自制可测量液体温度的数显温度计(DS18B20)

自制可测量液体温度的数显温度计(DS18B20)

 

　　以半导体温度传感器为核心的电子数显温度计，具有读数直观方便、测温响应速度快、测量准确、分辨率高的特点，也避免了传统温度计中水银对环境的污染；尤其是以DS18B20为代表的数字温度传感器，其直接将温度测量值转换为数字量输出，便于与单片机接口读取、显示测温数值。对于DS18B20的使用不少电子专业刊物已有介绍，但是大部分是在单片机实验板上进行的，或是作为温控系统中的一部分得到应用。这些应用都无法成为一个实用的数显温度计"产品"独立使用，并且功能单一，如只能测试正温度，没有温度报警功能，不能测试液体温度等。笔者在教学实践中设计制作了一款以DS18B20为核心的实用数显温度计，其实物照片如图1所示。

本温度计有如下特点：
1.体积小巧，大小为120(长)×76(宽)×25(高)，便于使用与携带。
2.采用一块普通的手机锂电池供电，可以反复充电使用，降低了使用成本，并且锂电池不会污染环境，绿色环保。
3.可以测试液体的温度，扩大了应用范围。
4.温度测量范围宽，从-55℃～+125℃。
5.具有温度上限报警功能，温度上限报警范围：0℃～100℃。
6.测温准确度为±0.5℃（在-10℃～+85℃范围内），分辨率为0.0625℃。

一、硬件电路分析

数显温度计的电路原理图如图2所示。

在原理图中单片机IC1PIC16F84A完成以下5个任务：

1.通过软件控制RA0端口电平按照"1-线"总线规范的时序去改变，通过"1-线"总线对数字温度传感器IC2DS18B20发出复位、启动测温等指令，从而达到与数字温度传感器IC2通信的目的。

2.将IC2送来的二进制测温值通过数制转换程序转换为十进制数，完成数制转换。

3.对液晶显示屏LCD进行控制，实现测温值的数显。IC1的RA1至RA3端口对液晶显示屏LCD的读写进行控制，RB4至RB7端口将测温显示数据送到液晶显示屏的数据端口D4至D7端，实现温度值的数字显示；在这里液晶显示屏与单片机之间采用了4位接口模式，这样可以节约单片机有限的端口资源，显示屏不用的数据端口要悬空处理，否则会引起显示不正常。

4.完成温度上限报警任务。IC1的RA4端为温度上限报警输出端，当IC1检测到测温值等于或超过温度上限报警设定值时，RA4端口以0.5s为间隔交替输出高低电平，蜂鸣器HA发出"嘀、嘀"的报警声。温度上限报警设定值存储在IC1内部的EEPROM存储器中。

5.对温度上限报警开启/关闭控制开关S1、温度上限报警值设置开关S2与S3进行检测，以便执行相应的操作功能。

由于单片机IC1与液晶显示屏LCD只有供电电压为5V时，才能确保二者稳定的工作，为此，在电路中加入了由IC3MAX757与外围元件构成的升压电路。通过升压电路，将锂电池的3.6V供电提升为IC1与液晶显示屏所需的5V供电。MAX757为美信公司出品的升压型DC-DC转换芯片，它在输入电压低至0.7V时仍然可以稳定工作，这样的特性很适合两节电池或锂电池供电的系统，因此笔者选用了此IC构成升压电路。MAX757的技术文档可从美信公司的网站（www.maxim-ic.com.cn）上下载。MAX757的输出电压由电阻R7、R8的分压比决定，计算公式为UO=1.25V×［（R7＋R8）÷R8］，公式中电阻的单位均为kΩ。笔者对此升压电路进行过测试，当输入电压在2～4.5V之间变化时，负载为本数显温度计时，用指针式万用表监测电容C5两端的电压，观测不到5V电压的改变，这证明MAX757的升压调整特性还是很不错的。

