遠距離室內(nèi)溫度的測量系統(tǒng)

燕山大學(xué)課程設(shè)計說明書題目：遠距離室內(nèi)溫度的測量系統(tǒng)學(xué)院（系）： 年級專業(yè)： 學(xué)號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 教師職稱：

燕山大學(xué)課程設(shè)計（論文）任務(wù)書院（系）：電氣工程學(xué)院 基層教學(xué)單位：儀器科學(xué)與工程系學(xué)號學(xué)生姓名專業(yè)（班級）設(shè)計題目一個遠距離室內(nèi)溫度的測量系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)參數(shù)滿量程：100°C系統(tǒng)總誤差：±1.0C環(huán)境溫度：25C±15C電源波動：±1°C誤差分配：選擇合適器件，構(gòu)成滿足精度的測量系統(tǒng)設(shè)計要求理論設(shè)計方案和論證傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計、理論分析、參數(shù)計算測量電路設(shè)計、分析、參數(shù)計算繪出傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖和測量電路圖提交課程設(shè)計說明書工作量工作計劃第一周：周1—周2：收集消化資料和擬定設(shè)計方案。周3—周5：敏感元件、傳感元件設(shè)計和轉(zhuǎn)換電路設(shè)計。第一周：周1—周2：設(shè)計結(jié)果頭驗驗證或演示。周3—周5：撰寫設(shè)計說明書，答辯。參考資料1、 唐文彥.傳感器?機械工業(yè)出版社[M].20072、 李科杰?新編傳感器技術(shù)手冊[M].國防工業(yè)出版社.20023、 其他：傳感器原理、接口電路、設(shè)計手冊類參考書指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字說明：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。2011年12月20日燕山大學(xué)課程設(shè)計評審意見表指導(dǎo)教師評語:工作態(tài)度認真較認真不認真正確完善較為合理理論分析 指導(dǎo)教師評語:工作態(tài)度認真較認真不認真正確完善較為合理理論分析 m較差JXj.口合理方法設(shè)計一般較差成績:指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師：年月日答辯小組評語:答辯小組評語:清晰基本掌握原理了解清晰基本掌握原理了解不清楚正確設(shè)計結(jié)論基本正確不正確成績:成績:課程設(shè)計總成績答辯小組成員簽字:評閱人：課程設(shè)計總成績答辯小組成員簽字:評閱人：年月日年月日年月日遠距離室內(nèi)溫度的測量系統(tǒng)摘要：隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實現(xiàn)，能獨立工作的溫度檢測系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各種不同的領(lǐng)域。溫度檢測在工農(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。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的的測量原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及對18B20溫度傳感器程序的調(diào)試。關(guān)鍵詞：DS18B20、無線傳輸、單片機、溫度測量目錄TOC\o"1-5"\h\z第一章DS18B20傳感器介紹 1第一節(jié)方案的論證 2第二節(jié)DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 3第三節(jié)DS18B20的工作原理 3第二章電路的仿真 1第一節(jié)溫度測量的仿真與分析 2第三章硬件電路的設(shè)計 4第一節(jié)溫度測量電路的設(shè)計 5第二節(jié)無線模塊電路的構(gòu)成 6第三節(jié)整體電路的設(shè)計 6第四章系統(tǒng)程序的調(diào)試和實物結(jié)果 4第一節(jié)系統(tǒng)程序的構(gòu)成概述 5第二節(jié)系統(tǒng)實物測量結(jié)果 6第五章課程設(shè)計的體會與收獲 4第一節(jié)體會和收獲 5第二節(jié)參考文獻 6第一章DS18B20傳感器介紹第一節(jié)方案的論證采用熱敏電阻，熱敏電阻精度、重復(fù)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(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后才能送給計算機，這樣就使測溫系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。另外，這種測溫系統(tǒng)難以實現(xiàn)多點測溫，也要用到復(fù)雜的算法，定程度上也增加了軟件實現(xiàn)的難度。萬案一: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(xué)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(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計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)字信號到微控制器。每只DS18B20具有一個獨有的不可修改的64位序列號，根據(jù)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(wǎng)絡(luò)。綜上分析，我們選用第二種方案。第二節(jié)DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進型智能溫度傳感器。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(jù)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93.75ms和750ms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)更趨簡單，可靠性更高。他在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、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：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。在使用中不需要任何外圍元件。可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+3.0~+5.5V。測溫范圍：-55-+125°C。固有測溫分辨率為0.5°C。通過編程可實現(xiàn)9-12位的數(shù)字讀數(shù)方式。支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。DSIEB2^10川匸打：輕啞呢閉DALLASa_A

