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基于DS18B20數字溫度傳感器和AT89C2051+CD4069實現溫度顯示電路設計方案

來源： elecfans

2021-11-17

類別：工業控制

拍明

原標題：基于DS18B20和89C2051實現溫度顯示電路設計方案

基于DS18B20、AT89C2051與CD4069的數字溫度顯示電路設計方案

在本設計方案中，我們將深入探討如何構建一個基于DS18B20數字溫度傳感器、AT89C2051單片機和CD4069非門集成電路的數字溫度顯示系統。該系統旨在實現精確的溫度測量和直觀的數字顯示，廣泛適用于各種需要實時溫度監測的場合，如環境監測、智能家居、工業控制等。我們將詳細闡述各個核心元器件的選擇理由、功能特性、在電路中的作用以及具體的電路設計考量，確保系統穩定可靠、性能優越。

一、系統概述與設計目標

本數字溫度顯示系統的核心目標是利用DS18B20傳感器獲取環境溫度數據，通過AT89C2051單片機對數據進行處理，并最終通過數碼管（或其他顯示模塊）直觀地顯示出來。為了優化系統性能，我們引入CD4069作為輔助元器件，以滿足特定的電平轉換或信號驅動需求。整個系統設計將著重于功耗優化、測量精度、顯示穩定性以及成本效益。

核心設計目標包括：

精確的溫度測量： 實現$ pm 0.5^circ C （-10^circ C$ 至 $+85^circ C$范圍內）的測量精度。
實時溫度顯示： 能夠實時更新并顯示當前溫度值。
寬溫度測量范圍： 覆蓋$-55^circ C$ 至 $+125^circ C$的溫度范圍。
低功耗設計： 盡可能降低系統功耗，延長電池供電時的續航時間。
穩定性與可靠性： 確保系統在各種環境下穩定運行，抗干擾能力強。
成本效益： 選用高性價比的元器件，降低整體制造成本。

二、核心元器件選型與分析

2.1 數字溫度傳感器：DS18B20

型號選擇： DS18B20（TO-92封裝或防水封裝）

選擇理由： DS18B20是美國DALLAS半導體公司生產的一款單總線數字溫度傳感器，具有以下顯著優點，使其成為本設計的首選：

單總線接口： 僅需一根信號線即可與單片機通信，大大簡化了硬件連接，節省了單片機的I/O口資源。這對于I/O資源有限的AT89C2051（僅有15個可編程I/O引腳）尤為重要。
寬溫度測量范圍： 能在$-55^circ C$ 至 $+125^circ C$的范圍內進行測量，并且在$-10^circ C$ 至 $+85^circ C$范圍內精度為$ pm 0.5^circ C $。這種寬范圍和高精度滿足了絕大多數應用場景的需求。
數字輸出： 直接輸出數字信號，無需A/D轉換電路，避免了模擬信號傳輸中的噪聲干擾和精度損失，簡化了電路設計。
獨特ID號： 每個DS18B20都有一個全球唯一的64位序列號，允許多個DS18B20傳感器并聯在同一條總線上，實現分布式測溫。雖然本設計初期可能只使用一個，但這一特性為未來的擴展提供了便利。
寄生電源模式： 在某些應用中，DS18B20可以在沒有獨立電源引腳的情況下工作，通過數據線寄生供電，進一步簡化了布線。雖然我們推薦使用外部供電以提高穩定性，但此功能在極端情況下提供了靈活性。
可編程分辨率： 用戶可以根據需求配置9位、10位、11位或12位的溫度轉換分辨率，最高可達$0.0625^circ C$，兼顧了測量速度和精度。

功能： DS18B20內部集成了溫度傳感器、A/D轉換器、存儲器和單總線接口電路。它能夠將感測到的溫度轉換為對應的數字量，并通過單總線協議與主控制器（如AT89C2051）進行通信，發送溫度數據。其內部的ROM存儲器用于存儲唯一的64位序列號，而RAM則用于存儲配置寄存器和溫度寄存器。

