原標(biāo)題：基于DS18B20和89C2051實現(xiàn)溫度顯示電路設(shè)計方案

基于DS18B20、AT89C2051與CD4069的數(shù)字溫度顯示電路設(shè)計方案

在本設(shè)計方案中，我們將深入探討如何構(gòu)建一個基于DS18B20數(shù)字溫度傳感器、AT89C2051單片機(jī)和CD4069非門集成電路的數(shù)字溫度顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在實現(xiàn)精確的溫度測量和直觀的數(shù)字顯示，廣泛適用于各種需要實時溫度監(jiān)測的場合，如環(huán)境監(jiān)測、智能家居、工業(yè)控制等。我們將詳細(xì)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(shè)計考量，確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、性能優(yōu)越。

一、 系統(tǒng)概述與設(shè)計目標(biāo)

本數(shù)字溫度顯示系統(tǒng)的核心目標(biāo)是利用DS18B20傳感器獲取環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，通過AT89C2051單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并最終通過數(shù)碼管（或其他顯示模塊）直觀地顯示出來。為了優(yōu)化系統(tǒng)性能，我們引入CD4069作為輔助元器件，以滿足特定的電平轉(zhuǎn)換或信號驅(qū)動需求。整個系統(tǒng)設(shè)計將著重于功耗優(yōu)化、測量精度、顯示穩(wěn)定性以及成本效益。

核心設(shè)計目標(biāo)包括：

1. 精確的溫度測量： 實現(xiàn)$ pm 0.5^circ C （-10^circ C$ 至 $+85^circ C$范圍內(nèi)）的測量精度。

2. 實時溫度顯示： 能夠?qū)崟r更新并顯示當(dāng)前溫度值。

3. 寬溫度測量范圍： 覆蓋$-55^circ C$ 至 $+125^circ C$的溫度范圍。

4. 低功耗設(shè)計： 盡可能降低系統(tǒng)功耗，延長電池供電時的續(xù)航時間。

5. 穩(wěn)定性與可靠性： 確保系統(tǒng)在各種環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，抗干擾能力強(qiáng)。

6. 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(shù)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(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款單總線數(shù)字溫度傳感器，具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)，使其成為本設(shè)計的首選：

• 單總線接口： 僅需一根信號線即可與單片機(jī)通信，大大簡化了硬件連接，節(jié)省了單片機(jī)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(nèi)進(jìn)行測量，并且在$-10^circ C$ 至 $+85^circ C$范圍內(nèi)精度為$ pm 0.5^circ C $。這種寬范圍和高精度滿足了絕大多數(shù)應(yīng)用場景的需求。

• 數(shù)字輸出： 直接輸出數(shù)字信號，無需A/D轉(zhuǎn)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(shè)計。

• 獨(dú)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(lián)在同一條總線上，實現(xiàn)分布式測溫。雖然本設(shè)計初期可能只使用一個，但這一特性為未來的擴(kuò)展提供了便利。

• 寄生電源模式： 在某些應(yīng)用中，DS18B20可以在沒有獨(dú)立電源引腳的情況下工作，通過數(shù)據(jù)線寄生供電，進(jìn)一步簡化了布線。雖然我們推薦使用外部供電以提高穩(wěn)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(jù)需求配置9位、10位、11位或12位的溫度轉(zhuǎn)換分辨率，最高可達(dá)$0.0625^circ C$，兼顧了測量速度和精度。

功能： DS18B20內(nèi)部集成了溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器和單總線接口電路。它能夠?qū)⒏袦y到的溫度轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字量，并通過單總線協(xié)議與主控制器（如AT89C2051）進(jìn)行通信，發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。其內(nèi)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(tǒng)的核心傳感器，負(fù)責(zé)實時采集環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)字化的溫度值傳輸給單片機(jī)。它直接決定了系統(tǒng)溫度測量的準(zhǔn)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(chǎn)的一款高性能、低功耗的CMOS 8位微控制器，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令集，具有以下特點(diǎn)，非常適合作為本溫度顯示系統(tǒng)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(yīng)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(shè)計的要求，尤其是在電池供電場景下。

• 內(nèi)置Flash存儲器： 2KB的Flash程序存儲器足以存儲本溫度顯示系統(tǒng)的固件程序，無需外部EEPROM或Flash，降低了成本和復(fù)雜性。

• 豐富的外設(shè)： 盡管引腳較少，但AT89C2051仍提供了兩個16位定時器/計數(shù)器、一個全雙工UART串行口（雖然本設(shè)計可能不直接使用，但為擴(kuò)展留有余地）、中斷控制器等，能夠滿足溫度數(shù)據(jù)采集、處理和顯示所需的功能。

