遠距離室內溫度的測量系統(tǒng)--傳感器課程設計

1、<p>　　課 程 設 計 說 明 書</p><p>　　題目： 遠距離室內溫度的測量系統(tǒng)</p><p>　　學院（系）： </p><p>　　年級專業(yè)： </p><p>　　學 號：</p><p>　　學生姓名：

2、</p><p>　　指導教師： </p><p>　　教師職稱： </p><p>　　課程設計（論文）任務書</p><p>　　院（系）：電氣工程學院 基層教學單位： 儀器科學與工程系 </p><p>　　說

3、明：此表一式四份，學生、指導教師、基層教學單位、系部各一份。</p><p>　　2011 年12 月20 日 </p><p>　　遠距離室內溫度的測量系統(tǒng)</p><p><b>　　摘要：</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代信息化技術的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實現(xiàn)，能獨立工作的溫度檢測系統(tǒng)已廣泛應用于各

4、種不同的領域。溫度檢測在工農業(yè)生產、科研和在人們的生活中得到廣泛的運用。目前，溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字集成式方向飛速發(fā)出，DS18B20便是其中優(yōu)秀的代表。 </p><p>　　本文介紹了一個基于數(shù)字溫度傳感器DS18B20的測溫系統(tǒng)，并用LED數(shù)碼管顯示溫度值，無線發(fā)送溫度值。達到遠距離溫度測量的實現(xiàn)。主要采用的是溫度傳感器18B20，無線模塊nRF24L01和單片機控制顯示模塊。本文詳細敘述18B20的的

5、測量原理和內部結構，以及對18B20溫度傳感器程序的調試。</p><p>　　關鍵詞：DS18B20、無線傳輸、單片機、溫度測量</p><p>　　DS18B20傳感器介紹</p><p><b>　　方案的論證</b></p><p><b>　　方案一： </b></p>

6、<p>　　采用熱敏電阻，熱敏電阻精度、重復性、可靠性較差，對于檢測1攝氏度的信號是不適用的，也不能滿足測量范圍。在溫度測量系統(tǒng)中，也常采用單片溫度傳感器，比如AD590，LM35等。但這些芯片輸出的都是模擬信號，必須經過A/D轉換后才能送給計算機，這樣就使測溫系統(tǒng)的硬件結構較復雜。另外，這種測溫系統(tǒng)難以實現(xiàn)多點測溫，也要用到復雜的算法，一定程度上也增加了軟件實現(xiàn)的難度。</p><p><b&g

7、t;　　方案二：</b></p><p>　　采用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20測量溫度，直接輸出數(shù)字信號。便于單片機處理及控制，節(jié)省硬件電路。且該芯片的物理化學性很穩(wěn)定，此元件線形性能好，在0—100攝氏度時，最大線形偏差小于1攝氏度。DS18B20的最大特點之一采用了單總線的數(shù)據傳輸，由數(shù)字溫度計DS18B20和微控制器AT89C51構成的溫度裝置，它直接輸出溫度的數(shù)字信號到微控制器。每只DS

8、18B20具有一個獨有的不可修改的64位序列號，根據序列號可訪問不同的器件。這樣一條總線上可掛接多個DS18B20傳感器，實現(xiàn)多點溫度測量，輕松的組建傳感網絡。</p><p>　　綜上分析，我們選用第二種方案。</p><p>　　DS18B20的內部結構</p><p>　　DS18B20是美國DALLAS半導體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進型智能溫度

9、傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度并且可根據實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。可以分別在93.75 ms和750 ms內完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DS18B20讀出的信息或寫入DS18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫,溫度變換功率來源于數(shù)據總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結構更趨簡單，可靠性更高。他在測溫精度、轉換時間、

10、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。 以下是DS18B20的特點：</p><p>　　獨特的單線接口方式：DS18B20與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。</p><p>　　在使用中不需要任何外圍元件。</p><p>　　可用數(shù)據線供電，電壓范圍：+3.0~ +

11、5.5 V。</p><p>　　測溫范圍：-55 - +125 ℃。固有測溫分辨率為0.5 ℃。</p><p>　　通過編程可實現(xiàn)9-12位的數(shù)字讀數(shù)方式。</p><p>　　支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。</p><p>　　圖1.2.1DS18B20實物圖

12、 圖1.2.2 DS18B20封裝圖</p><p>　　圖1.2.3 DS18B20的內部結果</p><p>　　第三節(jié) DS18B20的工作原理</p><p>　　DS18B20的測溫原理上圖所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產生的信號

13、作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數(shù)門，當計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產生的時鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55 ℃所對應的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在 -55 ℃ 所對應的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器1的預置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計

14、數(shù)器1的預置將重新被裝入，減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)門仍未關閉就重復上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值，這就是DS18B20的測溫原理。</p><p>　　另外，由于DS18B20單線通

15、信功能是分時完成的，他有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初始化DS18B20（發(fā)復位脈沖）→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數(shù)據。  </p><p>　　DS18B20工作過程及時序</p><p>　　DS18B20內部的低溫度系數(shù)振蕩器是一個振蕩頻率隨溫度變化很小的振蕩器，為計數(shù)器1提供一頻率穩(wěn)