在電路中的作用： 作為系統的核心傳感器，負責實時采集環境溫度數據，并將數字化的溫度值傳輸給單片機。它直接決定了系統溫度測量的準確性和范圍。

2.2 微控制器：AT89C2051

型號選擇： AT89C2051

選擇理由： AT89C2051是ATMEL公司生產的一款高性能、低功耗的CMOS 8位微控制器，兼容標準MCS-51指令集，具有以下特點，非常適合作為本溫度顯示系統的核心控制器：

小巧的封裝： 采用20引腳PDIP、SOIC等封裝，體積小巧，便于電路板布線和集成。這對于空間受限的應用非常有利。
低功耗： CMOS工藝保證了較低的功耗，符合我們對低功耗設計的要求，尤其是在電池供電場景下。
內置Flash存儲器： 2KB的Flash程序存儲器足以存儲本溫度顯示系統的固件程序，無需外部EEPROM或Flash，降低了成本和復雜性。
豐富的外設： 盡管引腳較少，但AT89C2051仍提供了兩個16位定時器/計數器、一個全雙工UART串行口（雖然本設計可能不直接使用，但為擴展留有余地）、中斷控制器等，能夠滿足溫度數據采集、處理和顯示所需的功能。
兼容MCS-51指令集： 廣泛的開發工具和豐富的開發資源，易于學習和編程。對于熟悉51系列單片機的工程師來說，可以快速上手。
高性價比： 相對于功能更強大的單片機，AT89C2051價格更低廉，有助于控制整體項目成本。

功能： AT89C2051是整個系統的“大腦”，負責：

DS18B20通信控制： 發送命令給DS18B20，讀取其返回的溫度數據。這涉及到單總線協議的時序控制。
數據處理： 對從DS18B20讀取的原始溫度數據進行解析、轉換（例如，將補碼形式的溫度值轉換為直觀的十進制溫度值），并根據需要進行單位轉換（攝氏度/華氏度）。
顯示控制： 驅動數碼管或其他顯示模塊，將處理后的溫度值以數字形式顯示出來。這通常涉及到數碼管的段碼轉換和位選控制。
系統管理： 處理各種中斷（如定時器中斷用于定時刷新顯示或觸發溫度轉換），協調各個模塊的工作。

在電路中的作用： 作為核心控制器，負責管理和協調整個系統的數據流和功能執行。它從DS18B20獲取數據，處理數據，并將處理結果發送到顯示單元。

2.3 CMOS非門集成電路：CD4069

型號選擇： CD4069UB（或CD4069BC等）

選擇理由： CD4069是一款CMOS六非門集成電路。雖然在許多簡單的DS18B20應用中可能不需要額外的非門芯片，但在某些特定情況下，它能發揮關鍵作用，優化電路性能：

信號反相： 提供6個獨立的非門單元，可以用于信號反相。在某些電平轉換或邏輯控制場景下，可能需要將某個信號進行反相處理以滿足后續器件的輸入要求。
緩沖/驅動能力增強： 盡管其驅動能力有限，但作為CMOS器件，它在一定程度上可以提供信號緩沖，改善信號的波形，或者在驅動能力不足時進行輕微的電流放大。例如，如果單片機某個I/O口直接驅動DS18B20的信號線時，在高頻或長線傳輸下可能出現信號衰減或波形失真，CD4069可以用于整形或增強驅動能力。
電平轉換（特定場景）： 在DS18B20與AT89C2051的電平兼容性不是問題（兩者通常都工作在5V或3.3V）的情況下，CD4069可能不是必需的。但如果系統中有其他模塊需要不同電平的信號，或者需要將DS18B20的單總線信號進行隔離或整形以提高抗干擾能力，CD4069可以提供額外的邏輯層。例如，在多傳感器或復雜總線環境中，可能會用非門構建一些簡單的邏輯門，增強信號的可靠性。
提高抗干擾能力： 通過對信號進行整形或反相，有時可以提高系統對噪聲的抵抗能力。例如，如果單總線信號受到干擾，通過非門整形可以恢復其清晰的方波形狀。

