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摘要：针对传统测温元件和测温方法所存在的问题，提出了一种基于DS18820和AT89S51的高精度温度测量仪。详细介绍了单总线温度传感器DSl8820的结构以及其单总线工作原理，并给出了单总线测温仪的硬件电路和软件设计流程。最后，利用Proteus软件进行系统仿真调试，实现了温度实时读取、LCD显示、超温报警等功能。
关键词：单总线；温度测量；DS18820；AT89S51；Proteus；仿真
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）14-0200-02
温度是物体冷却程度的物理量，也是一种基本的环境参数。在大棚种植、工业控制、电子测温、家用电器等需要温度监测的领域中，温度控制的精确性和实效性要求越来越高。传统的温度测量方法很多，测温元件主要以热电偶、热电阻或者模拟式温度传感器为主，存在测量精度较低、可温度是表征靠性较低、需要A/D转换，且电路复杂等一系列问题。
本文提出一种采用Dallas公司的单总线数字温度传感器DS18820为测温元件，AT89S51单片机为控制核心所构成高精度的温度测量仪，不仅具有控制方便、电路结构简单、灵活性大等优点，且可以大大提升测温指标，很好地解决上述问题。实现在单片机的控制下检测温度与显示，并可设置高、低温度超限报警等功能，广泛使用于距离远、节点分布多的场合，具有较强的推广应用价值。
1 DSl8820测温优点
DS18820是Dallas公司继DS1820之后推出的一种改进型的单总线智能温度传感器。温度测量范围为-55～ 125℃，能够直接读出被测量的温度；测量结果以9～12位数字量串行传送，同时可传送CRC校验码，最高分辨率可达0.0625℃，满足高精度的测量要求；工作电源电范围3.0～5.5V；独特的单总线接口方式，在使用过程中不需要任何外围元件，且支持多点组网功能。DS18820测温可使系统结构更加简洁，可靠性高，使得其非常适用于高精度的温度采集与检测。DS18820的内部结构图如图1所示。
2硬件电路设计及分析
系统主要由AT89S51单片机、DS18820测温元件、1602LCD显示电路、超温报警电路、时钟电路以及复位电路等构成，原理框图如图2所示。
系统采用DS18820进行测温，通过单总线方式接至AT89S51的P3.3引脚。AT89S51单片机采集DS18820送来的温度信息，经过软件算法将处理后的温度信息通过LCD1602显示器显示出来。温度的上下限值可通过P1.0-P1.2的按键来进行设定。若超过设定的上限或下限温度值，将通过P3.6或P3.7进行高低温报警。系统采用Proteus软件设计的仿真电路如图3所示。
2.1测温电路
温度采集模块DS18820采用单总线结构，与单片机交换信息仅需要一根I/O线，其读/写及温度转换的功率也可来源于数据总线，而无需额外电源。DSl8 B20有3个引脚，1脚VDD是外电源输入端，2脚DQ是数字信号输入/输出端，3脚GND是地线。
2.2 LCD液晶显示电路
LCD1602显示器用于显示实时温度数据。此外，刚上电时，先后显示上下限温度设定值。P2.0～P2.2分别接LCD1602的RS、RW及E端，P0口接LCDl602的数据输出端DO到D7。
2.3按键输入电路
采用独立式键盘P1.0～P1.2用来修改温度报警的上限与下限值。系统默认的温度报警上限为50～C，下限为-10℃。系统上电后，LCD1602将先显示温度报警上限值。若按P1.0键报警值加1，按PI.1键报警值减1；P1.2为确定键，用于保存修改值。按下确定键后，接着显示温度报警的下限值，修改保存后，再进行实时温度显示。
3软件设计及分析
软件程序主要包括以下部分：
1）初始化部分，包括对LCD 1602及DS18820的初始化。
2）按键处理部分：上电后，LCD1602显示上限报警温度值，若20秒之内有温度加或温度减键按下，则修改后保存温度上限值；同理修改并保存温度下限值。
