基于DS18B20的多点温度检测系统的设计

前言 (3)1 系统方案设计 (4)1.1方案设计 (4)1.2方案论证 (5)2 系统设计 (6)2.1工作原理 (6)2.2单元电路设计 (8)2.1.1 DS18B20与单片机接口电路设计 (8)2.1.2 键盘电路设计 (13)2.1.3显示电路设计 (15)2.1.4 报警电路设计 (21)3 程序设计 (21)3.1程序流程设计 (21)3.2程序设计 (27)4 系统仿真 (27)4.1原理图绘制 (27)4.2程序加载 (27)4.3系统仿真 (27)5 产品制作 (28)5.1PCB板设计 (28)5.1.1 PCB板面规划 (28)5.1.2 PCB网络表导入 (28)5.1.3 PCB元件布局 (28)5.1.4 布线 (29)5.2PCB板制作 (30)5.2.1 PCB打印 (30)5.2.2 PCB转印 (31)5.2.3 PCB蚀刻 (31)5.2.4 PCB钻孔 (32)5.2.5 PCB板表面处理 (32)5.3元器件安装与产品调试 (32)5.3.1 元器件安装 (32)5.3.2 产品调试 (35)总结 (35)参考资料 (36)致谢 (37)附录1 (38)附录2 部分子程序 (39)前言21世纪，科学技术的发展日新月异，科技的进步带动了测量技术的发展，现代控制设备的性能和结构发生了翻天覆地的变化。

我们已经进入了高速发展的信息时代，测量技术也成为当今科技的一个主流，广泛地深入到研究和应用工程的各个领域。

温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量，是国际单位制七个基本量之一。

温度的变化会给我们的生活、工作、生产等带来重大影响，因此对温度的测量至关重要。

其测量控制一般使用各式各样形态的温度传感器。

随着现代计算机和自动化技术的发展，作为各种信息的感知、采集、转换、传输相处理的功能器件，温度传感器的作用日显突出，已成为自动检测、自动控制系统和计量测试中不可缺少的重要技术工具，其应用已遍及工农业生产和日常生活的各个领域。

分布式温度传感器在电力工业、煤矿、森林、火灾、高层建筑、航空、航天飞行器等有着重要的应用前景，引起研究人员的广泛关注。

近年来，已经有不少分布式温度传感器的报道，包括基于光纤非线性效应的拉曼温度传感器等，但由于其昂贵的成本而无法得到广泛的应用。

本设计使用了美国Dallas半导体公司的新一代数字式温度传感器DS18B20,它具有独特的单总线接口方式,即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器,从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单,克服了模拟式传感器与微机接口时需要的A/D转换器及其它复杂外围电路的缺点。

本设计是心AT89C51为单片机作为控制核心，提出了一种基于DS18B20的分布式温度传感系统，多个温度传感节点通过单总线通过单总线与单片机相联形成分布式系统。

单片机通过实时监控温度的变化，通过128×64图形液晶显示各节点温度的数值，当温度值超出允许范围时，报警器开始报警，从而远程实现对整个温度系统的管理和控制。

这种分布式温度测量系统具有成本低廉、传感精度高、系统稳定、易于管理等优点。

1 系统方案设计1.1 方案设计方案一：该方案由单片机、模拟温度传感器AD590、运算放大器、AD转换器、4×4键盘、LCD显示电路、集成功率放大器、报警器组成。

本方案采用模拟温度传感器AD590作为测温元件，传感器将测量的温度变换转换成电流的变化，再通过电路转换成电压的变化，使用运算放大器交将信号进行适当的放大，最后通过模数转换器将模拟信号转换成数字信号，传给给单片机，单片机将温度值进行处理之后用LCD显示，当温度值超过设置值时，系统开始报警。

图1.1 方案一温度测量系统方案框图方案二：该方案使用了AT89C51单片机作为控制核心,以智能温度传感器DS18B20为温度测量元件，采用多个温度传感器对各点温度进行检测，通过4×4键盘模块对正常温度进行设置显示电路采用128×64 LCD模块，使用LM386作为报警电路中的功率放大器。