功能： CD4069內部包含六個獨立的CMOS非門電路。每個非門都有一個輸入和一個輸出，輸出狀態始終與輸入狀態相反。其主要功能是進行邏輯反相。

在電路中的作用： 在本設計中，CD4069可能用于以下場景：

DS18B20單總線信號整形： 雖然DS18B20和AT89C2051可以直接通信，但在某些對信號完整性要求較高的場合，或者當數據線較長時，一個非門可以用于對單總線信號進行整形，提高信號質量和抗干擾能力。例如，在單片機與DS18B20之間串聯一個非門，將單片機輸出信號反相后再送入DS18B20，或者對DS18B20回傳信號進行反相整形。
LED數碼管驅動信號的邏輯反相： 如果選擇的是共陰極數碼管，且單片機的輸出是高電平點亮，某些驅動策略下可能需要將單片機的輸出信號反相。
輔助邏輯控制： 在未來系統擴展時，CD4069可以用于構建一些簡單的組合邏輯電路，以滿足特定的控制需求。

2.4 顯示模塊：LED數碼管

型號選擇： 兩位或三位共陰極（或共陽極）LED數碼管（例如，F5621AH/BH或類似的）

選擇理由：

直觀顯示： 數碼管是最常見且直觀的數字顯示方式，尤其適合顯示溫度值。
高亮度： 在各種光照條件下都能清晰顯示。
結構簡單： 易于驅動和控制，成本低廉。
功耗相對可控： 通過動態掃描方式可以有效降低整體功耗。

功能： 由7段（加小數點共8段）LED組成，通過控制不同LED段的點亮或熄滅來顯示0-9的數字。共陰極數碼管的公共端接低電平，通過高電平點亮對應段；共陽極數碼管的公共端接高電平，通過低電平點亮對應段。

在電路中的作用： 將AT89C2051處理后的溫度數值以可視化的形式呈現給用戶。

2.5 其他輔助元器件

電源模塊： 5V穩壓電源，如AMS1117-5.0穩壓芯片配合電解電容和陶瓷電容。提供穩定的工作電壓。
晶振與復位電路： 11.0592MHz晶振和兩個22pF電容用于AT89C2051的時鐘振蕩；RC復位電路（10uF電容和10kΩ電阻）用于單片機上電復位。這些是單片機正常工作的必需品。
上拉電阻： 4.7kΩ ~ 10kΩ上拉電阻用于DS18B20的DQ線，因為DS18B20的DQ線是開漏輸出。這是單總線通信的必要條件。
限流電阻： 數碼管每個LED段的串聯限流電阻（通常為200Ω-1kΩ，具體值根據數碼管亮度需求和電源電壓決定），用于保護LED和控制亮度。
排針/接線端子： 用于外部連接，方便調試和使用。
PCB板： 承載所有元器件，提供電氣連接。

三、電路原理設計

3.1 總體架構

整個數字溫度顯示系統由以下幾個主要模塊組成：

電源模塊： 提供穩定的5V直流電源給單片機和DS18B20。
微控制器模塊： 以AT89C2051為核心，負責數據采集、處理和顯示控制。
溫度傳感器模塊： DS18B20負責溫度測量，并通過單總線與單片機通信。
顯示模塊： 數碼管負責顯示溫度值，由單片機驅動。
輔助邏輯模塊（可選）： CD4069根據需要進行信號整形或邏輯處理。

                        +-----------------+
                        |   Power Supply  |
                        |     (5V DC)     |
                        +--------+--------+
                                 |
                                 | VCC, GND
        +-----------------+------+-----------------+
        |                 |      |                 |
        |   DS18B20       |      |    AT89C2051    |
        | (Temperature    |      | (Microcontroller)|
        |   Sensor)       +-------> DQ (P3.7)     |
        |                 |      |                 |
        +-----------------+      +--------+--------+
                                          |
                                          |
        +-----------------+               | (P1.0-P1.7, P3.0-P3.2)
        |                 |               |
        |    CD4069       |               |
        |  (Optional      |               |
        |   Logic Gate)   +<-- (Optional) --+
        |                 |               |
        +-----------------+               |
                                          |
                                          |
        +-----------------+               |
        |                 |<--------------+
        |    LED Digital  |
        |    Display      |
        | (e.g., 2-digit) |
        +-----------------+

3.2 DS18B20與AT89C2051的連接

DS18B20采用單總線通信協議，其DQ引腳需要連接到AT89C2051的一個通用I/O口（例如P3.7），并外接一個4.7kΩ的上拉電阻到VCC。這是由于DS18B20的DQ引腳是開漏輸出，需要外部上拉電阻才能將線纜拉高。

