一種多用智能溫度測量儀表的設計與實現

　　摘要：溫度是科學技術中zui基本的物理量之一，在工業生產中，溫度常是表征對象和過程狀態的zui重要的參數之一，在醫學領域中，體溫也是我們zui為關注的醫學參數。
　　
　　隨著現代科技的發展，溫度測量在各個領域應用越來越廣泛，同時溫度測量技術也被人們所異常關注。多功能溫度測量儀就是一個典型的例子，運用單片機技術，向數字化，智能化方向發展。在此介紹一種多功能溫度測量儀，既可以測量環境溫度、又能測量人體溫度，達到快響應、數字顯示溫度值，并且具有高溫報警的目的。
　　
　　1、硬件電路設計
　　
　　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的內部結構主要由64位ROM、溫度靈敏元件、內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，測量后的結果存儲在2個8b的溫度寄存器中。
　　
　　（3）內部存儲器。內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器TH、TL以及配置寄存器。　　　　
　　DS18B20具有以下特點:
　　
　　（1）*的單線接口方式，與單片機連接時僅需要一條口線;（2）測溫范圍為-55~+125℃，在-10~+85℃范圍內精度為±0.5℃;（3）通過編程可實現9~12位的數字讀數方式;（4）用戶可自設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，可用數據總線供電，電壓范圍為3.0~5.5V無需備用電源;（6）DS18B20有TO92、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，系統設計更靈活、方便，價格更便宜，體積更小。
　　
　　1.2硬件電路設計
　　
　　系統硬件電路如3所示。　　　　
　　包括信號采集、系統控制、數字顯示、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，通過內部處理由傳感器的DQ端送到單片機P3.2端口，經單片機的計算處理后，由P0口和P1口分別作為4位共陽數碼管的段控信號和位控信號，共同完成對所測溫度值的數字顯示，zui高位是符號顯示，如顯示負號“-”時，表示當前溫度是負溫度，否則為正溫度;由P2.0端口控制蜂鳴器，當測量的溫度超過“預設報警溫度”時，發出提示音報警;P2.1~P2.3端口來控制黃、綠、紅3個發光二極管分別表示低溫、正常、高溫三種溫度狀態。石英晶體JT和電容C2，C3共同組成晶振電路;電容C1、電阻R13、SB共同構成復位電路;其中電阻R13為下拉電阻，SB為手動復位按鈕。
　　
　　2、軟件設計
　　
　　為了便于子程序的調用和維護系統，程序遵循標準化、模塊化的原則，主要完成包括讀DS18B20溫度數據、數據的整理轉換、溫度顯示、報警等模塊的設計。由于程序任務相對較少，結構相對簡單，本系統由主程序和多個子程序組成，采用順序性結構主程序流程。
　　
　　2.1軟件設計要點
　　
　　由于DS18B20采用的是單線總線協議方式，即在一條數據線上實現數據的雙向傳輸，而單片機硬件上不支持單總線協議，因此必須采用軟件方法來模擬單總線的協議是序來完成對DS18B20芯片的訪問。
　　
　　由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數據，因此對讀寫的數據位有嚴格的時序要求，它有嚴格的通信協議來保證各位數據傳輸的正確性和完整性。該協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作為主設備，DS18B20作為從設備，而每一次命令和數據的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求DS18B20回送數據，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數據接收。
　　
　　2.2軟件設計
　　
　　創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絡，或嵌于其他監測系統。
　　
　　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境、水、人體進行測量，詳細記錄每次測量數據，并進行數據對比。測試結果如表1所示，結果顯示誤差僅±0.2℃。
　　　　
　　4、結語
　　
　　運用溫度傳感器DS18B20和單片機8051等設計并制作的溫度測量儀，用較低的成本實現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，具有硬件結構簡單、響應快、顯示直觀等優點，并且元器件DS18B20單總線結構具有很強的擴展性.還可以組建多點的溫度檢測網絡該方案設計溫度監測系統，應用前景廣泛。