基于数字温度传感器的数字温度计

基于数字温度传感器的数字温度计 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 第1章 绪论 1.1 概述 随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。 随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域， 在工、农业生产和日常生活中，对温度的测量及控制占已经成为一种比较成熟的技术, 据着极其重要地位。首先了解一下多点温度检测系统在各个方面的应用领域:消防电气的非破坏性温度检测，电力、电讯设备之过热故障预知检测，空调系统的温度检测，各类运输工具之组件的过热检测，保全与监视系统之应用，医疗与健诊的温度测试，化工、机械等设备温度过热检测。由此可见，温度检测系统应用十分广阔。 本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，该设计控制器使用单片机AT89C51，测温传感器使用DS18B20，用3位共阳极LED数码管以串口传送数据,实现温度显示,能准确达到以上要求。 1.2 原理介绍 1.2.1 总体设计 总体设计方案采用AT89C51单片机作控制器，温度传感器选用DS18B20来设计数字温度计，系统由3个模块组成:主控制器、测温电路及显示电路。主控制器由单片机AT89C51实现，测温电路由温度传感器DS18B20实现，显示电路由3位LED数码管直读显示。本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，该设计控制器使用单片机AT89C51，测温传感器使用DS18B20，用3位共阳极LED数码管以串口传送数据,实现温度显示,能准确达到以上要求。 第1页 共17页 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 1.2.2 主控制部分 本设计采用AT89C51八位单片机实现。单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。而且体积小，硬件实现简单，安装方便。既可以单独对多DS18B20控制工作，还可以与PC机通信.运用主从分布式思想，由一台上位机(PC微型计算机)，下位机(单片机)多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统,实现远程控制。另外AT89C51在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。 系统采用针对传统温度测温系统测温点少，系统兼容性及扩展性较差的特点，运用分布式通讯的思想。设计一种可以用于大规模多点温度测量的巡回检测系统。该系统采用的是RS-232串行通讯的，通过下位机(单片机)进行现场的温度采集，温度数据既可以由下位机模块实时显示，也可以送回上位机进行数据处理，具有巡检速度快，扩展性好，成本低的特点。 1.2.3总体设计框图 控制器采用单片机AT89C51，温度传感器采用DS18B20，用4位LED数码管显示温度。总体设计框图如图1-1所示。 单片机复位 LED显示 主 控 电 路 时钟振荡 温度传感器 图 1-1 总体设计框图 1.2.4 DS18B20数字温度传感器 第2页 共17页 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是支持 "一线总线"接口的温度传感器，在其内部使用了在板(ON-B0ARD)专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。使你可以充分发挥“一线总线”的优点。 DS18B20支持"一线总线"接口，测量温度范围为-55?C,+125?C，在-10,+85?C范围内，精度为?0.5?C。DS1822的精度较差为?2?C。现场温度直接以"一线总线"的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如:环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V,5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。 DS18B20的主要特性: (1)适应电压范围更宽，电压范围:3.0,5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电 (2)独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯 (3)DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温 (4)DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内 (5)温范围,55?,，125?，在-10,+85?时精度为?0.5? (6)可编程的分辨率为9,12位，对应的可分辨温度分别为0.5?、0.25?、0.125?和0.0625?，可实现高精度测温 (7)在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快 (8)测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力 (9)负压特性:电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 图2-1 接入外部电源 第3页 共17页 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 DS18B20有两种供电接法，图1-2采用的是接入外部电源。这样做的好处是I/O线上不需要加强上拉，而且总线控制器用在温度转换期间总保持高电平。这样在转换期间可以允许在单线总线上进行其他数据的往来。另外，在单总线上可以挂任意多片DS18B20，而且如果它们都使用外部电源的话，就可以先发一个Skip ROM命令，再接一个Convert T命令，让它们同时进行温度转换。注意当加上外部电源时，GND引脚不能悬空。 1.2.5 传感器 与DS18B20测温系统相比，传统的测温方法是将模拟信号远距离采样进行AD转换，而为了获得较高的测温精度，就必须采用解决由长线传输，多点测量切换及放大电路零点漂移等造成的误差补偿问题。