DS18B20 VCC： 連接到5V電源。
DS18B20 GND： 連接到地。
DS18B20 DQ： 連接到AT89C2051的P3.7（或其他可用I/O口），并串聯一個4.7kΩ上拉電阻到VCC。

為什么選擇P3.7？ AT89C2051的P3口引腳具有第二功能，P3.7通常是/RD（外部數據存儲器讀選通），但作為普通I/O口使用時完全沒有問題。選擇它僅是一個示例，任何可用的通用I/O口均可。

3.3 AT89C2051的最小系統

AT89C2051要正常工作，需要搭建一個最小系統，包括：

電源： VCC接5V，GND接地。
晶振電路： XTAL1和XTAL2引腳外接一個11.0592MHz的石英晶體振蕩器，兩端各并聯一個22pF的瓷片電容到地。選擇11.0592MHz是為了方便進行串口通信（如果需要），因為這個頻率可以精確地產生標準的波特率。
復位電路： RST引腳通過一個10uF的電解電容和10kΩ的電阻連接到VCC和GND。當電源上電時，電容充電過程會使RST引腳保持高電平一段時間，從而完成復位操作。

3.4 數碼管顯示電路

數碼管的驅動通常采用動態掃描方式，以節省單片機的I/O口資源并降低功耗。假設我們使用兩位或三位共陰極數碼管：

段碼線： 數碼管的a, b, c, d, e, f, g, dp段碼引腳通過限流電阻（約330Ω）連接到AT89C2051的P1口（例如P1.0-P1.7，共8位）。這些引腳用于控制數碼管的顯示內容。
位選線： 數碼管的公共端（COM1, COM2, COM3）連接到NPN三極管的基極（通過一個限流電阻），三極管的集電極連接到數碼管的公共端，發射極接地。AT89C2051的P3口（例如P3.0, P3.1, P3.2）通過低電平信號控制三極管的導通，從而選擇點亮哪個數碼管。

為何使用三極管驅動？ 單片機I/O口的驅動能力有限，無法直接驅動數碼管的所有LED段，尤其是動態掃描時，瞬時電流可能較大。三極管作為開關，可以提供更大的電流驅動能力，確保數碼管段碼的亮度一致性和穩定性。

3.5 CD4069在電路中的應用（可選但推薦）

如果需要對DS18B20的單總線信號進行整形，或者在某些特殊邏輯控制場景下：

單總線信號整形： 將DS18B20的DQ線首先通過CD4069的一個非門輸入，非門的輸出再連接到AT89C2051的P3.7。這樣可以確保進入單片機的信號波形更標準。注意，由于單總線是雙向的，這種接法需要謹慎，更常見的是在某些單向的邏輯控制上使用。對于DS18B20的單總線，通常直接連接單片機并加上拉電阻即可滿足要求。CD4069更多是在需要邏輯反轉或者對信號進行一定程度的隔離時考慮。
信號電平轉換（如果DS18B20或AT89C2051的工作電壓不同）： 如果AT89C2051工作在3.3V，而DS18B20工作在5V，或者反之，CD4069可以用于簡單的電平轉換。但通常DS18B20和51系列單片機都是5V兼容的。
數碼管位選反相： 如果選擇的是共陽極數碼管，且單片機需要高電平來關閉（即低電平有效）位選，而你希望用高電平信號來選擇數碼管，那么可以通過CD4069將單片機的位選信號反相。

注意： 對于DS18B20和AT89C2051的標準連接，CD4069并非必需。但在追求更高穩定性和抗干擾能力的工業應用中，或者當系統中存在復雜信號鏈時，考慮使用CD4069進行信號整形或邏輯處理是明智之舉。

四、軟件設計

軟件是整個系統的靈魂，負責實現數據的采集、處理和顯示邏輯。基于AT89C2051的C語言編程是主流。

4.1 主程序流程

系統初始化：

配置單片機I/O口方向。
初始化定時器（用于延時或定時刷新）。
初始化DS18B20（復位、跳過ROM、配置分辨率等）。

循環主程序：

發送溫度轉換命令給DS18B20。
等待溫度轉換完成（通過查詢或延時）。
從DS18B20讀取溫度數據。
對讀取的原始數據進行處理（解析補碼、轉換單位等）。
將處理后的溫度值轉換為數碼管顯示所需的段碼和位碼。
通過動態掃描方式刷新數碼管顯示。
延時一段時間，然后重復上述過程。

