數字溫度傳感器

1、中南林業(yè)科技大學涉外學院傳感器課程設計 題 目 基于單片機的數字溫度傳感器課程設計 指導老師 向誠 學生姓名 王璋婭 學 號 20148080 專業(yè)班級 電子信息工程四班 摘要 目前，單片機已經在測控領域中獲得了廣泛的應用，它除了可以測量電信以外，還可以用于溫度、濕度等非電信號的測量，能獨立工作的單片機溫度檢測、溫度控制系統(tǒng)已經廣泛應用很多領域。本次課程設計，就是用單片機實現溫度控制，傳統(tǒng)的溫度檢測大多以熱敏電阻為溫度傳感器，但熱敏電阻的可靠性差，測量溫度準確率低，而且必須經過專門的接口電路轉換成數字信號才能由單片機進行處理。本次采用DS18B20數字溫度傳感器來實現基于51單片機的數字溫度計

2、的設計，主要介紹了一個基于AT89C51單片機和數字溫度傳感器DS18B20的測溫系統(tǒng)，并用LED數碼管顯示溫度值，易于讀數。系統(tǒng)電路簡單、操作簡便，能任意設定報警溫度并可查詢最近的10個溫度值，系統(tǒng)具有可靠性高、成本低、功耗小等優(yōu)點。                              &#

3、160;                 目錄 1.  引言 -4 2. 總體方案設計-62.1設計要求-62.2方案論證-62.3  系統(tǒng)整體方案思路 -73.硬件電路設計-93.1  主控制器系統(tǒng)的設計-11 3.2  溫度傳感器的設計-113.2.1DS18B20基本介紹-113.2.3DS18B20測溫原理-1

4、23.3  溫度控制電路的設計-183.4  顯示電路的設計 -193.4.1顯示電路模塊-193.4.2數字顯示驅動電路-194.  系統(tǒng)的軟件設計-205.系統(tǒng)的安裝與調試-22結論-23參考資料-251. 引言 溫度控制廣泛應用于人們的生產和生活中，人們使用溫度計來采集溫度，通過人工操作、加熱、通風和降溫設備來控制溫度，這樣不但控制精度低、實時性差，而且操作人員的勞動強度大。即使有些用戶采用半導體二極管作溫度傳感器，但由于其互換性差，效果也不理想。在某些行業(yè)中對溫度的要求較高，由于工作環(huán)境溫度不合理而引發(fā)的事故時有發(fā)生。對工業(yè)生產可靠進行

5、造成影響，甚至操作人員的安全。為了避免這些缺點，需要在某些特定的環(huán)境里安裝數字溫度測量及控制設備。 本設計由于采用了新型單片機對溫度進行控制，以其測量精度高，操作簡單?？蛇\行性強，價格低廉等優(yōu)點，特別適用于生活，醫(yī)療，工業(yè)生產等方面的溫度測量及控制。溫度控制系統(tǒng)廣泛應用于社會生活的各個領域如家電、汽車、材料、電力電子等常用的控制電路根據應用場合和所要求的性能指標有所不同, 在工業(yè)企業(yè)中,如何提高溫度控制對象的運行性能一直以來都是控制人員和現場技術人員努力解決的問題。這類控制對象慣性大,滯后現象嚴重,存在很多不確定的因素,難以建立精確的數學模型,從而導致控制系統(tǒng)性能不佳,甚至出現控制不穩(wěn)定、失控

6、現象。傳統(tǒng)的繼電器調溫電路簡單實用,但由于繼電器動作頻繁,可能會因觸點不良而影響正常工作。控制領域還大量采用傳統(tǒng)的PID控制方式,但PID控制對象的模型難以建立,并且當擾動因素不明確時,參數調整不便仍是普遍存在的問題。而采用數字溫度傳感器DS18B20，因其內部集成了A/D轉換器，使得電路結構更加簡單，而且減少了溫度測量轉換時的精度損失，使得測量溫度更加精確。數字溫度傳感器DS18B20只用一個引腳即可與單片機進行通信，大大減少了接線的麻煩，使得單片機更加具有擴展性。測量溫度的基本方法是使用溫度計直接讀取溫度。最常見到得測量溫度的工具是各種各樣的溫度計，例如：水銀玻璃溫度計，酒精溫度計，熱電偶

7、或熱電阻溫度計等。它們常常以刻度的形式表示溫度的高低，人們必須通過讀取刻度值的多少來測量溫度。利用單片機和溫度傳感器構成的電子式智能溫度計就可以直接測量溫度，得到溫度的數字值，既簡單方便，有直觀準確。本設計所介紹的數字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比，具有讀數方便，測溫范圍廣，測溫準確，其輸出溫度采用數字顯示，主要用于對測溫比較準確的場所，或科研實驗室使用，該設計控制器使用51單片機，測溫傳感器使用DS18B20，用4位共陽極LED數碼管實現溫度顯示,能準確達到以上要求。2.總體方案設計 2.1設計要求： 數字式溫度計要求測溫范圍為55125°C，精度誤差在0.1°C以內，LED數