16、定的計數(shù)脈沖。</p><p>　　高溫度系數(shù)振蕩器是一個振蕩頻率對溫度很敏感的振蕩器，為計數(shù)器2提供一個頻率隨溫度變化的計數(shù)脈沖。</p><p>　　初始時，溫度寄存器被預置成-55℃，每當計數(shù)器1從預置數(shù)開始減計數(shù)到0時，溫度寄存器中寄存的溫度值就增加1℃，這個過程重復進行，直到計數(shù)器2計數(shù)到0時便停止。</p><p>　　初始時，計數(shù)器1預置的是與-55℃

17、相對應的一個預置值。以后計數(shù)器1每一個循環(huán)的預置數(shù)都由斜率累加器提供。為了補償振蕩器溫度特性的非線性性，斜率累加器提供的預置數(shù)也隨溫度相應變化。計數(shù)器1的預置數(shù)也就是在給定溫度處使溫度寄存器寄存值增加1℃計數(shù)器所需要的計數(shù)個數(shù)。</p><p>　　DS18B20內部的比較器以四舍五入的量化方式確定溫度寄存器的最低有效位。在計數(shù)器2停止計數(shù)后，比較器將計數(shù)器1中的計數(shù)剩余值轉換為溫度值后與0.25℃進行比較，若低

18、于0.25℃，溫度寄存器的最低位就置0；若高于0.25℃，最低位就置1；若高于0.75℃時，溫度寄存器的最低位就進位然后置0。這樣，經過比較后所得的溫度寄存器的值就是最終讀取的溫度值了，其最后位代表0.5℃，四舍五入最大量化誤差為±1/2LSB，即0.25℃。</p><p>　　溫度寄存器中的溫度值以9位數(shù)據格式表示，最高位為符號位，其余8位以二進制補碼形式表示溫度值。測溫結束時，這9位數(shù)據轉存到暫存

19、存儲器的前兩個字節(jié)中，符號位占用第一字節(jié)，8位溫度數(shù)據占據第二字節(jié)。</p><p>　　DS18B20測量溫度時使用特有的溫度測量技術。DS18B20內部的低溫度系數(shù)振蕩器能產生穩(wěn)定的頻率信號；同樣的，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉換成頻率信號。當計數(shù)門打開時，DS18B20進行計數(shù)，計數(shù)門開通時間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內部還有斜率累加器，可對頻率的非線性度加以補償。測量結果存入溫度寄存器中。一般情況下的

20、溫度值應該為9位，但因符號位擴展成高8位，所以最后以16位補碼形式讀出。</p><p>　　DS18B20工作過程一般遵循以下協(xié)議：初始化——ROM操作命令——存儲器操作命令——處理數(shù)據</p><p><b>　?、?初始化</b></p><p>　　單總線上的所有處理均從初始化序列開始。初始化序列包括總線主機發(fā)出一復位脈沖，接著由從屬器

21、件送出存在脈沖。存在脈沖讓總線控制器知道DS1820 在總線上且已準備好操作。</p><p><b>　?、?ROM操作命令</b></p><p>　　一旦總線主機檢測到從屬器件的存在，它便可以發(fā)出器件ROM操作命令之一。所有ROM操作命令均為8位長。這些命令列表如下：</p><p>　　Read ROM(讀ROM)[33h]</p

22、><p>　　Match ROM( 符合ROM)[55h]</p><p>　　Skip ROM( 跳過ROM )[CCh]</p><p>　　Search ROM( 搜索ROM)[F0h]</p><p>　　Alarm Search(告警搜索)[ECh]</p><p><b>　?、?存儲器操作命令<

23、;/b></p><p>　　Write Scratchpad（寫暫存存儲器）[4Eh]</p><p>　　Read Scratchpad（讀暫存存儲器）[BEh]</p><p>　　Copy Scratchpad（復制暫存存儲器）[48h]</p><p>　　Convert T（溫度變換）[44h]</p><

24、;p>　　Recall E2（重新調整E2）[B8h]</p><p>　　Read Power Supply（讀電源）[B4h]</p><p><b>　?、?處理數(shù)據</b></p><p>　　DS18B20的高速暫存存儲器由9個字節(jié)組成，其分配如圖3所示。當溫度轉換命令發(fā)布后，經轉換所得的溫度值以二字節(jié)補碼形式存放在高速暫存存儲

25、器的第0和第1個字節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據，讀取時低位在前，高位在后。</p><p>　　DS18B20溫度數(shù)據表</p><p>　　上表是DS18B20溫度采集轉化后得到的12位數(shù)據，存儲在DS18B20的兩個8比特的RAM中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于或等于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測

26、到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。</p><p>　　溫度轉換計算方法舉例：</p><p>　　例如當DS18B20采集到+125℃的實際溫度后，輸出為07D0H，則：</p><p>　　實際溫度=07D0H╳0.0625=2000╳0.0625=125℃。</p><p>　　例如當DS18B20采集到-55℃的

