一条总线上可以同时挂接多个DS18B20，很方便地实现多点温度的检测；

3.数字信号输出不需要信号放大和A/D转换等外围电路；

4.测温范围-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃时测温准确度为±0.5℃；

5.能提供9～12位二进制温度值输出，可通过编程决定输出位数；

6.其工作电源既可采用寄生电源方式产生，也可在远端引入。电源电压范围为+3.0V～+5.5V；

7.用户可自行设定非易失温度报警上下限值TH和TL, DS18B20在完成温度转换后，所测得的温度值将自动与贮存在TH和TL内的触发值相比较，如果测温结果高于TH或低于TL, DS18B20内部的警告标志就会被置位，表示温度值超出了测量范围，同时还有报警搜索命令可以识别出温度超限的DS18B20。

其中:VDD-供电端，GND-接地端，DQ-数据输入、输出端

图3 DS18B20的封装形式

3.2 DS18B20测温原理

DS18B20的测温原理如图4所示，并没有采用传统的A/D转换原理，如逐次逼近法、双积分法和算术A/D等，而是运用了一种将温度直接转换为频率的时钟计数法。

图4 DS18B20测温原理框图

图4中低温度系数振荡器的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1。高温度系数振荡器随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的基数值。计数器1对低温度系数振荡器产生的脉冲信号进行减法计数。当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器中的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数振荡器产生的脉冲信号进行计数。如此循环，直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度，斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器1的预置值。

3.3 DS18B20内部结构

DS18B20主要由4部分组成:64位ROM、温度传感器、非易失性的温度报警触发器TH和TL及高速便笺式存储器，如图5所示。

图5 DS18B20的内部结构框图

1)64位ROM

DS18B20的64位ROM的结构如图6所示。

图6 DS18B20的64位ROM的结构图

其中前8位是产品类型编码，DS18B20固定为28H，接着的48位是每个器件的唯一序列号，最后8位是前56位的CRC校验码。ROM的作用是使每一个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)高速暂存存储器

DS18B20内部存储器如图7所示。它由RAM和非易失性可电擦写E2RAM组成。

图7 DS18B20的高速暂存寄存器的存储分配图

第0～4位在写操作时不予考虑，读出时总是1。第7位是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，即工作模式，用户不要去改动。R1、RO是可编程温度分辨率位。通过对这两位

进行不同的编程，可设定不同的温度分辨率和最大转换时间，详见表1。

由表1可见，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要在分辨率和转换时间之间权衡考虑。DS18B20出厂时R1和RO均被配置为1，即工作在12位模式下。

表1 利用R0、R1设定分辨率和最大转换时间

当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第0，1字节。在执行读便笺RAM命令后，可将这两个字节的温度值传送给总线命令者。DS18B20工作在12位模式下，温度字节的位定义如图8所示。

其中s为符号位，s为0时代表温度值为正，s为1时代表温度值为负。

图8 DS18B20温度字节的位定义图

当DS18B20工作模式依次选择11位、10位和9位时，末尾为零的低位数就分别对应于一位、两位和三位。举例说明，当工作模式选择10位时，最低两位(即2-4位和2-3位)均为0，总有效位变成10位。其中，数字位占9位，符号位占1位。

对应的温度计算:当符号位S=0时，直接将二进制数转换为十进制，乘以相应的温度分辨率即可。当S=1时，先把16位二进制数求补码后转化成十进制数，然后乘以相应的温度分辨率并在前面加上负号即可。DS18B20工作在12位分辨力时，初始值默认为+85℃，部分温度与数字输出的对应关系见表2。

表2 DS18B20温度与数字输出对应关系

3)非易失性温度报警触发器TH和TL

非易失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户设定的报警上、下限。在完成温度转换后，DS18B20就把测得的温度值T同TH、TL作比较。若T>TH 或T

3.4 DS18B20工作过程

每次对DS18B20的访问，都必须按下面工作流程:初始化→ROM操作指令→存储器操作指令→数据处理。DS18B20为用户提供了5个ROM命令和6个存储器命令。而具体命令信息的传送则主要通过初始化时序、读时序、写时序三个基本时序单元的组合来实现。

3.4.1 DS18B20的命令

DS18B20命令如表3所示

表3 DS18B20的命令及代码说明

3.4.2. DS18B20的时序

初始化时序：总线上所有操作都是从初始化开始的。主机往总线发送一个复位脉冲—最短为480μs的低电平信号，接着主机释放总线进入接收状态。单总线经过4.7k的上拉电阻被拉至高电平状态。DS18B20在检测到总线上升沿之后，等待15～60μs接着发出60～240μs的低电平信号作为存在脉冲响应。初始化时序如图9所示，其图例同样适用于写时序和读时序。

