1 需求分析
溫度是一個重要的物理參數，許多重要的物理、化學過程都要求在一定的溫度條件下才能正常進行，因此溫度的測量方法和測量儀表在實際的生產過程中十分必要。
現代工業現場工作條件惡劣、電磁干擾嚴重，對現場溫度檢測提出了較為苛刻的要求，概括來說，系統功能要求如下：
(1)盡量減少現場接線數量。
(2)具有較高的可靠性、抗干擾性。
(3)能夠同時采集并顯示多點溫度。
(4)具備足夠的測量精度和測量范圍。
(5)易于安裝、使用及維護。
(6)在滿足上述條件的基礎上盡量減少成本開銷。
2 總體設計
2.1 方案設計
系統方案分為供電電源，溫度測量，控制器，溫度顯示和上位機通訊接口五部分。
(1)供電電源：用常用220V交流電經過變壓、整流、穩壓后得到控制器所需要的5V電源。(2)溫度測量：傳感器是整個系統中最重要的部分，它的精度靈敏度基本決定了溫度檢測系統的精度、測量范圍等。本次設計選用數字式溫度傳感器DS18B20。該傳感器具有獨特的單總線接口，與主機通訊時只需一根信號線，全數字信號輸出且無需外部器件，因而十分適用于現代工業現場。(3)控制器：控制器是整個檢測系統的核心，與傳統的溫度計相比，由于電子式溫度計具有數字通信接口，并且系統的抗干擾能力、實用性有了較大的提高。處于性價比方面的考慮，本設計選用Atmel公司的8位高性能、低功耗的單片機Atmega32。(4)溫度顯示：采用8位8段數碼管顯示每個傳感器所采集到的溫度，第一位顯示正負，第二、三、四位顯示整數，剩余顯示小數。因數碼管控制引腳較多、為易于擴展，加入數碼管驅動芯片MAX7219。(5)上位機通訊：上位機通訊部分采用RS232通訊接口實現與上位機的串口通信，方便用戶的管理與控制。
2.2 系統框圖與工作原理
系統方案如圖1所示。多個數字式溫度傳感器DS18B20多點分布式測量，將采集到的溫度數據通過單總線傳送給控制器Atmega32，在傳輸過程中采取CRC校驗方式。控制器經過數據處理通過SPI總線傳遞顯示信息，經數碼管驅動芯片MAX7219點亮數碼管，實時顯示溫度數值，同時將各個傳感器的數據通過串口傳送位機。
圖1 系統框圖
3 硬件設計
溫度顯示部分采用了SPI總線架構，新擴展的MAX7219只需將CLK，LOAD引腳接到SPI總線上，DIN引腳連接到上一片MAX7219的DOUT引腳。
上位機為通用PC機，串口是RS232電平，而單片機的串口是TTL電平，兩者之間必須有一個電平轉換電路，為此采用了專用芯片MAX232進行轉換，RS232采用三線制連接。
4 軟件設計
本次設計采用模塊化的程序設計思想，將各個功能模塊所調用的函數以庫的形式給出，利用C語言完成軟件部分的設計開發。軟件部分的主要架構如下：
MAIN.C:主函數控制模塊，主要負責系統的控制與管理。當系統啟動后通過調用DS18B20.H接口函數讀取傳感器的數量、傳感器件類型、傳感器內部ROM編碼、傳感器供電方式與溫度數據這些信息，并將其傳遞給上位機，同時通過調用數碼管驅動接口函數點亮數碼管。DS18B20.H:DS18B20控制庫文件，提供傳感器DS18B20控制接口函數。
5 系統仿真
進入Proteus仿真環境完成原理圖的繪制后，鼠標右擊控制器ATmega32，將程序“燒錄”至單片機中。利用Proteus仿真環境中所提供的示波器與串口觀測器來進行觀測，在電壓部分的A、B、C、D處引出四個測量點，通過示波器觀察電源電路部分的工作狀態。并將串口觀測器的RXD端連接單片機的TXD端，TXD端連接單片機的RXD端。左側的DS18B20方框內數值代表外界溫度。仿真時通過調節DS18B20方框內部的數值，觀測到右側數碼管顯示數值與方框內部數值完全相符，而且串口數據內容也發生改變，系統整體工作正常。
6 結束語
采用單總線技術設計的數字溫度計與傳統的儀器相比，具有成本低廉、安裝維護方便、系統工作穩定、抗干擾能力強等優點。本次設計的溫度測量系統的測量溫度范圍為-55℃～125℃，精度0.0625℃，能夠滿足日常生產需要。系統軟硬件已通過EDA仿真軟件Proteus仿真驗證，工作穩定可靠。
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本文標題：數字溫度計的設計與仿真
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