8、碼管直讀顯示。2.2方案論證： 溫度控制系統(tǒng)采用AT89C51八位機作為微處理單元進行控制。采用4X4鍵盤把設定溫度的最高值和最低值存入單片機的數據存儲器，還可以過鍵盤完成溫度檢測功能的轉換。溫度傳感器把采集的信號與單片機里的數據相比較來控制溫度控制器。根據系統(tǒng)的設計要求，選擇DS18B20作為本系統(tǒng)的溫度傳感器，選擇單片機AT89C51為測控系統(tǒng)的核心來完成數據采集、處理、顯示、報警等功能。選用數字溫度傳感器DS18B20，省卻了采樣保持電路、運放、數模轉換電路以及進行長距離傳輸時的串并轉換電路，簡化了電路，縮短了系統(tǒng)的工作時間，降低了系統(tǒng)的硬件成本。2.3系統(tǒng)整體方案思路該系統(tǒng)的總體設計思

9、路如下： 溫度傳感器DS18B20把所測得的溫度發(fā)送到AT89C51單片機上，經過51單片機處理，將把溫度在顯示電路上顯示，本系統(tǒng)顯示器為點陣字符LCD，1602液晶模塊。檢測范圍5攝氏度到60攝氏度。本系統(tǒng)除了顯示溫度以外還可以設置一個溫度值，對所測溫度進行監(jiān)控，當溫度高于或低于設定溫度時，開始報警并啟動相應程序（溫度高于設定溫度時，風扇開；當溫度低于設定溫度時，加熱器開）。 中央微處理器 AT89C51： AT89C51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器

10、件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89C51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89C51具有如下特點：40個引腳，4k Bytes Flash片內程序存儲器，128 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數器,1個全雙工串行通信口，片內時鐘振蕩器。此外，AT89C51設計和配置了振蕩頻率，并可通過軟件設置省電模式?？臻e模式下，C

11、PU暫停工作，而RAM定時計數器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數據，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式。AT89C51單片機綜合了微型處理器的基本功能。按照實際需要，同時也考慮到設計成本與整個系統(tǒng)的精巧性，所以在本系統(tǒng)中就選用價格較低、工作穩(wěn)定的AT89C51單片機作為整個系統(tǒng)的控制器。 按照系統(tǒng)設計功能的要求，確定系統(tǒng)由3個模塊組成：主控制器、測溫電路和顯示電路。 數字溫度計總體電路結構框圖如圖所示：3.硬件電路設計 3.1 主控制器系統(tǒng)設計 目前的單片機開發(fā)系統(tǒng)

12、只能夠仿真單片機，卻沒有給用戶提供一個通用的最小系統(tǒng)。由設計的要求，只要做很小集成度的最小系統(tǒng)應用在一些小的控制單元。其應用特點是: （1）全部I/O口線均可供用戶使用。  （2）內部存儲器容量有限（只有4KB地址空間）。  （3）應用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性               單片機最小系統(tǒng)如圖所示，其中有4個雙向的8位并行I/O端口，分別記作P0、P1、P2、P3，都可以用于數據的輸出和輸

13、入，P3口具有第二功能為系統(tǒng)提供一些控制信號。時鐘電路用于產生單片機工作所必須的時鐘控制信號，內部電路在時鐘信號的控制下，嚴格地按時序指令工作。單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反向放大器，該高增益反向放大器的輸入端為芯片的引腳XTAL1，輸出端為XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調電容，就構成了一個穩(wěn)定的自激振蕩器。電路中的微調電容通常選擇為30pF左右，該電容的大小會影響到振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶體的振蕩頻率為12MHz。 把EA腳接高電平，單片機訪問片內程序存儲器，但在PC值超過0FFFH（4Kbyte地址范圍）時，將自動轉向執(zhí)行外部程序

14、存儲器內的程序。主控制系統(tǒng)電路如圖所示：3.2 溫度傳感電路設計 DS18B20基本介紹：DS18B20是美國DALLAS半導體公司推出的第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配微處理器等優(yōu)點，可直接將溫度轉化成串行數字信號處理器處理。DS18B20進行精確的溫度轉換，I/O線必須保證在溫度轉換期間提供足夠的能量，由于每個DS18B20在溫度轉換期間工作電流達到1mA，當幾個溫度傳感器掛在同一根I/O線上進行多點測溫時，只靠4.7K上拉電阻就無法提供足夠的能量，會造成無法轉換溫度或溫度誤差極大。因此，下圖電路只適應于單一溫度傳