图9 DS18B20复位脉冲和应答脉冲时序图

写时序：总线命令者在与DS18B20通信中下传数据和命令时，需要遵照写时序。主机将数据线从高电平拉至低电平，产生写起始信号。主机在15μs之内将所需写的位送到数据线上，DS1B20在15～60μs对数据线进行采样，如果采样为高电平就写1，如果为低电平就写0。在开始另一个写周期前必须有1 μs以上的高电平恢复时间。写时序如图10所示。

图10 DS18B20写时序图

读时序：当读取DS18B20上传的数据时，需要用到读时序。主机将数据线从高电平拉至低电平1μs以上，再使数据线升为高电平，从而产生读起始信号。主机在读时间片下降沿之后15μs内完成读位。每个读周期最短的持续期为60μs。各个读周期之间也必须有1μs以上的高电平恢复时间。读时序如图11所示。

图11 DS18B20读时序图

3.5 DS18B20供电方式

DS18B20两种供电方式:寄生电源和外接电源方式，连接方法如图12(a) (b)所示。

(a)寄生电源供电方式

(b)外接电源供电方式

图12 DS18B20两种供电方式

寄生电源方式下，DS18B20的VDD端和GND端都接地，只用一根单总线和主机通信及获取电源。单总线上接4.7k的上拉电阻和DS18B20芯片的寄生电容形成充放电电路。外接电源方式下，DS18B20的VDD端外接一个+3～+5V电源，GND 端接地。可见寄生电源方式可以省掉一根电源线，大大较低了布线的成本。但是当总线上节点较多且同时进行温度转换时，容易造成供电不足且所需的转换时间较长。外接电源方式稳定可靠，测量速度较快。所以本系统采用外接电源供电方式。

第 4章系统设计与实现

4.1 系统整体硬件电路

4.1.1 主板电路

系统整体硬件电路包括传感器数据采集电路、温度显示电路、上下限报警调整电路、单片机主板电路等。

电路中有三个独立式按键可以分别调整温度计的上下限报警设置。蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时，发出报警鸣叫声。同时LED数码管将没有被测温度值显示，这时可以调整报警上下限，从而测出被测的温度值。

4.2 DS18B20与AT89S52硬件连接及软件编程

前面已经提到过单总线系统由一个总线命令者和多个从者构成。前面对从者—单总线器件DS18B20作了详细介绍，本节主要讨论微控制器与DS18B20的可靠硬件连接及其软件编程。

微控制器在本系统中起着承上启下的作用，具有重要的地位。本系统微控制器采用AT89S52，它有两个最主要的功能:

(1)控制单总线的运行，读取DS18B20所转换的温度并存储在RAM中。

(2)通过RS-232总线与PC进行串行通信。

由于DS18B20的单总线特性使得总线命令者的一根I/O口线上可以挂接多个DS18B20。AT89S52与DS18B20的硬件连接电路如图13所示。

图13 DS18B20与AT89S52的连接电路

图13中P1.0 I/O口线作为1条单总线的数据线。总线上挂接3个DS18B20，这样一个单片机可以控制测量3个测点的温度，而且又能满足多点温度测量的需

要。AT89S52的软件编程单片机必须有相应的软件才能工作。依据前面介绍的DS18B20的命令及时序可以对单片机进行编程。单片机有3个基本接口子程序，分别是初始化子程序、读子程序和写子程序。编写子程序的基本方法是严格按照DS18B20的时序要求。各子程序流程图如图14。

(a)复位子程序

(b)写子程序

(c)读子程序

图14 初始化子程序、读子程序、写子程序

需要说明的是，系统中没有采用发搜索ROM命令来搜索所有在线的温度传感器，而是在系统开发板上设计了专门电路。这个电路通过读ROM命令离线可以读出需要用到的DS18B20的ROM序列号。这样做有下列好处:①节约了在线逐个搜索ROM编码所用的时间；②简化了编程；③可以事先匹配好矩形测量网络，方便读取温度数据；④当系统工作过程中需要更换传感器时，方便地读出其ROM 序列号，使系统迅速恢复正常。读取ROM序列号时，要求单总线上只能有一个DS18B20。系统设计读序列号时的单总线为P1.0，读取完毕后通过串口发送出去并显示。读取ROM序列号的流程图如图15所示。

图15 读取ROM序列号流程图

在实际应用中需合理安排单片机的RAM空间。因为每个DS18B20的ROM序列号要占用8个字节，而且读取的温度数据也占两个字节。将一条单总线上3个DS18B20的ROM序列号按照它们在矩形测量网络上的行列号顺序存储在单片机的RAM中。

4.3 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路

DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式。此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式。如图16 所示单片机端口接单线总线。为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够

的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。

当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。

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图16 DS18B20与单片机的接口电路

4.4 程序设计

系统程序主要包括主程序、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。

4.4.1 主程序

主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出，并处理DS18B20的测量的当前温度值。每1s温度测量进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图17所示。