• 兼容MCS-51指令集： 廣泛的開發(fā)工具和豐富的開發(fā)資源，易于學(xué)習(xí)和編程。對于熟悉51系列單片機(jī)的工程師來說，可以快速上手。

• 高性價比： 相對于功能更強(qiáng)大的單片機(jī)，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(tǒng)的“大腦”，負(fù)責(zé)：

• DS18B20通信控制： 發(fā)送命令給DS18B20，讀取其返回的溫度數(shù)據(jù)。這涉及到單總線協(xié)議的時序控制。

• 數(shù)據(jù)處理： 對從DS18B20讀取的原始溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、轉(zhuǎn)換（例如，將補(bǔ)碼形式的溫度值轉(zhuǎn)換為直觀的十進(jìn)制溫度值），并根據(jù)需要進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換（攝氏度/華氏度）。

• 顯示控制： 驅(qū)動數(shù)碼管或其他顯示模塊，將處理后的溫度值以數(shù)字形式顯示出來。這通常涉及到數(shù)碼管的段碼轉(zhuǎn)換和位選控制。

• 系統(tǒng)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(fā)溫度轉(zhuǎn)換），協(xié)調(diào)各個模塊的工作。

在電路中的作用： 作為核心控制器，負(fù)責(zé)管理和協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流和功能執(zhí)行。它從DS18B20獲取數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)，并將處理結(jié)果發(fā)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(yīng)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(fā)揮關(guān)鍵作用，優(yōu)化電路性能：

• 信號反相： 提供6個獨(dú)立的非門單元，可以用于信號反相。在某些電平轉(zhuǎn)換或邏輯控制場景下，可能需要將某個信號進(jìn)行反相處理以滿足后續(xù)器件的輸入要求。

• 緩沖/驅(qū)動能力增強(qiáng)： 盡管其驅(qū)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(qū)動能力不足時進(jìn)行輕微的電流放大。例如，如果單片機(jī)某個I/O口直接驅(qū)動DS18B20的信號線時，在高頻或長線傳輸下可能出現(xiàn)信號衰減或波形失真，CD4069可以用于整形或增強(qiáng)驅(qū)動能力。

• 電平轉(zhuǎn)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(tǒng)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(jìn)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(fù)雜總線環(huán)境中，可能會用非門構(gòu)建一些簡單的邏輯門，增強(qiáng)信號的可靠性。

• 提高抗干擾能力： 通過對信號進(jìn)行整形或反相，有時可以提高系統(tǒng)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(fù)其清晰的方波形狀。

功能： CD4069內(nèi)部包含六個獨(dú)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(tài)始終與輸入狀態(tài)相反。其主要功能是進(jìn)行邏輯反相。

在電路中的作用： 在本設(shè)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(dāng)數(shù)據(jù)線較長時，一個非門可以用于對單總線信號進(jìn)行整形，提高信號質(zhì)量和抗干擾能力。例如，在單片機(jī)與DS18B20之間串聯(lián)一個非門，將單片機(jī)輸出信號反相后再送入DS18B20，或者對DS18B20回傳信號進(jìn)行反相整形。

• LED數(shù)碼管驅(qū)動信號的邏輯反相： 如果選擇的是共陰極數(shù)碼管，且單片機(jī)的輸出是高電平點(diǎn)亮，某些驅(qū)動策略下可能需要將單片機(jī)的輸出信號反相。

• 輔助邏輯控制： 在未來系統(tǒng)擴(kuò)展時，CD4069可以用于構(gòu)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(shù)碼管

型號選擇： 兩位或三位共陰極（或共陽極）LED數(shù)碼管（例如，F(xiàn)5621AH/BH或類似的）

選擇理由：

• 直觀顯示： 數(shù)碼管是最常見且直觀的數(shù)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(jié)構(gòu)簡單： 易于驅(qū)動和控制，成本低廉。

• 功耗相對可控： 通過動態(tài)掃描方式可以有效降低整體功耗。

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

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

2.5 其他輔助元器件

• 電源模塊： 5V穩(wěn)壓電源，如AMS1117-5.0穩(wěn)壓芯片配合電解電容和陶瓷電容。提供穩(wěn)定的工作電壓。

• 晶振與復(fù)位電路： 11.0592MHz晶振和兩個22pF電容用于AT89C2051的時鐘振蕩；RC復(fù)位電路（10uF電容和10kΩ電阻）用于單片機(jī)上電復(fù)位。這些是單片機(jī)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(shù)碼管每個LED段的串聯(lián)限流電阻（通常為200Ω-1kΩ，具體值根據(jù)數(shù)碼管亮度需求和電源電壓決定），用于保護(hù)LED和控制亮度。