三H!-冏h 引腳tt列匪圖1.2.1DS18B20實物圖圖1.2.2DS18B20封裝圖DS18B20■r朋口*MM*****tHottl卄飆■耳塚**DSIMB20怕內(nèi)部仃64位前ROM單托，和9字節(jié)的啊殍器JTL7t*64應(yīng)ROM包含「.DSI8B20唯一的序列號￡曜一的名爭h圖1.2.3DS18B20的內(nèi)部結(jié)果第三節(jié)DS18B20的工作原理——汁數(shù)38E■LSDj盅咦襦孚器1#?器2 1停止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(chǎn)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(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數(shù)門，當(dāng)計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)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°C所對應(yīng)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(yù)置在-55C所對應(yīng)的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)減法計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時溫度寄存器的值將加1,減法計數(shù)器1的預(yù)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(chǎn)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(yù)置值，只要計數(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(fù)位脈沖）一發(fā)ROM功能命令一發(fā)存儲器操作命令一處理數(shù)據(jù)。DS18B20工作過程及時序DS18B20內(nèi)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)定的計數(shù)脈沖。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。初始時，溫度寄存器被預(yù)置成-55°C，每當(dāng)計數(shù)器1從預(yù)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1C，這個過程重復(fù)進行，直到計數(shù)器2計數(shù)到0時便停止。初始時，計數(shù)器1預(yù)置的是與-55C相對應(yīng)的一個預(yù)置值。以后計數(shù)器1每一個循環(huán)的預(yù)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(yù)置數(shù)也隨溫度相應(yīng)變化。計數(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1C計數(shù)器所需要的計數(shù)個數(shù)。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(zhuǎn)換為溫度值后與0.25C進行比較，若低于0.25C，溫度寄存器的最低位就置0;若高于0.25C，最低位就置1；若高于0.75C時，溫度寄存器的最低位就進位然后置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0.5C,四舍五入最大量化誤差為±1/2LSB,即0.25C。溫度寄存器中的溫度值以9位數(shù)據(jù)格式表示，最高位為符號位，其余8位以二進制補碼形式表示溫度值。測溫結(jié)束時，這9位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到暫存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(jù)占據(jù)第二字節(jié)。DS18B20測量溫度時使用特有的溫度測量技術(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；同樣的，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號。當(dāng)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(nèi)部還有斜率累加器，可對頻率的非線性度加以補償。測量結(jié)果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應(yīng)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。DS18B20工作過程一般遵循以下協(xié)議：初始化——OM操作命令——存儲器操作命令一一處理數(shù)據(jù)初始化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(fù)位脈沖，接著由從屬器件送出存在脈沖。存在脈沖讓總線控制器知道DS1820在總線上且已準備好操作。