3）设置温度报警子程序：根据修改的温度上下限值，在DS18820初始化后，发跳过ROM命令，将温度报警值写入DS18820，再发跳过ROM命令，将温度报警值复制到EE-PROM中。
4）读取温度字程序：若检测到DS18820无故障时，可读取温度。顺序是：发出跳过序列号命令（0Xcc）→启动温度转换命令（0x44）→DS18820初始化→跳过序列号命令（0Xec）→读取温度寄存器命令（0XBE）→分别保存溫度低8位、高8位以及高温限值（TH）和低温限值（TL）。
5）LCD显示温度子程序：显示温度前，需要先对温度的符号进行判别。先由符号位判定温度的正负，若温度为负，则对应的温度绝对值为原码的补码。根据读取的2字节温度值，判断其符号位并分别读取其整数部分和小数部分，通过运算后保存到显示缓冲区，并刷新LCD显示缓冲，同时注意高位为0时不显示，最后在LCD中第一行显示标题，在第二行中显示当前温度及温度符号。子程序流程图见图4。
6）温度报警处理部分：读取DS18820温度值及报警上下限值后，进行比较，若超出范围则驱动上/下限报警单元进行报警。
3.4软件设计流程
4 Keil与Proteus的仿真调试
软件上，采用C语言编程，在KeilC51软件中，将编写的程序进行编译、调试，并生成十六进制目标代码文件（XX.hex）。硬件上，利用Proteus软件绘制出系统的仿真原理图，并进行纯电路的仿真后，双击CPU，在出现对话框中的“Programfile”加入目标代码文件XX.hex，并进行系统的仿真调试，直至调试成功。仿真调试好之后，通过按键可修改温度报警的上下限值，调试时可看到LCD1602上显示所采集到的温度值，误差在0.1度范围内，达到了良好的仿真效果，如图2所示。
5结束语
本设计以Proteus和Keil软件作为开发工具，以AT89S51单片机为控制核心，并采用单总线智能温度传感器DS18820作为温度检测元器件，加上合适的外围电路，构成了实时温度检测系统。该系统可实现温度的实时读取、LCD显示及超温报警等功能，且系统具有结构简洁、精度高、适应性强、维护方便，易于扩展成为多点测温系统等优点，在温度采集与检测领域中具有良好的应用前景。
关键词：单总线；温度测量；DS18820；AT89S51；Proteus；仿真
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）14-0200-02
温度是物体冷却程度的物理量，也是一种基本的环境参数。在大棚种植、工业控制、电子测温、家用电器等需要温度监测的领域中，温度控制的精确性和实效性要求越来越高。传统的温度测量方法很多，测温元件主要以热电偶、热电阻或者模拟式温度传感器为主，存在测量精度较低、可温度是表征靠性较低、需要A/D转换，且电路复杂等一系列问题。
本文提出一种采用Dallas公司的单总线数字温度传感器DS18820为测温元件，AT89S51单片机为控制核心所构成高精度的温度测量仪，不仅具有控制方便、电路结构简单、灵活性大等优点，且可以大大提升测温指标，很好地解决上述问题。实现在单片机的控制下检测温度与显示，并可设置高、低温度超限报警等功能，广泛使用于距离远、节点分布多的场合，具有较强的推广应用价值。
1 DSl8820测温优点
DS18820是Dallas公司继DS1820之后推出的一种改进型的单总线智能温度传感器。温度测量范围为-55～ 125℃，能够直接读出被测量的温度；测量结果以9～12位数字量串行传送，同时可传送CRC校验码，最高分辨率可达0.0625℃，满足高精度的测量要求；工作电源电范围3.0～5.5V；独特的单总线接口方式，在使用过程中不需要任何外围元件，且支持多点组网功能。DS18820测温可使系统结构更加简洁，可靠性高，使得其非常适用于高精度的温度采集与检测。DS18820的内部结构图如图1所示。
2硬件电路设计及分析
