远距离室内温度的测量系统燕山大学传感器课程设计.docx

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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：

100℃

2.系统总误差：

±1.0℃

3.环境温度：

25℃±15℃

4.电源波动：

±1℃

5.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].2007

2、李科杰.新编传感器技术手册[M].国防工业出版社.2002

3、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18B20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9～12位的数字值读数方式。

可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，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~+5.5V。

●测温范围：

-55-+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1.2.2DS18B20封装图

图1.2.3DS18B20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，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

①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。

②ROM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：

ReadROM（读ROM）[33h]

MatchROM（符合ROM）[55h]

SkipROM（跳过ROM）[CCh]

SearchROM（搜索ROM）[F0h]

AlarmSearch（告警搜索）[ECh]

③存储器操作命令

WriteScratchpad（写暂存存储器）[4Eh]

ReadScratchpad（读暂存存储器）[BEh]

CopyScratchpad（复制暂存存储器）[48h]

ConvertT（温度变换）[44h]

RecallE2（重新调整E2）[B8h]

ReadPowerSupply（读电源）[B4h]

④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。

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=07D0H╳0.0625=2000╳0.0625=125℃。

例如当DS18B20采集到-55℃的实际温度后，输出为FC90H，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=370H╳0.0625=880╳0.0625=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2.1.1DS18B20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AD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].2006

2.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.2009

3.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）:

73-75

4.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，2008

5.张越等.基于DS18B20温度传感器的数字温度计[J].微电子学，2007

6.唐文彦.传感器.机械工业出版社[M].2007

7.李科杰.新编传感器技术手册[M].国防工业出版社.2002