二、软件编程

软件在MPLABIDE集成开发环境中用汇编语言编写。包括"1-线"总线通信子程序、LCD控制与显示子程序、二-十进制转换子程序、开关检测子程序、温度上限报警子程序、单片机内部EEPROM读写子程序、延时子程序等。由于温度上限报警设定值保存在单片机IC1内部的EEPROM存储器中，所以当S2或S3接通时，要通过EEPROM读写子程序改变存储在EEPROM内的温度上限报警设定值。在对EEPROM写数据的时候，每写完一次数据，一定要对单片机IC1的EECON1寄存器的WR位进行软件查询是否为0，为0的话证明一次写操作完成，之后才能进行下一次的写操作或执行其它任务，否则数据无法写入EEPROM。在对单片机编程烧写的时候，初始化的温度上限报警值设定为25℃，初始化工作在程序中通过下面的两条伪指令完成：

ORG?2100H?;对编程器而言EEPROM的起始地址为2100H

DE?.25???;向EEPROM的00H单元写入十进制数25

三、制作与使用

为了便于读者自制本数显温度计，笔者为其设计了PCB，如图3所示。此PCB为单面布线，方便读者用热转印法制作电路板，PCB的顶层丝印层见图4，读者可参照此图片进行组装，在图片上J1、J2为跳线，焊接完毕的电路板如图5所示。

1.元器件的选取

在原理图中，IC1、IC3均选择DIP封装的，IC3MAX757可在美信公司的网站上申请样片；IC2选择TO-92封装的；电阻选择1/8W小体积电阻；L1为色环电感，体积有1/2W电阻大小；LCD为1602型液晶显示屏，由于生产的厂家不同，对比度设置电阻R5可能要根据需要要略作调整；蜂鸣器HA选择工作电压为5V的自发声型，要选用工作电流小于25mA的产品，这样可以用单片机的端口直接驱动；S1、S4为琴键式自锁开关，S2、S3为按钮开关；电池可以选用任何型号的手机锂电池，只要可以装入机壳就可以了。

2.测温探头的制作

为了让数显温度计可以测试液体的温度，我们要给温度传感器IC2"穿上一件防水、耐高温的外衣"，这个"外衣"就是测温探头，其制作过程如下：取一个比IC2直径稍大的电解电容，去掉塑料外皮，将电解电容内部类似于纸制的电解芯取出，我们要用到的就是这个被掏了"芯"的铝壳。在铝壳内注入导热硅脂，硅脂的注入量达到铝壳的1/2高度处即可。这时将焊好引线的IC2放入铝壳，用环氧树脂胶封固铝壳的开口处，如图6所示。再将探头用环氧树脂胶固定到一个空心塑料杆上（笔者选用的是圆珠笔杆），引线从塑料杆的内心穿出，如图7所示。至此，测温探头制作完毕。

3.使用简介

当接通电源开关S4后，蜂鸣器HA会响一声，这表明单片机内部程序运转正常。温度上限报警开启/关闭控制开关S1断开时，报警功能打开，液晶屏的第二行显示温度上限报警设定值（第一行显示的是实时测温值），如图8所示，当测温值等于或超过设定值时，蜂鸣器发出"嘀、嘀"的报警声，直至温度回落到上限报警值之内或接通（按下）S1才停止报警；当S1接通（按下）时，报警功能关闭，此时液晶屏的第二行显示"ALARMOFF"字样，如图9所示，表示报警功能关闭，蜂鸣器不发出报警声。S2、S3为温度上限报警值设置开关，每按动S2一次，设置值增加1℃，当设置值超过100℃时，设置值自动回到0℃；每按动S3一次，设置值降低1℃，当设置值要降到0℃以下时，设置值自动回到100℃；按住S2或S3不放时，设置值以1℃为步进值连续增加或降低；在操作S2、S3时，图8中第二行显示的温度设定值数字也随之改变。当测温值为0℃以下时，液晶屏第一行温度显示百位的地方会出现"－"号，表示负温度。数显温度计所使用的锂电池可用手机万能充电器进行充电。数显温度计的源程序cewen.asm、编译好的烧写文件cewen.HEX以及PCB文件可到《无线电》杂志网站（www.radio.com.cn）下载，读者可以根据实际需要对源程序进行修改，添加更多的实用功能。