遠(yuǎn)距離室內(nèi)溫度的測(cè)量系統(tǒng)--傳感器課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書</p><p>　　題目： 遠(yuǎn)距離室內(nèi)溫度的測(cè)量系統(tǒng)</p><p>　　學(xué)院（系）： </p><p>　　年級(jí)專業(yè)： </p><p>　　學(xué) 號(hào)：</p><p>　　學(xué)生姓名：

2、</p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　教師職稱： </p><p>　　課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書</p><p>　　院（系）：電氣工程學(xué)院 基層教學(xué)單位： 儀器科學(xué)與工程系 </p><p>　　說

3、明：此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部各一份。</p><p>　　2011 年12 月20 日 </p><p>　　遠(yuǎn)距離室內(nèi)溫度的測(cè)量系統(tǒng)</p><p><b>　　摘要：</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實(shí)現(xiàn)，能獨(dú)立工作的溫度檢測(cè)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各

4、種不同的領(lǐng)域。溫度檢測(cè)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研和在人們的生活中得到廣泛的運(yùn)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(gè)基于數(shù)字溫度傳感器DS18B20的測(cè)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(dá)到遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量的實(shí)現(xiàn)。主要采用的是溫度傳感器18B20，無線模塊nRF24L01和單片機(jī)控制顯示模塊。本文詳細(xì)敘述18B20的的

5、測(cè)量原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及對(duì)18B20溫度傳感器程序的調(diào)試。</p><p>　　關(guān)鍵詞：DS18B20、無線傳輸、單片機(jī)、溫度測(cè)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(fù)性、可靠性較差，對(duì)于檢測(cè)1攝氏度的信號(hào)是不適用的，也不能滿足測(cè)量范圍。在溫度測(cè)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(hào)，必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后才能送給計(jì)算機(jī)，這樣就使測(cè)溫系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。另外，這種測(cè)溫系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫，也要用到復(fù)雜的算法，一定程度上也增加了軟件實(shí)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(cè)量溫度，直接輸出數(shù)字信號(hào)。便于單片機(jī)處理及控制，節(jié)省硬件電路。且該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，此元件線形性能好，在0—100攝氏度時(shí)，最大線形偏差小于1攝氏度。DS18B20的最大特點(diǎn)之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計(jì)DS18B20和微控制器AT89C51構(gòu)成的溫度裝置，它直接輸出溫度的數(shù)字信號(hào)到微控制器。每只DS

8、18B20具有一個(gè)獨(dú)有的不可修改的64位序列號(hào)，根據(jù)序列號(hào)可訪問不同的器件。這樣一條總線上可掛接多個(gè)DS18B20傳感器，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測(cè)量，輕松的組建傳感網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　綜上分析，我們選用第二種方案。</p><p>　　DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)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(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式?？梢苑謩e在93.75 ms和750 ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20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(jù)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(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。他在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、

10、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進(jìn)，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(diǎn)：</p><p>　　獨(dú)特的單線接口方式：DS18B20與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)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(jù)線供電，電壓范圍：+3.0~ +

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

12、 圖1.2.2 DS18B20封裝圖</p><p>　　圖1.2.3 DS18B20的內(nèi)部結(jié)果</p><p>　　第三節(jié) DS18B20的工作原理</p><p>　　DS18B20的測(cè)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(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)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(chǎn)生的信號(hào)

13、作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DS18B20就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量。計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測(cè)量前，首先將-55 ℃所對(duì)應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在 -55 ℃ 所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)

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

15、信功能是分時(shí)完成的，他有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫時(shí)序很重要。系統(tǒng)對(duì)DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初始化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲(chǔ)器操作命令→處理數(shù)據(jù)。  </p><p>　　DS18B20工作過程及時(shí)序</p><p>　　DS18B20內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器是一個(gè)振蕩頻率隨溫度變化很小的振蕩器，為計(jì)數(shù)器1提供一頻率穩(wěn)

