1 需求分析
温度是一个重要的物理参数，许多重要的物理、化学过程都要求在一定的温度条件下才能正常进行，因此温度的测量方法和测量仪表在实际的生产过程中十分必要。
现代工业现场工作条件恶劣、电磁干扰严重，对现场温度检测提出了较为苛刻的要求，概括来说，系统功能要求如下：
(1)尽量减少现场接线数量。
(2)具有较高的可靠性、抗干扰性。
(3)能够同时采集并显示多点温度。
(4)具备足够的测量精度和测量范围。
(5)易于安装、使用及维护。
(6)在满足上述条件的基础上尽量减少成本开销。
2 总体设计
2.1 方案设计
系统方案分为供电电源，温度测量，控制器，温度显示和上位机通讯接口五部分。
(1)供电电源：用常用220V交流电经过变压、整流、稳压后得到控制器所需要的5V电源。(2)温度测量：传感器是整个系统中最重要的部分，它的精度灵敏度基本决定了温度检测系统的精度、测量范围等。本次设计选用数字式温度传感器DS18B20。该传感器具有独特的单总线接口，与主机通讯时只需一根信号线，全数字信号输出且无需外部器件，因而十分适用于现代工业现场。(3)控制器：控制器是整个检测系统的核心，与传统的温度计相比，由于电子式温度计具有数字通信接口，并且系统的抗干扰能力、实用性有了较大的提高。处于性价比方面的考虑，本设计选用Atmel公司的8位高性能、低功耗的单片机Atmega32。(4)温度显示：采用8位8段数码管显示每个传感器所采集到的温度，第一位显示正负，第二、三、四位显示整数，剩余显示小数。因数码管控制引脚较多、为易于扩展，加入数码管驱动芯片MAX7219。(5)上位机通讯：上位机通讯部分采用RS232通讯接口实现与上位机的串口通信，方便用户的管理与控制。
2.2 系统框图与工作原理
系统方案如图1所示。多个数字式温度传感器DS18B20多点分布式测量，将采集到的温度数据通过单总线传送给控制器Atmega32，在传输过程中采取CRC校验方式。控制器经过数据处理通过SPI总线传递显示信息，经数码管驱动芯片MAX7219点亮数码管，实时显示温度数值，同时将各个传感器的数据通过串口传送位机。
图1 系统框图
3 硬件设计
温度显示部分采用了SPI总线架构，新扩展的MAX7219只需将CLK，LOAD引脚接到SPI总线上，DIN引脚连接到上一片MAX7219的DOUT引脚。
上位机为通用PC机，串口是RS232电平，而单片机的串口是TTL电平，两者之间必须有一个电平转换电路，为此采用了专用芯片MAX232进行转换，RS232采用三线制连接。
4 软件设计
本次设计采用模块化的程序设计思想，将各个功能模块所调用的函数以库的形式给出，利用C语言完成软件部分的设计开发。软件部分的主要架构如下：
MAIN.C:主函数控制模块，主要负责系统的控制与管理。当系统启动后通过调用DS18B20.H接口函数读取传感器的数量、传感器件类型、传感器内部ROM编码、传感器供电方式与温度数据这些信息，并将其传递给上位机，同时通过调用数码管驱动接口函数点亮数码管。DS18B20.H:DS18B20控制库文件，提供传感器DS18B20控制接口函数。
5 系统仿真
进入Proteus仿真环境完成原理图的绘制后，鼠标右击控制器ATmega32，将程序“烧录”至单片机中。利用Proteus仿真环境中所提供的示波器与串口观测器来进行观测，在电压部分的A、B、C、D处引出四个测量点，通过示波器观察电源电路部分的工作状态。并将串口观测器的RXD端连接单片机的TXD端，TXD端连接单片机的RXD端。左侧的DS18B20方框内数值代表外界温度。仿真时通过调节DS18B20方框内部的数值，观测到右侧数码管显示数值与方框内部数值完全相符，而且串口数据内容也发生改变，系统整体工作正常。
6 结束语
采用单总线技术设计的数字温度计与传统的仪器相比，具有成本低廉、安装维护方便、系统工作稳定、抗干扰能力强等优点。本次设计的温度测量系统的测量温度范围为-55℃～125℃，精度0.0625℃，能够满足日常生产需要。系统软硬件已通过EDA仿真软件Proteus仿真验证，工作稳定可靠。
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本文标题：数字温度计的设计与仿真
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