系统主要由AT89S51单片机、DS18820测温元件、1602LCD显示电路、超温报警电路、时钟电路以及复位电路等构成，原理框图如图2所示。
系统采用DS18820进行测温，通过单总线方式接至AT89S51的P3.3引脚。AT89S51单片机采集DS18820送来的温度信息，经过软件算法将处理后的温度信息通过LCD1602显示器显示出来。温度的上下限值可通过P1.0-P1.2的按键来进行设定。若超过设定的上限或下限温度值，将通过P3.6或P3.7进行高低温报警。系统采用Proteus软件设计的仿真电路如图3所示。
2.1测温电路
温度采集模块DS18820采用单总线结构，与单片机交换信息仅需要一根I/O线，其读/写及温度转换的功率也可来源于数据总线，而无需额外电源。DSl8 B20有3个引脚，1脚VDD是外电源输入端，2脚DQ是数字信号输入/输出端，3脚GND是地线。
2.2 LCD液晶显示电路
LCD1602显示器用于显示实时温度数据。此外，刚上电时，先后显示上下限温度设定值。P2.0～P2.2分别接LCD1602的RS、RW及E端，P0口接LCDl602的数据输出端DO到D7。
2.3按键输入电路
采用独立式键盘P1.0～P1.2用来修改温度报警的上限与下限值。系统默认的温度报警上限为50～C，下限为-10℃。系统上电后，LCD1602将先显示温度报警上限值。若按P1.0键报警值加1，按PI.1键报警值减1；P1.2为确定键，用于保存修改值。按下确定键后，接着显示温度报警的下限值，修改保存后，再进行实时温度显示。
3软件设计及分析
软件程序主要包括以下部分：
1）初始化部分，包括对LCD 1602及DS18820的初始化。
2）按键处理部分：上电后，LCD1602显示上限报警温度值，若20秒之内有温度加或温度减键按下，则修改后保存温度上限值；同理修改并保存温度下限值。
3）设置温度报警子程序：根据修改的温度上下限值，在DS18820初始化后，发跳过ROM命令，将温度报警值写入DS18820，再发跳过ROM命令，将温度报警值复制到EE-PROM中。
4）读取温度字程序：若检测到DS18820无故障时，可读取温度。顺序是：发出跳过序列号命令（0Xcc）→启动温度转换命令（0x44）→DS18820初始化→跳过序列号命令（0Xec）→读取温度寄存器命令（0XBE）→分别保存溫度低8位、高8位以及高温限值（TH）和低温限值（TL）。
5）LCD显示温度子程序：显示温度前，需要先对温度的符号进行判别。先由符号位判定温度的正负，若温度为负，则对应的温度绝对值为原码的补码。根据读取的2字节温度值，判断其符号位并分别读取其整数部分和小数部分，通过运算后保存到显示缓冲区，并刷新LCD显示缓冲，同时注意高位为0时不显示，最后在LCD中第一行显示标题，在第二行中显示当前温度及温度符号。子程序流程图见图4。
6）温度报警处理部分：读取DS18820温度值及报警上下限值后，进行比较，若超出范围则驱动上/下限报警单元进行报警。
3.4软件设计流程
4 Keil与Proteus的仿真调试
软件上，采用C语言编程，在KeilC51软件中，将编写的程序进行编译、调试，并生成十六进制目标代码文件（XX.hex）。硬件上，利用Proteus软件绘制出系统的仿真原理图，并进行纯电路的仿真后，双击CPU，在出现对话框中的“Programfile”加入目标代码文件XX.hex，并进行系统的仿真调试，直至调试成功。仿真调试好之后，通过按键可修改温度报警的上下限值，调试时可看到LCD1602上显示所采集到的温度值，误差在0.1度范围内，达到了良好的仿真效果，如图2所示。
5结束语
本设计以Proteus和Keil软件作为开发工具，以AT89S51单片机为控制核心，并采用单总线智能温度传感器DS18820作为温度检测元器件，加上合适的外围电路，构成了实时温度检测系统。该系统可实现温度的实时读取、LCD显示及超温报警等功能，且系统具有结构简洁、精度高、适应性强、维护方便，易于扩展成为多点测温系统等优点，在温度采集与检测领域中具有良好的应用前景。