温度传感器图1.2 方案二温度测量系统方案框1.2 方案论证方案一采用模拟温度传感器，转换结果需要经过运算放大器和AD转换器传送给处理器。

它控制虽然简单，但电路复杂，不容易实现对多点温度进行测量和监控。

由于采用了多个分立元件和模数转换器，容易出现误差，测量结果不是很准确，因此本方案并不可取。

方案二采用智能温度传感器DS18B20，它直接输出数字量，精度高，电路简单，只需要模拟DS18B20的读写时序，根据DS18B20的协议读取转换的温度。

此方案硬件电路简单，程序设计复杂一些，但是电子竞赛培训期间我编写过DS18B20、图形液晶、键盘的程序，而且设计过电路并成功地通过调试，并且我已经使用开发工具KEIL用C语言对系统进行了程序设计，用仿真软件PROTEUS 对系统进行了仿真，达到了预期的结果。

由此可见，该方案完成具有可行性，体现了技术的先进性，经济上也没有问题。

综上所述，本课题采用方案二对系统进行设计。

2 系统设计2.1工作原理基于DS18B20多点温度测量系统以AT89C51为中心器件，以KEIL为系统开发平台，用C语言进行程序设计，以PROTEUS作为仿真软件设计而成的。

系统主要由传感器电路、液晶显示电路、键盘电路、报警电路组成，电路原理图2.1所示。

DS18B20是智能温度传感器，它的输入/输出采用数字量，以单总线技术，接收主机发送的命令，根据DS18B20内部的协议进行相应的处理，将转换的温度以串口发送给主机。

主机按照通信协议用一个IO口模拟DS18B20的时序，发送命令（初始化命令、ROM命令、功能命令）给DS18B20，并读取温度值，在内部进行相应的数值处理，用图形液晶模块显示各点的温度。

在系统启动之时，可以通过4×4键盘设置各点温度的上限值，当某点温度超过设置值时，报警器开始报警，从而实现了对各点温度的实时监控。

每个DS18B20有自己的序列号，因此本系统可以在一根总线上挂接了4个DS18B20，通过CRC校验，对各个DS18B20的ROM进行寻址，地址符合的DS18B20才作出响应，接收主机的命令，向主机发送转换的温度。

采用这种DS18B20寻址技术，使系统硬件电路更加简单。

图2.2 单元电路设计2.1.1 DS18B20与单片机接口电路设计(1) DS18B20与单片机的接口技术如图2.2所示：DS18B20与单片机的接口电路非常简单。

DS18B20只有三个引脚，一个接地，一个接电源，一个数字输入输出引脚接单片机的IO口，电源与数字输入输出脚间需要接一个4.7K的电阻。

图2.2 DS18B20与单片机接口电路(2) 中央处理器AT89C51简介①AT89C51的特点AT89C51具有以下几个特点：●AT89C51与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；●片内有4k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；●全静态工作,工作范围：0Hz～24MHz；●三级程序存储器加密；●128×8位内部RAM；●32位双向输入输出线；●两个十六位定时器/计数器●五个中断源,两级中断优先级；●一个全双工的异步串行口；●间歇和掉电两种工作方式。

②AT89C51的功能描述AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS 八位微处理器，片内有4k 字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。

它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。

AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。

只要程序长度小于4K ，四个I/O 口全部提供给用户。

可用5V 电压编程,而且擦写时间仅需10毫秒，仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一,与8751/87C51的12V 电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。

工作电压范围宽（2.7V~6V ），全静态工作，工作频率宽在0Hz ～24MHz 之间，比8751/87C51等51系列的6MHz ～12MHz 更具有灵活性,系统能快能慢。

AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。

P0口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。

③ AT89C51引脚功能AT89C51单片机40引脚分布如右图3.3.4。

AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS 八位微处理器，片内有4k 字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。

它与MCA-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。

AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。

只要程序长度小于4K ，四个I/O 口全部提供给用户。

可用5V 电压编程,而且擦写时间仅需10毫秒，仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一,与8751/87C51的12V电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。

工作电压范围宽（2.7V~6V ），全静态工作，工作频率宽在0Hz ～24MHz 之间，比8751/87C51等51系列的6MHz ～12MHz 更具有灵活性,系统能快能慢。

AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。

P0口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。

(3) DS18B20的工作原理① DS18B20数字温度传感器概述DS18B20数字温度计是DALLAS 公司生产的1－Wire ，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。

因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。

DS18B20产品的特点● 只要求一个端口即可实现通信。

● 在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。

● 实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。

● 测量温度范围在－55.C 到＋125.C 之间。

● 数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。

● 内部有温度上、下限告警设置。

TO －92封装的DS18B20的引脚排列见图4-2，其引脚功能描述见表4-1。