4.2 DS18B20通信協議實現

DS18B20的單總線通信包括：

初始化： 主機發送復位脈沖，DS18B20響應存在脈沖。
ROM操作命令： 跳過ROM（0xCC）、讀取ROM（0x33）、匹配ROM（0x55）等。通常使用跳過ROM來簡化單個傳感器的操作。
功能命令： 溫度轉換命令（0x44）、讀取暫存器（0xBE）、寫入暫存器（0x4E）等。

關鍵函數：

Ds18b20_Init(): DS18B20初始化函數，發送復位脈沖并檢測存在脈沖。
Ds18b20_WriteByte(unsigned char dat): 向DS18B20寫入一個字節。
Ds18b20_ReadByte(): 從DS18B20讀取一個字節。
Ds18b20_StartConvert(): 發送溫度轉換命令。
Ds18b20_ReadTemp(): 讀取溫度寄存器并返回溫度值。

4.3 溫度數據處理

DS18B20返回的溫度數據是16位的補碼形式。需要將其轉換為有符號的十進制溫度值。例如，如果分辨率設置為12位，則每位代表$0.0625^circ C$。

正溫度： 直接將16位數據乘以$0.0625^circ C$。
負溫度： 先取反加1（即求補碼），然后轉換為正數再乘以$0.0625^circ C$，最后加上負號。

示例代碼片段（C語言）：

#include <reg2051.h> // 根據實際單片機型號調整頭文件
#include <intrins.h> // 用于_nop_()函數

// DS18B20引腳定義
sbit DQ = P3^7; // DQ連接到P3.7

// 全局變量
int temperature_value; // 存儲溫度整數部分
unsigned char decimal_part; // 存儲溫度小數部分（例如，取一位或兩位小數）

// --- DS18B20驅動函數（部分示例，需完善） ---
void DelayUs(unsigned int us) // 微秒級延時
{
    while(us--);
}

void Ds18b20_Rst() // 復位DS18B20
{
    DQ = 0; DelayUs(600); // 拉低480us以上
    DQ = 1; DelayUs(90);  // 拉高等待響應90us
    // 檢測DS18B20的響應脈沖（通常為低電平60-240us）
    while(DQ); // 等待DQ變為低電平
    while(!DQ); // 等待DQ變為高電平
}

void Ds18b20_WriteBit(unsigned char bit_val) // 寫一位數據
{
    if(bit_val)
    {
        DQ = 0; DelayUs(5); // 拉低1-15us
        DQ = 1; DelayUs(60); // 拉高60us以上
    }
    else
    {
        DQ = 0; DelayUs(60); // 拉低60us以上
        DQ = 1; DelayUs(5); // 拉高1-15us
    }
}

unsigned char Ds18b20_ReadBit() // 讀一位數據
{
    unsigned char bit_val;
    DQ = 0; DelayUs(5); // 拉低1-15us
    DQ = 1; DelayUs(10); // 拉高等待數據
    bit_val = DQ;
    DelayUs(50); // 恢復時間
    return bit_val;
}

void Ds18b20_WriteByte(unsigned char dat) // 寫一個字節
{
    unsigned char i;
    for(i=0; i<8; i++)
    {
        Ds18b20_WriteBit(dat & 0x01);
        dat >>= 1;
    }
}

unsigned char Ds18b20_ReadByte() // 讀一個字節
{
    unsigned char i;
    unsigned char dat = 0;
    for(i=0; i<8; i++)
    {
        dat >>= 1;
        if(Ds18b20_ReadBit())
        {
            dat |= 0x80;
        }
    }
    return dat;
}

int GetTemperature() // 獲取溫度值
{
    unsigned char TL, TH;
    int temp;

    Ds18b20_Rst();
    Ds18b20_WriteByte(0xCC); // Skip ROM
    Ds18b20_WriteByte(0x44); // Convert T

