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基于DS18B20的温度检测系统-课程设计.docx

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.59M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    《测控系统原理与设计》课程设计报告 课题：温度检测系统 班级 测控 1081 班 学号 1081203134 学生姓名 周 阳 指导教师 庄立运 鲁庆 淮阴工学院 电子与电气工程学院
    班级：测控 1081 班 姓名：周阳 学号：34 课题：温度检测系统 2011 年 12 月 一、 绪论 1.1 课题来源 温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、 生活中需要测量和控制的重要物理量，是国际单位制七个基本量之一，同时它也 是一种最基本的环境参数。人民的生活与环境温度息息相关，物理、化学、生物 等学科都离不开温度。在工业生产和实验研究中，在电力、化工、石油、冶金、 机械制造、大型仓储室、实验室、农场塑料大棚甚至人们的居室里经常需要对环 境温度进行检测，并根据实际的要求对环境温度进行控制。比如，发电厂锅炉的 温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下 才能正常进行。炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分流才能 得到汽油、柴油、煤油等产品；没有合适的温度环境，许多电子设备不能正常工 作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。可见，研究温度的测量 具有重要的理论意义和推广价值。 随着现代计算机和自动化技术的发展，作为各种信息的感知、采集、转换、 传输相处理的功能器件，温度传感器的作用日益突出，成为自动检测、自动控制 系统和计量测试中不可缺少的重要技术工具，其应用已遍及工农业生产和日常生 活的各个领域。本设计就是为了满足人们在生活生产中对温度测量系统方面的需 求。 本设计要求系统测量的温度的点数为 4 个，测量精度为 0.5℃，测温范围为 -20℃～+80℃。采用液晶显示温度值和路数，显示格式为:温度的符号位,整数部 分,小数部分,最后一位显示℃。显示数据每一秒刷新一次。 1.2 课题研究的意义 21 世纪科学技术的发展日新月异，科技的进步带动了测量技术的发展，现 代控制设备的性能和结构发生了巨大的变化，我们已经进入了高速发展的信息时 代，测量技术也成为当今科技的主流之一，被广泛地应用于生产的各个领域。对 于本次设计，其目的在于： 1
    班级：测控 1081 班 姓名：周阳 学号：34 课题：温度检测系统 （1）掌握数字温度传感器 DS18B20 的原理、性能、使用特点和方法，利用 C51 对系统进行编程。 （2）本课题综合了现代测控、电子信息、计算机技术专业领域方方面面的 知识，具有综合性、科学性、代表性，可全面检验和促进学生的理论素养和工作 能力。 （3） 本课题的研究可以使学生更好地掌握基于单片机应用系统的分析与设 计方法，培养创新意识、协作精神和理论联系实际的学风，提高电子产品研发素 质、增强针对实际应用进行控制系统设计制作的能力。 1.3 国内外现状及水平 传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业 生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。温度传感器的发展大 致经历了以下三个阶段:传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；模拟集成温度 传感器／控制器；数字温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向 数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展，同时具有抑制串模干扰能力强、 分辨力高、线性度好、成本低等优点。随着我国四个现代化和经济发展，我国在 科技和生产各领域都取得了飞速的发展和进步，发展以温度传感器为载体的温度 测量技术具有重大意义。 二、 总体方案设计 2.1 方案介绍 本该方案使用了 AT89C51 单片机作为控制核心,以智能温度传感器 DS18B20 为温度测量元件，采用多个温度传感器对各点温度进行检测，通过 4×4 键盘模 块对正常温度进行设置显示电路采用 128×64 LCD 模块，使用 LM386 作为报警电 路中的功率放大器。 如图 2.1 为系统总体框图。 2
    班级：测控 1081 班 姓名：周阳 学号：34 课题：温度检测系统 温度传感器 DS18B20 温度传感器 温度传感器 温度传感器 温度传感器 4×4键盘 单 片 机 LCD 显示电路 集 成 功 放 报 警 器 图 2.1 基于数字温度传感器测量系统框图 本课题采用数字温度传感器 DS18B20 作为测为测温元件,它具有如下特点: （1）只要求一个端口即可实现通信。 （2）在 DS18B20 中的每个器件上都有独一无二的序列号。 （3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。 （4）测量温度范围在－55C 到＋125C 之间。 （5）数字温度计的分辨率用户可以从 9 位到 12 位选择。 （6）内部有温度上、下限告警设置。 三、硬件电路设计 3.1 测温电路 3
