远距离室内温度的测量系统燕山大学传感器课程设计.docx

1、远距离室内温度的测量系统燕山大学传感器课程设计燕山大学课程设计说明书题目：远距离室内温度的测量系统学院（系）： 年级专业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院 基层教学单位： 仪器科学与工程系 学 号学生姓名专业（班级）设计题目一个远距离室内温度的测量系统设计技术参数1. 满量程： 1002. 系统总误差：1.03. 环境温度：25154. 电源波动：15. 误差分配：选择合适器件，构成满足精度的测量系统设计要求1. 理论设计方案和论证2. 传感器结构设计、理论分析、参数计算3. 测量电路设计、分析、参数计算4. 绘出传感器的结构

2、示意图和测量电路图5. 提交课程设计说明书工作量工作计划第一周： 周1周2：收集消化资料和拟定设计方案。 周3周5：敏感元件、传感元件设计和转换电路设计。第二周： 周1周2：设计结果实验验证或演示。周3周5：撰写设计说明书，答辩。参考资料1、 唐文彦. 传感器.机械工业出版社M.20072、 李科杰.新编传感器技术手册M.国防工业出版社.20023、 其他：传感器原理、接口电路、设计手册类参考书指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。2011 年12 月20 日 燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语：成绩：指导教师：年月日答辩小组评语：成

3、绩：评阅人：年月日课程设计总成绩答辩小组成员签字：年月日 远距离室内温度的测量系统摘要：随着现代信息化技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，能独立工作的温度检测系统已广泛应用于各种不同的领域。温度检测在工农业生产、科研和在人们的生活中得到广泛的运用。目前，温度传感器正从模拟式向数字集成式方向飞速发出，DS18B20便是其中优秀的代表。本文介绍了一个基于数字温度传感器DS18B20的测温系统，并用LED数码管显示温度值，无线发送温度值。达到远距离温度测量的实现。主要采用的是温度传感器18B20，无线模块nRF24L01和单片机控制显示模块。本文详细叙述18B20的的测量原理和内部结构，以及对1

4、8B20温度传感器程序的调试。关键词：DS18B20、无线传输、单片机、温度测量目录第一章 DS18B20传感器介绍 1第一节方案的论证 2第二节 DS18B20的内部结构 3第三节 DS18B20的工作原理 3第二章电路的仿真 1第一节温度测量的仿真与分析 2第三章硬件电路的设计 4第一节温度测量电路的设计 5第二节无线模块电路的构成 6第三节整体电路的设计 6第四章系统程序的调试和实物结果 4第一节系统程序的构成概述 5第二节系统实物测量结果 6第五章课程设计的体会与收获. 4第一节体会和收获 5第二节参考文献 6第一章 DS18B20传感器介绍第一节 方案的论证方案一：采用热敏电阻，热敏

5、电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测1摄氏度的信号是不适用的，也不能满足测量范围。在温度测量系统中，也常采用单片温度传感器，比如AD590，LM35等。但这些芯片输出的都是模拟信号，必须经过A/D转换后才能送给计算机，这样就使测温系统的硬件结构较复杂。另外，这种测温系统难以实现多点测温，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度。方案二：采用单总线数字温度传感器DS18B20测量温度，直接输出数字信号。便于单片机处理及控制，节省硬件电路。且该芯片的物理化学性很稳定，此元件线形性能好，在0100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

6、数字温度计DS18B20和微控制器AT89C51构成的温度装置，它直接输出温度的数字信号到微控制器。每只DS18B20具有一个独有的不可修改的64位序列号，根据序列号可访问不同的器件。这样一条总线上可挂接多个DS18B20传感器，实现多点温度测量，轻松的组建传感网络。综上分析，我们选用第二种方案。第二节 DS18B20的内部结构DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。可以分别在93.75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字量，

7、并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。 以下是DS18B20的特点： 独特的单线接口方式：DS18B20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。 在使用中不需要任何外围元件。 可用数据线供电，电压范围：+3.0 +5.5 V。 测温范围：-55 - +

8、125 。固有测温分辨率为0.5 。 通过编程可实现9-12位的数字读数方式。 支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。图1.2.1DS18B20实物图图1.2.2 DS18B20封装图 图1.2.3 DS18B20的内部结果第三节 DS18B20的工作原理DS18B20的测温原理上图所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而

9、完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55 所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在 -55 所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述

10、过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。DS18B20工作过程及时序DS18B20内部的低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度变化很小的振荡器，为计数器1提供一频率稳定的计数脉冲。高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的振荡器，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。初始时，温度寄存器被预置成-55，每当计数器1从预置数开始减计数到0时，

11、温度寄存器中寄存的温度值就增加1，这个过程重复进行，直到计数器2计数到0时便停止。初始时，计数器1预置的是与-55相对应的一个预置值。以后计数器1每一个循环的预置数都由斜率累加器提供。为了补偿振荡器温度特性的非线性性，斜率累加器提供的预置数也随温度相应变化。计数器1的预置数也就是在给定温度处使温度寄存器寄存值增加1计数器所需要的计数个数。DS18B20内部的比较器以四舍五入的量化方式确定温度寄存器的最低有效位。在计数器2停止计数后，比较器将计数器1中的计数剩余值转换为温度值后与0.25进行比较，若低于0.25，温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时，温度寄存器