16、定的計(jì)數(shù)脈沖。</p><p>　　高溫度系數(shù)振蕩器是一個(gè)振蕩頻率對(duì)溫度很敏感的振蕩器，為計(jì)數(shù)器2提供一個(gè)頻率隨溫度變化的計(jì)數(shù)脈沖。</p><p>　　初始時(shí)，溫度寄存器被預(yù)置成-55℃，每當(dāng)計(jì)數(shù)器1從預(yù)置數(shù)開始減計(jì)數(shù)到0時(shí)，溫度寄存器中寄存的溫度值就增加1℃，這個(gè)過程重復(fù)進(jìn)行，直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)便停止。</p><p>　　初始時(shí)，計(jì)數(shù)器1預(yù)置的是與-55℃

17、相對(duì)應(yīng)的一個(gè)預(yù)置值。以后計(jì)數(shù)器1每一個(gè)循環(huán)的預(yù)置數(shù)都由斜率累加器提供。為了補(bǔ)償振蕩器溫度特性的非線性性，斜率累加器提供的預(yù)置數(shù)也隨溫度相應(yīng)變化。計(jì)數(shù)器1的預(yù)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(jì)數(shù)器所需要的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)。</p><p>　　DS18B20內(nèi)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(jì)數(shù)器2停止計(jì)數(shù)后，比較器將計(jì)數(shù)器1中的計(jì)數(shù)剩余值轉(zhuǎn)換為溫度值后與0.25℃進(jìn)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(shí)，溫度寄存器的最低位就進(jìn)位然后置0。這樣，經(jīng)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(jù)格式表示，最高位為符號(hào)位，其余8位以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示溫度值。測(cè)溫結(jié)束時(shí)，這9位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到暫存

19、存儲(chǔ)器的前兩個(gè)字節(jié)中，符號(hào)位占用第一字節(jié)，8位溫度數(shù)據(jù)占據(jù)第二字節(jié)。</p><p>　　DS18B20測(cè)量溫度時(shí)使用特有的溫度測(cè)量技術(shù)。DS18B20內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號(hào)；同樣的，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)。當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DS18B20進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)門開通時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對(duì)頻率的非線性度加以補(bǔ)償。測(cè)量結(jié)果存入溫度寄存器中。一般情況下的

20、溫度值應(yīng)該為9位，但因符號(hào)位擴(kuò)展成高8位，所以最后以16位補(bǔ)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(chǔ)器操作命令——處理數(shù)據(jù)</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(jī)發(fā)出一復(fù)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(zhǔn)備好操作。</p><p><b>　?、?ROM操作命令</b></p><p>　　一旦總線主機(jī)檢測(cè)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>　　③ 存儲(chǔ)器操作命令<

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

24、;p>　　Recall E2（重新調(diào)整E2）[B8h]</p><p>　　Read Power Supply（讀電源）[B4h]</p><p><b>　?、?處理數(shù)據(jù)</b></p><p>　　DS18B20的高速暫存存儲(chǔ)器由9個(gè)字節(jié)組成，其分配如圖3所示。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存儲(chǔ)

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

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

27、實(shí)際溫度后，輸出為FC90H，則應(yīng)先將11位數(shù)據(jù)位取反加1得370H（符號(hào)位不變，也不作為計(jì)算），則：</p><p>　　實(shí)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(cè)量的仿真</b></p><p&

28、gt;　　本次仿真主要有DS18B20和單片機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成。目的是驗(yàn)證DS18B20實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的可行性。由于仿真軟件所限，沒有采用無線模塊進(jìn)行驗(yàn)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(jīng)過軟件protues仿真可以看到，DS18B20能夠準(zhǔn)確測(cè)量溫度。其精度可以達(dá)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(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　溫度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　由于DS18B20是數(shù)字式溫度傳感器，里面已經(jīng)包含了AD轉(zhuǎn)換等電路，所以硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，其連接圖如下所示：</p><p>　　圖3.1.1多點(diǎn)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(gòu)成</p><p>　　由于是傳感器的課程設(shè)計(jì)，其重點(diǎn)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(shè)計(jì)</p><p>　　用單片機(jī)控制溫度傳感器采集顯示