    Ds18b20_Rst();
    Ds18b20_WriteByte(0xCC); // Skip ROM
    Ds18b20_WriteByte(0xBE); // Read Scratchpad

    TL = Ds18b20_ReadByte(); // 讀取溫度低字節
    TH = Ds18b20_ReadByte(); // 讀取溫度高字節

    temp = (TH << 8) | TL; // 合并為16位數據

    // 假設12位分辨率，需要將temp乘以0.0625
    // 為了避免浮點運算，可以先乘以1000或100，再進行整數運算
    // 例如，將溫度值放大10倍，顯示一位小數
    if (temp & 0xF800) // 負溫度判斷，最高5位為1表示負數
    {
        temp = ~temp + 1; // 取補碼
        temperature_value = - (temp * 625 / 10000); // 假設乘以10000再除以10000，取整數部分
        decimal_part = (temp * 625 / 1000) % 10; // 取小數第一位
    }
    else // 正溫度
    {
        temperature_value = temp * 625 / 10000;
        decimal_part = (temp * 625 / 1000) % 10;
    }
    return temperature_value; // 返回整數部分溫度，小數部分在decimal_part中
}

// --- 數碼管顯示函數（部分示例，需完善） ---
unsigned char code SegmentCode[] = { // 共陰極數碼管0-9和負號的段碼
    0x3F, // 0
    0x06, // 1
    0x5B, // 2
    0x4F, // 3
    0x66, // 4
    0x6D, // 5
    0x7D, // 6
    0x07, // 7
    0x7F, // 8
    0x6F, // 9
    0x40  // -
};

sbit SEG_A = P1^0; // 對應a段
// ...其他段碼線連接P1口

sbit COM1 = P3^0; // 位選1
sbit COM2 = P3^1; // 位選2
// ...其他位選線連接P3口

void Display(int temp_int, unsigned char temp_dec)
{
    // 例如顯示XX.Y
    unsigned char hundreds, tens, units;
    unsigned char sign_display = 0; // 0 for positive, 1 for negative

    if (temp_int < 0) {
        sign_display = 1;
        temp_int = -temp_int; // 取絕對值
    }

    hundreds = temp_int / 100;
    tens = (temp_int / 10) % 10;
    units = temp_int % 10;

    // 動態掃描顯示
    // 顯示十位（或負號）
    COM1 = 1; COM2 = 0; // 選中十位
    if (sign_display) {
        P1 = SegmentCode[10]; // 顯示負號
    } else {
        P1 = SegmentCode[tens];
    }
    DelayUs(5000); // 延時一小段時間，保持顯示
    COM1 = 0; // 關閉十位

    // 顯示個位
    COM1 = 0; COM2 = 1; // 選中個位
    P1 = SegmentCode[units] | 0x80; // 顯示個位并點亮小數點
    DelayUs(5000);
    COM2 = 0; // 關閉個位

    // 如果是三位顯示，需要再增加一位顯示小數
    // Display decimal part if needed
    // ...
}

void main()
{
    // 初始化
    // ...
    // Timer0 init for refresh or other tasks
    // ...

    while(1)
    {
        GetTemperature(); // 獲取溫度值
        Display(temperature_value, decimal_part); // 顯示溫度值
        // 可以加入適當的延時來控制刷新頻率
        // _nop_(); // 或者使用定時器中斷來觸發顯示刷新和溫度采集
    }
}

4.4 顯示驅動邏輯

使用動態掃描方式驅動數碼管。通過定時器中斷或主循環延時，快速輪流點亮各個數碼管的位選，并同步送出對應的段碼。由于人眼的視覺暫留效應，會感覺所有數碼管都在同時亮著。