• 排針/接線端子： 用于外部連接，方便調(diào)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(shè)計

3.1 總體架構(gòu)

整個數(shù)字溫度顯示系統(tǒng)由以下幾個主要模塊組成：

1. 電源模塊： 提供穩(wěn)定的5V直流電源給單片機(jī)和DS18B20。

2. 微控制器模塊： 以AT89C2051為核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理和顯示控制。

3. 溫度傳感器模塊： DS18B20負(fù)責(zé)溫度測量，并通過單總線與單片機(jī)通信。

4. 顯示模塊： 數(shù)碼管負(fù)責(zé)顯示溫度值，由單片機(jī)驅(qū)動。

5. 輔助邏輯模塊（可選）： CD4069根據(jù)需要進(jìn)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(xié)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(lián)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(shù)據(jù)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(tǒng)

AT89C2051要正常工作，需要搭建一個最小系統(tǒng)，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(lián)一個22pF的瓷片電容到地。選擇11.0592MHz是為了方便進(jìn)行串口通信（如果需要），因為這個頻率可以精確地產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的波特率。

• 復(fù)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(dāng)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(fù)位操作。

3.4 數(shù)碼管顯示電路

數(shù)碼管的驅(qū)動通常采用動態(tài)掃描方式，以節(jié)省單片機(jī)的I/O口資源并降低功耗。假設(shè)我們使用兩位或三位共陰極數(shù)碼管：

• 段碼線： 數(shù)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(shù)碼管的顯示內(nèi)容。

• 位選線： 數(shù)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(shù)碼管的公共端，發(fā)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(dǎo)通，從而選擇點(diǎn)亮哪個數(shù)碼管。

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

3.5 CD4069在電路中的應(yīng)用（可選但推薦）

如果需要對DS18B20的單總線信號進(jìn)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(jìn)入單片機(jī)的信號波形更標(biāo)準(zhǔn)。注意，由于單總線是雙向的，這種接法需要謹(jǐn)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(jī)并加上拉電阻即可滿足要求。CD4069更多是在需要邏輯反轉(zhuǎn)或者對信號進(jìn)行一定程度的隔離時考慮。

• 信號電平轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換。但通常DS18B20和51系列單片機(jī)都是5V兼容的。

• 數(shù)碼管位選反相： 如果選擇的是共陽極數(shù)碼管，且單片機(jī)需要高電平來關(guān)閉（即低電平有效）位選，而你希望用高電平信號來選擇數(shù)碼管，那么可以通過CD4069將單片機(jī)的位選信號反相。

注意： 對于DS18B20和AT89C2051的標(biāo)準(zhǔn)連接，CD4069并非必需。但在追求更高穩(wěn)定性和抗干擾能力的工業(yè)應(yīng)用中，或者當(dāng)系統(tǒng)中存在復(fù)雜信號鏈時，考慮使用CD4069進(jìn)行信號整形或邏輯處理是明智之舉。

四、 軟件設(shè)計

軟件是整個系統(tǒng)的靈魂，負(fù)責(zé)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示邏輯?；贏T89C2051的C語言編程是主流。

4.1 主程序流程

1. 系統(tǒng)初始化：

• 配置單片機(jī)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(fù)位、跳過ROM、配置分辨率等）。

2. 循環(huán)主程序：

• 發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令給DS18B20。

• 等待溫度轉(zhuǎn)換完成（通過查詢或延時）。

• 從DS18B20讀取溫度數(shù)據(jù)。

• 對讀取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（解析補(bǔ)碼、轉(zhuǎn)換單位等）。

• 將處理后的溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管顯示所需的段碼和位碼。

• 通過動態(tài)掃描方式刷新數(shù)碼管顯示。

• 延時一段時間，然后重復(fù)上述過程。

4.2 DS18B20通信協(xié)議實現(xiàn)

DS18B20的單總線通信包括：

1. 初始化： 主機(jī)發(fā)送復(fù)位脈沖，DS18B20響應(yīng)存在脈沖。

2. 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。

3. 功能命令： 溫度轉(zhuǎn)換命令（0x44）、讀取暫存器（0xBE）、寫入暫存器（0x4E）等。

關(guān)鍵函數(shù)：

• Ds18b20_Init(): DS18B20初始化函數(shù)，發(fā)送復(fù)位脈沖并檢測存在脈沖。

• Ds18b20_WriteByte(unsigned char dat): 向DS18B20寫入一個字節(jié)。

• Ds18b20_ReadByte(): 從DS18B20讀取一個字節(jié)。

• Ds18b20_StartConvert(): 發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令。