采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS1820和微控制器AT89C51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大,且由于AT89C51可以带多个DSB1820,因此可以非常容易实现多点测量.轻松的组建传感器网络。 采用温度芯片DS18B20测量温度，可以体现系统芯片化这个趋势。部分功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。而且，集成块的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。本方案应用这一温度芯片，也是顺应这一趋势。 第4页 共17页 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 第二章 硬件设计 2.1 系统总体硬件电路 图2-1系统总体硬件电路 第5页 共17页 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 2.2 温度测试电路 这里我们用到温度芯片DS18B20。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO,92小体积封装形式。测温分辨率可达0.0625?，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。 DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为 -55至+125?，在-10至+85?范围内,精度为0.5C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如:环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。 2.2.1 DS18B20内部结构 图2-2 DS18B20内部结构图 DS18B20有4个主要的数据部件: 、64位激光ROM。64位激光ROM从高位到低位依次为8位CRC、48位序列号和8位1 家族代码(28H)组成。 2、温度灵敏元件。 3、非易失性温度报警触发器TH和TL。可通过软件写入用户报警上下限值。 4、配置寄存器。配置寄存器为高速暂存存储器中的第五个字节。DS18B20在0 工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换成相应精度的数值，其各位定义如下表: 表2-1 寄存器分辨率转换数值及含 义表 TM R1 R0 1 1 1 1 1 第6页 共17页 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 其中，TM:测试模式标志位，出厂时被写入0，不能改变;R0、R1:温度计分辨率设置位，其对应四种分辨率如下表所列，出厂时R0、R1置为缺省值:R0=1，R1=1(即12位分辨率)，用户可根据需要改写配置寄存器以获得合适的分辨率。 表2-2 配置寄存器与分辨率表 R0 R1 温度计分辨率/bit 最大装换时间/us 0 0 9 93.75 0 1 10 187.5 1 0 11 375 1 1 12 750 2.2.2 高速暂存存储器 高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如表3-4所示。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如图所示。对应的温度计算:当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制;当S=1时，先将补码变为原码，再计算十进制值。 表2-3 高速暂存存储器字节表 温度低位 温度高位 TH TL 配置 保留 保留 保留 8位CRC 表2-4 温度值格式图DS18B20 温度数据表 表2-5典型对应的温度值表 温度/? 二进制表示 十六进制表示 +125 00000111 11010000 7D0H +25.0625 00000001 10010001 0191H 第7页 共17页 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 +10.125 00000000 10100010 00A2H +0.5 00000000 00001000 0008H 0 00000000 00000000 0000H -0.5 11111111 11111000 FFF8H -10.125 11111111 01011110 FF5EH -25.0625 11111110 01101111 FE6FH -55 11111100 10010000 FC90H DS18B20最大的特点是单总线数据传输方式，DS18B20的数据I/O均由同一条线来完成。 硬件连接电路如下: 图2-3 硬件连接电路图 本系统是基于DS18B20温度芯片的温度测试。DS18B20采用外部供电方式，理论上可以在一根数据总线上挂256个DS18B20，但时间应用中发现，如果挂接25个以上的DS18B20仍旧有可能产生功耗问题。另外单总线长度也不宜超过80M，否则也会影响到数据的传输。在这种情况下我们可以采用分组的方式，用单片机的多个I/O来驱动多路DS18B20。在实际应用中还可以使用一个MOSFET将I/O口线直接和电源相连，起到上拉的作用。 对DS18B20的设计，需要注意以下问题: (1)对硬件结构简单的单线数字温度传感器DS18B20 进行操作，需要用较为复杂的程序完成。编制程序时必须严格按芯片数据手册提供的有关操作顺序进行，读、写时间片程序要严格按要求编写。尤其在使用DS18B20 的高测温分辨力时，对时序及电气特性参数要求更高。 (2)有多个测温点时，应考虑系统能实现传感器出错自动指示，进行自动DS18B20 序列号和自动排序，以减少调试和维护工作量。 (3)测温电缆线建议采用屏蔽4 芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组 第8页 共17页 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。DS18B20 在三线制应用时，应将其三线焊接牢固;在两线应用时，应将VCC与GND接在一起，焊接牢固。若VCC脱开未接，传感器只送85.0 ?的温度值。 (4)实际应用时，要注意单线的驱动能力，不能挂接过多的DS18B20，同时还应注意最远接线距离。另外还应根据实际情况选择其接线拓扑结构。 2.2.3 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路 DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图6 所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。 当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。 图2-4 DS18B20与单片机的接口电路 2.3 显示电路 显示电路采用3位共阳LED数码管，从P3口RXD,TXD串口输出段码。 LED数码管在仿真软件中如图2-5所示 第9页 共17页 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 图 2-5 显示电路仿真图 第10页 共17页 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 第3章 软件设计 3.1 主程序 系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图3-1所示。 图3-1 主程序流程图 3.2 读出温度主程序 读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图3-2所示。 第11页 共17页 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 图 3-2 读温度流程图 3.3 温度转换命令子程序 温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。温度转换命令子程序流程图如上图，图3-3所示 图3-3 温度转换流程图 第12页 共17页 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 3.4 计算温度子程序 计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其程序流程图如图3-4所示 图3-4 计算温度流程图 3.5 显示数据刷新子程序 显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，当最高显示位为0时将符号显示位移入下一位。程序流程图如图13。 图3-5 显示数据刷新流程图 第13页 共17页 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 3.6 软件设计总体流程图 图3-6 软件总体设计流程图 用汇编语言完成对设计的软件编程，程序开始首先对温度传感器DS18B20进行复位，检测是否正常工作;接着读取温度数据，主机发出CCH指令与在线的DS18B20联系，接着向DS18B20发出温度A/D转换44H指令，再发出温度寄存器的温度值BEH指令，并反复调用复位，写入及读取数据子程序，之后再经过数据转换，由数码管显示出来，不断循环。 软件编程主要包括以下一些程序段。主程序，读出转换后的温度值，写DS18B20的程序，读DS18B20的程序,从DS18B20中读出两个字节的温度数据，将从DS18B20中读出的温度数据进行转换，将16进制的温度数据转换成压缩BCD码，DS18B20初始化程序，数码显示程序，延时子程序。 第14页 共17页 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 经过一个月的忙碌，本次课程设计已经接近尾声，作为一个大学生的课程设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，但通过这次的课程设计,我也能够领悟到一些含义,可以把我们在大学里所学的知识有力的结合在一起,再自己发挥一下,理论应用于实践,从而提高了自己的学习能力,以及分析处理问题的能力。 该温度测试系统不仅具有结构简单、体积小、价格低廉、精确度较高、反应速度较快、数字化显示和不易损坏等特点，而且性能稳定，适用范围广，因此特别适用于对测温要求比较准确的场所。 本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，该设计控制器使用单片机AT89C51，测温传感器使用DS18B20，用3位共阳极LED数码管以串口传送数据,实现温度显示,能准确达到以上要求。 第15页 共17页 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 致谢 经过半个月的努力，我的课程设计在韩学辉老师的悉心指导下于城建学院完成。在设计过程中韩老师给予了我细心的指导和精辟的建议，使得本设计得以顺利完成。 在课程设计的过程中，韩老师对我们是倾注了大量的心血和汗水，他严谨的治学态度、渊博的知识水平和踏实的工作作风给我留下了深刻的印象:特别是在设计的最初阶段，韩老师耐心细致地指导我查阅资料，为我排除困扰，使我走出困境，能够顺利开始设计。韩老师那爱岗敬业的精神让我感动，使我终身受益。在此，我向韩老师致以最诚挚的敬意。 在课程设计的过程中，我通过查阅大量相关资料，与同学交流及自学，丰富了自我阅历，虽经历了不少艰辛，但收获巨大，不仅树立了对自己工作能力的信心，而且大大提高了动手能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。相信对今后的学习、工作、生活有着很大的鼓励，感谢生活。 第16页 共17页 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 参考文献 [1] 李朝青.单片机原理及接口技术(简明修订版)[M].北京航空航天大学出版社.1998 [2] 李广弟.单片机基础[M].北京航空航天大学出版社.1994 [3] 阎石.数字电子技术基础(第三版)[M]. 高等教育出版社.1989 [4] 朱定华.单片机原理及接口技术[M].电子工业出版社.2001 理及接口技术[M].哈尔滨工业大学出版社.2003 [5] 谭家玉.单片机原 [6] 张毅刚.单片机原理及应用[M].高等教育出版社，2010 [7] 李光飞.单片机C程序设计实例指导[M].北京航空航天大学出版社，2005 [8] 刘文涛.单片机语言C51典型应用及设计[M]。人民邮电出版社 第17页 共17页