    班级：测控 1081 班 姓名：周阳 学号：34 课题：温度检测系统 DS18B20 温度传感器是美国 DALLAS 半导体公司最新推出的一种改进型智能 温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出北侧温度，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。DS18B20 的性 能特点如下： ①独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信； ②多个 DS18B20 可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能； ③无须外部器件； ④可通过数据线供电，电压范围为 3.0~5.5V； ⑤零待机功能； ⑥温度以 9 或 12 位数字量读出； ⑦用户可定义的非易失性温度报警设置； ⑧报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件； ⑨负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作； DS18B20 采用 3 脚 PR-35 封装或 8 脚 SOIC 封装，其内部结构框图如图 3.1 所示。 图 3.1 DS18B20 内部结构图 64 位 ROM 的位结构如图 3.2 所示。开始 8 位是产品类型的编号，接着是每 个器件的惟一的序号，共有 48 位，最后 8 位是前面 56 位的 CRC 检验码，这也是 多个 DS18B20 可以采用一线进行通信的原因。非易失性温度报警器触发器 TH 和 TL，可通过软件写入户报警上下限。 4
    班级：测控 1081 班 姓名：周阳 学号：34 课题：温度检测系统 图 3.2 64 位 ROM 结构图 DS18B20 温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存 RAM 和一个非易失性 的可擦除的 EERAM。高速暂存 RAM 的结构为 8 字节的存储器，结构如图 3.3 所示。 头 2 个字节包含测得的温度信息，第 3 和第 4 字节是 TH 和 TL 的拷贝，是易失的， 每次上电复位时被刷新。第 5 个字节为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的 数字转换分辨率。 DS18B20 工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字 节各位的定义如图 3.4 所示。低 5 位一直为 1，TM 是测试模式位，用于设置 DS18B20 在工作模式还是在测试模式。在 DS18B20 出厂时该位被设置为 0，用户不要改动， R1 和 R0 决定温度转换得精度位数，即用来设置分辨率，定义方法见表 1。 图 3.3 高速暂存 RAM 结构图 图 3.4 配置寄存器 表 1 DS18B20 分辨率的定义规定 5
    班级：测控 1081 班 姓名：周阳 学号：34 课题：温度检测系统 由表 1 可见,DS18B20 温度转换的时间比较长,而且设定的分辨率越高,所需 要的温度转换时间越长。因此,在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。 高速暂存 RAM 的第 6,7,8 字节保存未用,表现为逻辑 1。第 9 字节读出前面所有 8 字节的 CRC 码,可用来检验数据,从而保证通信数据的正确性。 当 DS18B20 接收温度转换命令后,开始启动转换。转换完成后的温度值就以 16 位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第 1,2 字节。单片 机可以 通过单线接口读出数据,读数据时低位在先,高位在后 ,数据格式以 0.0625℃/LSB 形式表示。温度值格式如图 3.5 所示。 图 3.5 温度数据值格式 当符号位 S=0 时,表示测得的温度值为正值,可以直接将二进制位转换为十 进制;当符号位 S=1 时,表示测得的温度值为负值,要先将补码转换为原码,再计 算十进制。表 2 是一部分温度值对应的二进制温度数据。 表 2 DS18B20 温度与测得值对应表 在 64 位 ROM 的最高有效字节中存储有循环冗余检验码(CRC)。主机根据 ROM 的前 56 位来计算 CRC 值,并和存入 DS18B20 的 CRC 值作比较,以判断主机收到 ROM 数据是否正确。 DS18B20 的测温原理如图 3.6 所示。图中第温度系数晶振的震荡频率受温度 的影响很小,用于产生固定频率的脉冲送给减法计数器 1;高温度系数晶振随温 6
    班级：测控 1081 班 姓名：周阳 学号：34 课题：温度检测系统 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 就对低温度系数震荡器产生的时钟 脉冲计数,进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数震荡器来决定, 每次测量前,首先将-55℃所对应的一个基数分别置入减法计数器 1,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 所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 的预置值将被重 新装入,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 数值就是所测温度值。图 3.6 中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线 形性,其输出用于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 到温度寄存器值达到被预测值。另外,由于 DS18B20 单线通信功能是分时完成的, 它有严格的时隙概念,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 ROM 功能命令→发存储器操作命令 →处理数据。 图 3.6 DS18B20 测温原理图 DS18B20 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 3.7 所示. 单片机端口接单线总线,为为保证有效 DS18B20 时钟周期内提供足够的电流,可 7
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