27、實際溫度后，輸出為FC90H，則應先將11位數(shù)據位取反加1得370H（符號位不變，也不作為計算），則：</p><p>　　實際溫度=370H╳0.0625=880╳0.0625=55℃。</p><p><b>　　電路的仿真</b></p><p><b>　　溫度測量的仿真</b></p><p&

28、gt;　　本次仿真主要有DS18B20和單片機控制系統(tǒng)構成。目的是驗證DS18B20實現(xiàn)溫度測量的可行性。由于仿真軟件所限，沒有采用無線模塊進行驗證。其具體電路圖如下：</p><p>　　圖2.1.1 DS18B20的仿真電路圖</p><p>　　經過軟件protues仿真可以看到，DS18B20能夠準確測量溫度。其精度可以達到±1℃。符合要求，更加肯定了方案二的可行性。&l

29、t;/p><p><b>　　硬件電路的設計</b></p><p><b>　　溫度測量電路的設計</b></p><p>　　由于DS18B20是數(shù)字式溫度傳感器，里面已經包含了AD轉換等電路，所以硬件設計簡單，其連接圖如下所示：</p><p>　　圖3.1.1多點溫度采集電路原理圖</p&

30、gt;<p>　　第二節(jié) 無線模塊電路的構成</p><p>　　由于是傳感器的課程設計，其重點不在無線模塊上，故采用了現(xiàn)成無線模塊nRF24L01，其電路圖如下：</p><p>　　圖3.2.1 無線模塊NRF24L01電路原理圖</p><p>　　第三節(jié) 整體電路的設計</p><p>　　用單片機控制溫度傳感器采集顯示

31、溫度值，所以需要自己設計52單片機最小系統(tǒng)，以及數(shù)碼管等顯示電路。其具體電路圖如下：</p><p>　　圖2.4.3單片機最小系統(tǒng)電路原理圖</p><p>　　圖2.4.1數(shù)碼管顯示電路原理圖</p><p>　　第四章 系統(tǒng)程序的調試和實物結果</p><p>　　第一節(jié) 系統(tǒng)程序的構成概述</p><p>　　

32、本說明書主要針對的是DS18B20溫度傳感器原理的概述，所以基于單片機的程序設計主要是為了驗證DS18B20測溫的可行性。本程序主要由無線模塊驅動、DS18B20驅動和溫度值顯示等程序構成。</p><p>　　其基本程序構成如下：</p><p>　　圖4.1.1 發(fā)射部分電路程序主體設計</p><p>　　圖4.1.2 接收部分電路程序主體設計</p&g

33、t;<p>　　第二節(jié) 系統(tǒng)實物測量結果</p><p>　　經過一周的準備終于將電路搭建完成，并經過兩天的時間將程序調試通過，下面是實際顯示溫度電路。如下圖所示：</p><p>　　圖4.2.1 兩個溫度值初始顯示 圖4.2.2經手指觸摸后溫度顯示</p><p>　　課程設計的體會與收獲</p><

34、;p><b>　　體會和收獲</b></p><p>　　經過近兩周的緊張忙碌，我們的課程設計也幾近結束。此次課程設計，我們不僅實現(xiàn)了軟件平臺上的仿真，而且還做出了實物，經過調試改進，實現(xiàn)了一些硬件功能。理論聯(lián)系實際，讓我們在實踐中去更好的理解和運用我們所學到的知識，獲益匪淺。在此設計期間，老師給了我們很大的幫助，衷心感謝我們的指導教師張老師，老師在設計和調試的各個階段給了我們很大的寶

35、貴意見和悉心指導。同時感謝我們的小組成員，大家發(fā)揮各自所長，分工協(xié)作，使我們的設計能夠有條不紊，高效率的進行，團隊合作給了我們設計很大的推動力。</p><p>　　在課設中我也學習到了團隊的作用，只有不斷的學習，不斷的去思考，不斷的去尋求答案，不斷的去實踐，你才會真的掌握一種技術。感謝老師這幾天的指導，感謝這幾天和我一起完成課設的同學們。我將會銘記這次寶貴的經驗和這幾天所有得到的快樂。</p>&

36、lt;p><b>　　第二節(jié) 參考文獻</b></p><p>　　譚浩強. C程序設計.清華大學出版社[M].2006</p><p>　　郭天祥.新概念51單片機C語言教程.入門、提高、開發(fā)[M].電子工業(yè)出版社.2009</p><p>　　付聰，付慧生，李益青. 基于nRF24L01的無線溫度采集控制系統(tǒng)的設計[J].工礦自動化2

37、010(1):73-75</p><p>　　于永.51單片機C語言常用模塊與綜合系統(tǒng)設計實例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008</p><p>　　張越等.基于DS18B20溫度傳感器的數(shù)字溫度計[J].微電子學，2007</p><p>　　唐文彥. 傳感器.機械工業(yè)出版社[M].2007</p><p>　　李科杰.新編傳感器技