12、的最低位就进位然后置0。这样，经过比较后所得的温度寄存器的值就是最终读取的温度值了，其最后位代表0.5，四舍五入最大量化误差为1/2LSB，即0.25。温度寄存器中的温度值以9位数据格式表示，最高位为符号位，其余8位以二进制补码形式表示温度值。测温结束时，这9位数据转存到暂存存储器的前两个字节中，符号位占用第一字节，8位温度数据占据第二字节。DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术。DS18B20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号；同样的，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号。当计数门打开时，DS18B20进行计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加

13、器，可对频率的非线性度加以补偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应该为9位，但因符号位扩展成高8位，所以最后以16位补码形式读出。DS18B20工作过程一般遵循以下协议：初始化ROM操作命令存储器操作命令处理数据 初始化单总线上的所有处理均从初始化序列开始。初始化序列包括总线主机发出一复位脉冲，接着由从属器件送出存在脉冲。存在脉冲让总线控制器知道DS1820 在总线上且已准备好操作。 ROM操作命令一旦总线主机检测到从属器件的存在，它便可以发出器件ROM操作命令之一。所有ROM操作命令均为8位长。这些命令列表如下：Read ROM(读ROM)33hMatch ROM( 符合ROM)

14、55hSkip ROM( 跳过ROM )CChSearch ROM( 搜索ROM)F0hAlarm Search(告警搜索)ECh 存储器操作命令Write Scratchpad（写暂存存储器）4EhRead Scratchpad（读暂存存储器）BEhCopy Scratchpad（复制暂存存储器）48hConvert T（温度变换）44hRecall E2（重新调整E2）B8hRead Power Supply（读电源）B4h 处理数据DS18B20的高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如图3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

15、。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。 DS18B20温度数据表上表是DS18B20温度采集转化后得到的12位数据，存储在DS18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于或等于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。温度转换计算方法举例：例如当DS18B20采集到+125的实际温度后，输出为07D0H，则：实际温度=07D0H0.0625=20000.0625=125。例如当DS18B20采集到-55的实际温度后，输出为FC9

16、0H，则应先将11位数据位取反加1得370H（符号位不变，也不作为计算），则：实际温度=370H0.0625=8800.0625=55。第二章 电路的仿真第一节 温度测量的仿真本次仿真主要有DS18B20和单片机控制系统构成。目的是验证DS18B20实现温度测量的可行性。由于仿真软件所限，没有采用无线模块进行验证。其具体电路图如下：图2.1.1 DS18B20的仿真电路图 经过软件protues仿真可以看到，DS18B20能够准确测量温度。其精度可以达到1。符合要求，更加肯定了方案二的可行性。第三章 硬件电路的设计第一节 温度测量电路的设计由于DS18B20是数字式温度传感器，里面已经包含了A

17、D转换等电路，所以硬件设计简单，其连接图如下所示：图3.1.1多点温度采集电路原理图第二节无线模块电路的构成 由于是传感器的课程设计，其重点不在无线模块上，故采用了现成无线模块nRF24L01，其电路图如下：图3.2.1 无线模块NRF24L01电路原理图第三节整体电路的设计 用单片机控制温度传感器采集显示温度值，所以需要自己设计52单片机最小系统，以及数码管等显示电路。其具体电路图如下：图2.4.3单片机最小系统电路原理图图2.4.1数码管显示电路原理图第四章系统程序的调试和实物结果第一节系统程序的构成概述 本说明书主要针对的是DS18B20温度传感器原理的概述，所以基于单片机的程序设计主要

18、是为了验证DS18B20测温的可行性。本程序主要由无线模块驱动、DS18B20驱动和温度值显示等程序构成。其基本程序构成如下：图4.1.1 发射部分电路程序主体设计图4.1.2接收部分电路程序主体设计第二节系统实物测量结果经过一周的准备终于将电路搭建完成，并经过两天的时间将程序调试通过，下面是实际显示温度电路。如下图所示：图4.2.1 两个温度值初始显示 图4.2.2经手指触摸后温度显示第四章 课程设计的体会与收获第一节 体会和收获经过近两周的紧张忙碌，我们的课程设计也几近结束。此次课程设计，我们不仅实现了软件平台上的仿真，而且还做出了实物，经过调试改进，实现了一些硬件功能。理论联系实际，让我

19、们在实践中去更好的理解和运用我们所学到的知识，获益匪浅。在此设计期间，老师给了我们很大的帮助，衷心感谢我们的指导教师张老师，老师在设计和调试的各个阶段给了我们很大的宝贵意见和悉心指导。同时感谢我们的小组成员，大家发挥各自所长，分工协作，使我们的设计能够有条不紊，高效率的进行，团队合作给了我们设计很大的推动力。在课设中我也学习到了团队的作用，只有不断的学习，不断的去思考，不断的去寻求答案，不断的去实践，你才会真的掌握一种技术。感谢老师这几天的指导，感谢这几天和我一起完成课设的同学们。我将会铭记这次宝贵的经验和这几天所有得到的快乐。第二节参考文献1. 谭浩强. C程序设计.清华大学出版社M.20062. 郭天祥.新概念51单片机C语言教程.入门、提高、开发M.电子工业出版社.20093. 付聪，付慧生，李益青. 基于nRF24L01的无线温度采集控制系统的设计J.工矿自动化2010(1):73-754. 于永.51单片机C语言常用模块与综合系统设计实例精讲M.北京：电子工业出版社，20085. 张越等.基于DS18B20温度传感器的数字温度计J.微电子学，20076. 唐文彦. 传感器.机械工业出版社M.20077. 李科杰.新编传感器技术手册M.国防工业出版社.2002