15、感器測溫情況下使用，不適宜采用電池供電系統(tǒng)中。并且工作電源VCC必須保證在5V，當電源電壓下降時，寄生電源能夠汲取的能量也降低，會使溫度誤差變大。DS18B20的性能特點： 采用單總線專用技術，既可通過串行口線，也可通過其它I/O口線與微機接口，無須經過其它變換電路，直接輸出被測溫度值（9位二進制數，含符號位） 測溫范圍為-55-+125，測量分辨率為0.0625 內含64位經過激光修正的只讀存儲器ROM 適配各種單片機或系統(tǒng)機 用戶可分別設定各路溫度的上、下限 內含寄生電源。 DS18B20內部結構主要由四部分組成：64位

16、光刻ROM,溫度傳感器,非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL,高速暫存器。DS18B20的管腳排列如圖所示。 在硬件上，DS18B20與單片機的連接有兩種方法，一種是VCC接外部電源，GND接地，I/O與單片機的I/O線相連；另一種是用寄生電源供電，此時UDD、GND接地，I/O接單片機I/O。無論是內部寄生電源還是外部供電，I/O口線要接5K左右的上拉電阻.我們采用的是第一種連接方法,如圖示:把DS18B20的數據線與單片機的13管腳連接,再加上上拉電阻。DS18B20有六條控制命令，如表所示：CPU對DS18B20的訪問流程是：先對DS18B20初始化，再進行ROM操作命令，最后才能

17、對存儲器操作，數據操作。DS18B20每一步操作都要遵循嚴格的工作時序和通信協(xié)議。如主機控制DS18B20完成溫度轉換這一過程，根據DS18B20的通訊協(xié)議，須經三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位，復位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。 DS18B20采用3腳PR35 封裝或腳SOIC封裝，其內部結構框圖如圖所示： DS18B20測溫原理 ： DS18B20的測溫原理如圖所示，圖中低溫度系數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器1，高溫度系數晶振隨溫度變化其震蕩頻

18、率明顯改變，所產生的信號作為減法計數器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數門，當計數門打開時，DS18B20就對低溫度系數振蕩器產生的時鐘脈沖后進行計數，進而完成溫度測量.計數門的開啟時間由高溫度系數振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55 所對應的基數分別置入減法計數器1和溫度寄存器中，減法計數器1和溫度寄存器被預置在-55 所對應的一個基數值。 減法計數器1對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當減法計數器1的預置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數器 1的預置將重新被裝入,減法計數器1重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數,如此循環(huán)直到減

19、法計數器2計數到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數值即為所測溫圖2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，于修正減法計數器的預置值，只要計數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。 另外，由于DS18B20單線通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據。 在正常測溫情況下，DS1820的測溫分辨力為0.5，可采用下述方法獲得高分辨率的溫度測量結

20、果：首先用DS1820提供的讀暫存器指令（BEH）讀出以0.5為分辨率的溫度測量結果，然后切去測量結果中的最低有效位（LSB），得到所測實際溫度的整數部分Tz，然后再用BEH指令取計數器1的計數剩余值Cs和每度計數值CD。考慮到DS1820測量溫度的整數部分以0.25、0.75為進位界限的關系，實際溫度Ts可用下式計算：          Ts=（Tz-0.25）+(CD-Cs)/CD    3.3溫度控制電路的設計3.4 顯示電路的設計 顯示采用四位數碼

21、管顯示，當位選打開時，送入相應的段碼，則相應的數碼管打開，關掉位選，打開另一個位選，送入相應的段碼，則數碼管打開，而每次打開關掉相應的位選時，時間間隔低于20ms，從人類視覺的角度上看，就仿佛是全部數碼管同時顯示的一樣。顯示電路如圖：數碼管顯示驅動電路：三極管9012來驅動4位數碼管，不僅簡單，而且價格便宜。4  系統(tǒng)的軟件設計4.1 程序結構分析主程序調用了3個子程序，分別是數碼管顯示程序、溫度信號處理程序。溫度信號處理程序：對溫度芯片送過來的數據進行處理，進行判斷和顯示。數碼管顯示程序：向數碼管的顯示送數，控制系統(tǒng)的顯示部分。按鍵設定程序：可以精確到0.1度。4.2 系統(tǒng)程序流圖

22、 主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示、讀出并處理DS18B20的測量的當前溫度值，溫度測量每1s進行一次。這樣可以在一秒之內測量一次被測溫度，主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示，讀出并處理DS18B20的當前溫度值，其程序流程見圖所示。通過調用讀溫度子程序把存入內存儲中的整數部分與小數部分開分存放在不的的兩個單元中，然后通過調用顯示子程序顯示出來。DS18B20初始化程序流程圖： 圖1 初始化程序流程圖讀溫度子程序流程圖 讀溫度子程序的主要功能是從DS18B20中讀出溫度數據，移入溫度暫存器保存。其程序流程圖如下： 5. 系統(tǒng)的安裝與調試5.1 安裝步驟1.檢查元件的好壞按電路圖買好元件后首先檢查買回元件的好壞，按各元件的檢測方法分別進行檢測，一定要仔細認真。而且要認真核對原理圖是否一致，