段碼生成： 將0-9以及負號的段碼預存在數組中，根據溫度值直接查表獲取。
位選控制： 通過AT89C2051的I/O口控制三極管的通斷，從而選擇點亮哪個數碼管。

五、 PCB布局與布線建議

良好的PCB布局和布線對于系統穩定性和抗干擾能力至關重要。

電源去耦： 在AT89C2051的VCC和GND引腳附近放置一個104（0.1uF）的陶瓷電容，以及一個10uF的電解電容，用于濾除高頻噪聲，提供穩定的電源。DS18B20的電源引腳附近也應放置小容量陶瓷電容。
晶振布局： 晶振和兩個22pF電容應盡量靠近AT89C2051的XTAL1和XTAL2引腳，且布線盡量短而直，避免交叉走線，防止干擾。
單總線布線： DS18B20的DQ線應盡量短且遠離干擾源。如果線長，可以考慮屏蔽線。4.7kΩ上拉電阻應靠近DQ線。
數碼管驅動： 數碼管的段碼線和位選線應避免過長，并且盡可能等長，減少信號傳輸差異。限流電阻應靠近數碼管。
地線設計： 采用星形接地或大面積鋪地，確保地線阻抗最小，減少地線噪聲。數字地和模擬地（如果存在）應區分，并通過單點連接。
布局： 將功能相關的元器件放置在一起，例如電源模塊、單片機模塊、傳感器模塊和顯示模塊。遵循“由小到大、由近及遠”的原則。
焊接： 確保焊接牢固，無虛焊、短路。

六、調試與測試

6.1 硬件調試

電源測試： 檢查各芯片的供電電壓是否正常。
晶振測試： 檢查AT89C2051的XTAL1和XTAL2引腳是否有正常的時鐘波形。
復位測試： 檢查單片機上電時是否有復位脈沖。
DS18B20通信測試： 使用示波器或邏輯分析儀監測DS18B20的DQ線波形，確保單片機能夠正確地發送和接收數據。
數碼管驅動測試： 編寫簡單的程序，輪流點亮數碼管的各個段和位，檢查顯示是否正常。

6.2 軟件調試

分模塊調試： 先單獨調試DS18B20的通信程序，確保能正確讀取溫度值。
數據處理調試： 將讀取到的原始溫度值通過串口發送到PC端，進行驗證，確保數據轉換正確。
顯示調試： 逐步調試數碼管的段碼和位選控制，確保溫度值能正確顯示。
系統集成調試： 將所有模塊的軟件集成，進行整體測試。
溫度校準： 將系統置于已知溫度環境中（如冰水混合物$0^circ C$、沸水$100^circ C$），校準測量誤差。DS18B20本身精度較高，但系統誤差可能來自電源波動、布線干擾等。

七、功耗分析與優化

DS18B20： 正常工作電流在1mA左右，休眠模式下僅幾十微安。可以通過編程使其在兩次測量之間進入休眠狀態。
AT89C2051： 正常工作電流在幾毫安到十幾毫安。可以通過降低晶振頻率、使用空閑模式（Idle Mode）或掉電模式（Power-Down Mode）來降低功耗。在溫度刷新間隔較長時，讓單片機進入低功耗模式，并通過定時器中斷喚醒進行測量和顯示。
LED數碼管： 是主要的耗電部分。采用動態掃描可以大大降低平均電流，但仍需合理選擇限流電阻，避免過亮導致不必要的功耗。在環境光線較暗時，可以適當降低亮度。

八、總結與展望

本設計方案詳細闡述了基于DS18B20、AT89C2051和CD4069的數字溫度顯示系統的設計與實現。通過對各個元器件的精選和詳盡分析，結合周密的硬件電路設計和軟件編程策略，可以構建一個性能穩定、顯示直觀、功耗可控的溫度測量顯示系統。

未來可擴展性：

無線傳輸： 可以加入ESP8266或NRF24L01等無線模塊，實現溫度數據的遠程監控。
數據記錄： 增加EEPROM或SD卡模塊，實現溫度數據的存儲和歷史查詢。
報警功能： 設定溫度閾值，當溫度超出范圍時觸發蜂鳴器或LED報警。
用戶界面： 增加按鍵，允許用戶切換顯示模式（如攝氏度/華氏度）、設置報警閾值等。
多傳感器網絡： 利用DS18B20的唯一ID特性，擴展為多點溫度測量系統。

本方案為讀者提供了從理論到實踐的詳細指導，旨在幫助工程師和愛好者快速掌握數字溫度顯示系統的設計要點。通過理解各元器件的特性及其在系統中的作用，將能夠靈活應對各種設計挑戰，并在此基礎上進行創新和功能擴展。

責任編輯：David

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產品分類

基于DS18B20數字溫度傳感器和AT89C2051+CD4069實現溫度顯示電路設計方案