• Ds18b20_ReadTemp(): 讀取溫度寄存器并返回溫度值。

4.3 溫度數(shù)據(jù)處理

DS18B20返回的溫度數(shù)據(jù)是16位的補(bǔ)碼形式。需要將其轉(zhuǎn)換為有符號的十進(jìn)制溫度值。例如，如果分辨率設(shè)置為12位，則每位代表$0.0625^circ C$。

• 正溫度： 直接將16位數(shù)據(jù)乘以$0.0625^circ C$。

• 負(fù)溫度： 先取反加1（即求補(bǔ)碼），然后轉(zhuǎn)換為正數(shù)再乘以$0.0625^circ C$，最后加上負(fù)號。

示例代碼片段（C語言）：

#include <reg2051.h> // 根據(jù)實際單片機(jī)型號調(diào)整頭文件
#include <intrins.h> // 用于_nop_()函數(shù)

// 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(shù)部分
unsigned char decimal_part; // 存儲溫度小數(shù)部分（例如，取一位或兩位小數(shù)）

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

void Ds18b20_Rst() // 復(fù)位DS18B20
{
    DQ = 0; DelayUs(600); // 拉低480us以上
    DQ = 1; DelayUs(90);  // 拉高等待響應(yīng)90us
    // 檢測DS18B20的響應(yīng)脈沖（通常為低電平60-240us）
    while(DQ); // 等待DQ變?yōu)榈碗娖?br/>    while(!DQ); // 等待DQ變?yōu)楦唠娖?br/>}

void Ds18b20_WriteBit(unsigned char bit_val) // 寫一位數(shù)據(jù)
{
    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(shù)據(jù)
{
    unsigned char bit_val;
    DQ = 0; DelayUs(5); // 拉低1-15us
    DQ = 1; DelayUs(10); // 拉高等待數(shù)據(jù)
    bit_val = DQ;
    DelayUs(50); // 恢復(fù)時間
    return bit_val;
}

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

unsigned char Ds18b20_ReadByte() // 讀一個字節(jié)
{
    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(jié)
    TH = Ds18b20_ReadByte(); // 讀取溫度高字節(jié)

    temp = (TH << 8) | TL; // 合并為16位數(shù)據(jù)

    // 假設(shè)12位分辨率，需要將temp乘以0.0625
    // 為了避免浮點(diǎn)運(yùn)算，可以先乘以1000或100，再進(jìn)行整數(shù)運(yùn)算
    // 例如，將溫度值放大10倍，顯示一位小數(shù)
    if (temp & 0xF800) // 負(fù)溫度判斷，最高5位為1表示負(fù)數(shù)
    {
        temp = ~temp + 1; // 取補(bǔ)碼
        temperature_value = - (temp * 625 / 10000); // 假設(shè)乘以10000再除以10000，取整數(shù)部分
        decimal_part = (temp * 625 / 1000) % 10; // 取小數(shù)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(shù)部分溫度，小數(shù)部分在decimal_part中
}

// --- 數(shù)碼管顯示函數(shù)（部分示例，需完善） ---
unsigned char code SegmentCode[] = { // 共陰極數(shù)碼管0-9和負(fù)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(yīng)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(tài)掃描顯示
    // 顯示十位（或負(fù)號）
    COM1 = 1; COM2 = 0; // 選中十位
    if (sign_display) {
        P1 = SegmentCode[10]; // 顯示負(fù)號
    } else {
        P1 = SegmentCode[tens];
    }
    DelayUs(5000); // 延時一小段時間，保持顯示
    COM1 = 0; // 關(guān)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(diǎn)亮小數(shù)點(diǎn)
    DelayUs(5000);
    COM2 = 0; // 關(guān)閉個位

    // 如果是三位顯示，需要再增加一位顯示小數(shù)
    // 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(dāng)?shù)难訒r來控制刷新頻率
        // _nop_(); // 或者使用定時器中斷來觸發(fā)顯示刷新和溫度采集
    }
}

4.4 顯示驅(qū)動邏輯

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

• 段碼生成： 將0-9以及負(fù)號的段碼預(yù)存在數(shù)組中，根據(jù)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(diǎn)亮哪個數(shù)碼管。