ROM操作命令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：ReadROM（讀ROM）[33h]MatchROM（符合ROM）[55h]SkipROM（跳過ROM）[CCh]SearchROM（搜索ROM）[F0h]AlarmSearch（告警搜索）[ECh]存儲器操作命令WriteSeratchpad（寫暫存存儲器）[4Eh]ReadSeratchpad（讀暫存存儲器）[BEh]CopySeratchpad（復(fù)制暫存存儲器）[48h]ConvertT（溫度變換）[44h]RecallE2（重新調(diào)整E2）[B8h]ReadPowerSupply（讀電源）[B4h]處理數(shù)據(jù)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(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)補碼形式存放在高速暫存存儲器的第0和第1個字節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后。TEMPERATUREDKdTAE.OlTPlTDIGITALOUTPl〕T(IU1)GOODOIL1101000007D0h-KC0000010]0101oooo0550h+25.0625「0000000]10010001019Eh+10.125gC0000000010100010OOA2'h■0.5°C0(]DO000000001000000811OX?ODDO00000O0G0000DOOOh-o.rcI：lljIM]丨.1冷1(XX)FFFSh-KJ.L25-Ciriimioiojihon-5Eh-250625C\][\HI00](0\]]\lT^Fh-55C11hI linnooiii)FC90h帕poiwEfyiHres鋰ygdij已燈:T出亡tampgralur亡r鋰訂tet在卜WCDS18B20溫度數(shù)據(jù)表上表是DS18B20溫度采集轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，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,測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。溫度轉(zhuǎn)換計算方法舉例：例如當(dāng)DS18B20采集到+125°C的實際溫度后，輸出為07D0H，貝I」：實際溫度=07D0HX0.0625=2000X0.0625=125C。例如當(dāng)DS18B20采集到-55C的實際溫度后，輸出為FC90H,則應(yīng)先將11位數(shù)據(jù)位取反加1得370H（符號位不變，也不作為計算），貝I」：實際溫度=370HXO.0625=880X0.0625=55Co第二章電路的仿真第一節(jié)溫度測量的仿真本次仿真主要有DS18B20和單片機控制系統(tǒng)構(gòu)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：燕匚大學(xué)電氣工隹學(xué)院檢釘一班嚴主坤RbT血『、?[l-'iWiF|l/i^lPIHKDMMAgFl4i'KMFl3i'MbM.li1^：PMi*呦P23SP2.W鞏腫IDre.ix^iiPZ.+fiRP2.1X?I3PJj^RriDp*i/mnPJ.24WTPJ1'IMTl?30or■■■■■D、、、、、FijiP1.1P1JP1J■-B+■■=559■&H1-??1*■■叨1 J111￥?22八■2?■h廠.-hi'■■■■IT■ItC.■師1?14-■泊?|￡■IIUQ?育0ND■■DI1ES2D圖2.1.1DS18B20的仿真電路圖經(jīng)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°C。符合要求，更加肯定了方案二的可行性。第三章硬件電路的設(shè)計第一節(jié)溫度測量電路的設(shè)計由于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)計簡單，其連接圖如下所示：VW：bSHBi'OVW：■wl||'-師3IKInkllIKlUKUn■wl||'-師3IKInkllIKlUKUn圖3.1.1多點溫度采集電路原理圖第二節(jié)無線模塊電路的構(gòu)成由于是傳感器的課程設(shè)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：圖3.2.1無線模塊NRF24L01電路原理圖第三節(jié)整體電路的設(shè)計用單片機控制溫度傳感器采集顯示溫度值，所以需要自己設(shè)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：單片機最-h蜩<fi|i：iai3冷3i.w>nSI-A^T?soHWCR0工曲IDlfHl&IE如12?5過3!3$!!刖??3電勺畠審卄賈訂列笳2rH單片機最-h蜩<fi|i：iai3冷3i.w>nSI-A^T?soHWCR0工曲IDlfHl&IE如12?5過3!3$!!刖??3電勺畠審卄賈訂列笳2rH卽13?lrwPl.l HLfl!pi2 miFir ruzP14 noPi6 聞」pijs miPlT mdHfirwro inirPJQ[Rs￡> EAS^pp起FRStNPX2IN14! i=-SCMPJJmlTl 陀Trail幣 resPJIAiTI P2i,咻伸 吃,RirB P2J麗心 吃;iKiJU-i ire.1GMD P2Q<J'-%<<<<<FFbHIDlfHIBIIEH養(yǎng)朮過攤Jlwasm1-liJi—ifl『r-q1l"plfilr142l13Mi2rH3lI3M]rHIX-BI-3I?圖2.4.3單片機最小系統(tǒng)電路原理圖圖2.4.1數(shù)碼管顯示電路原理圖.也?S'圖2.4.1數(shù)碼管顯示電路原理圖.也?S'第四章系統(tǒng)程序的調(diào)試和實物結(jié)果第一節(jié)系統(tǒng)程序的構(gòu)成概述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(shè)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(qū)動、DS18B20驅(qū)動和溫度值顯示等程序構(gòu)成。其基本程序構(gòu)成如下：圖4.1.1發(fā)射部分電路程序主體設(shè)計圖4.1.1發(fā)射部分電路程序主體設(shè)計無線模塊接收STC89C52單片機系統(tǒng)無線模塊接收STC89C52單片機系統(tǒng)溫度值數(shù)碼管顯示圖4.1.2接收部