31、溫度值，所以需要自己設(shè)計(jì)52單片機(jī)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(jī)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(diào)試和實(shí)物結(jié)果</p><p>　　第一節(jié) 系統(tǒng)程序的構(gòu)成概述</p><p>　　

32、本說明書主要針對(duì)的是DS18B20溫度傳感器原理的概述，所以基于單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)主要是為了驗(yàn)證DS18B20測(cè)溫的可行性。本程序主要由無線模塊驅(qū)動(dòng)、DS18B20驅(qū)動(dòng)和溫度值顯示等程序構(gòu)成。</p><p>　　其基本程序構(gòu)成如下：</p><p>　　圖4.1.1 發(fā)射部分電路程序主體設(shè)計(jì)</p><p>　　圖4.1.2 接收部分電路程序主體設(shè)計(jì)</p&g

33、t;<p>　　第二節(jié) 系統(tǒng)實(shí)物測(cè)量結(jié)果</p><p>　　經(jīng)過一周的準(zhǔn)備終于將電路搭建完成，并經(jīng)過兩天的時(shí)間將程序調(diào)試通過，下面是實(shí)際顯示溫度電路。如下圖所示：</p><p>　　圖4.2.1 兩個(gè)溫度值初始顯示 圖4.2.2經(jīng)手指觸摸后溫度顯示</p><p>　　課程設(shè)計(jì)的體會(huì)與收獲</p><

34、;p><b>　　體會(huì)和收獲</b></p><p>　　經(jīng)過近兩周的緊張忙碌，我們的課程設(shè)計(jì)也幾近結(jié)束。此次課程設(shè)計(jì)，我們不僅實(shí)現(xiàn)了軟件平臺(tái)上的仿真，而且還做出了實(shí)物，經(jīng)過調(diào)試改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了一些硬件功能。理論聯(lián)系實(shí)際，讓我們?cè)趯?shí)踐中去更好的理解和運(yùn)用我們所學(xué)到的知識(shí)，獲益匪淺。在此設(shè)計(jì)期間，老師給了我們很大的幫助，衷心感謝我們的指導(dǎo)教師張老師，老師在設(shè)計(jì)和調(diào)試的各個(gè)階段給了我們很大的寶

35、貴意見和悉心指導(dǎo)。同時(shí)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(shè)計(jì)能夠有條不紊，高效率的進(jìn)行，團(tuán)隊(duì)合作給了我們?cè)O(shè)計(jì)很大的推動(dòng)力。</p><p>　　在課設(shè)中我也學(xué)習(xí)到了團(tuán)隊(duì)的作用，只有不斷的學(xué)習(xí)，不斷的去思考，不斷的去尋求答案，不斷的去實(shí)踐，你才會(huì)真的掌握一種技術(shù)。感謝老師這幾天的指導(dǎo)，感謝這幾天和我一起完成課設(shè)的同學(xué)們。我將會(huì)銘記這次寶貴的經(jīng)驗(yàn)和這幾天所有得到的快樂。</p>&

36、lt;p><b>　　第二節(jié) 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　譚浩強(qiáng). C程序設(shè)計(jì).清華大學(xué)出版社[M].2006</p><p>　　郭天祥.新概念51單片機(jī)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(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化2

37、010(1):73-75</p><p>　　于永.51單片機(jī)C語言常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008</p><p>　　張?jiān)降?基于DS18B20溫度傳感器的數(shù)字溫度計(jì)[J].微電子學(xué)，2007</p><p>　　唐文彥. 傳感器.機(jī)械工業(yè)出版社[M].2007</p><p>　　李科杰.新編傳感器技