五、 PCB布局與布線建議

良好的PCB布局和布線對于系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力至關(guān)重要。

1. 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(wěn)定的電源。DS18B20的電源引腳附近也應(yīng)放置小容量陶瓷電容。

2. 晶振布局： 晶振和兩個22pF電容應(yīng)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。

3. 單總線布線： DS18B20的DQ線應(yīng)盡量短且遠(yuǎn)離干擾源。如果線長，可以考慮屏蔽線。4.7kΩ上拉電阻應(yīng)靠近DQ線。

4. 數(shù)碼管驅(qū)動： 數(shù)碼管的段碼線和位選線應(yīng)避免過長，并且盡可能等長，減少信號傳輸差異。限流電阻應(yīng)靠近數(shù)碼管。

5. 地線設(shè)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(shù)字地和模擬地（如果存在）應(yīng)區(qū)分，并通過單點(diǎn)連接。

6. 布局： 將功能相關(guān)的元器件放置在一起，例如電源模塊、單片機(jī)模塊、傳感器模塊和顯示模塊。遵循“由小到大、由近及遠(yuǎn)”的原則。

7. 焊接： 確保焊接牢固，無虛焊、短路。

六、 調(diào)試與測試

6.1 硬件調(diào)試

1. 電源測試： 檢查各芯片的供電電壓是否正常。

2. 晶振測試： 檢查AT89C2051的XTAL1和XTAL2引腳是否有正常的時鐘波形。

3. 復(fù)位測試： 檢查單片機(jī)上電時是否有復(fù)位脈沖。

4. DS18B20通信測試： 使用示波器或邏輯分析儀監(jiān)測DS18B20的DQ線波形，確保單片機(jī)能夠正確地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

5. 數(shù)碼管驅(qū)動測試： 編寫簡單的程序，輪流點(diǎn)亮數(shù)碼管的各個段和位，檢查顯示是否正常。

6.2 軟件調(diào)試

1. 分模塊調(diào)試： 先單獨(dú)調(diào)試DS18B20的通信程序，確保能正確讀取溫度值。

2. 數(shù)據(jù)處理調(diào)試： 將讀取到的原始溫度值通過串口發(fā)送到PC端，進(jìn)行驗證，確保數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換正確。

3. 顯示調(diào)試： 逐步調(diào)試數(shù)碼管的段碼和位選控制，確保溫度值能正確顯示。

4. 系統(tǒng)集成調(diào)試： 將所有模塊的軟件集成，進(jìn)行整體測試。

5. 溫度校準(zhǔn)： 將系統(tǒng)置于已知溫度環(huán)境中（如冰水混合物$0^circ C$、沸水$100^circ C$），校準(zhǔn)測量誤差。DS18B20本身精度較高，但系統(tǒng)誤差可能來自電源波動、布線干擾等。

七、 功耗分析與優(yōu)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(jìn)入休眠狀態(tài)。

• AT89C2051： 正常工作電流在幾毫安到十幾毫安?？梢酝ㄟ^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(jī)進(jìn)入低功耗模式，并通過定時器中斷喚醒進(jìn)行測量和顯示。

• LED數(shù)碼管： 是主要的耗電部分。采用動態(tài)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(dǎo)致不必要的功耗。在環(huán)境光線較暗時，可以適當(dāng)降低亮度。

八、 總結(jié)與展望

本設(shè)計方案詳細(xì)闡述了基于DS18B20、AT89C2051和CD4069的數(shù)字溫度顯示系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。通過對各個元器件的精選和詳盡分析，結(jié)合周密的硬件電路設(shè)計和軟件編程策略，可以構(gòu)建一個性能穩(wěn)定、顯示直觀、功耗可控的溫度測量顯示系統(tǒng)。

未來可擴(kuò)展性：

• 無線傳輸： 可以加入ESP8266或NRF24L01等無線模塊，實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

• 數(shù)據(jù)記錄： 增加EEPROM或SD卡模塊，實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的存儲和歷史查詢。

• 報警功能： 設(shè)定溫度閾值，當(dāng)溫度超出范圍時觸發(fā)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(shè)置報警閾值等。

• 多傳感器網(wǎng)絡(luò)： 利用DS18B20的唯一ID特性，擴(kuò)展為多點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)。

本方案為讀者提供了從理論到實踐的詳細(xì)指導(dǎo)，旨在幫助工程師和愛好者快速掌握數(shù)字溫度顯示系統(tǒng)的設(shè)計要點(diǎn)。通過理解各元器件的特性及其在系統(tǒng)中的作用，將能夠靈活應(yīng)對各種設(shè)計挑戰(zhàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新和功能擴(kuò)展。