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基于DS18B20的智能温度检测系统.doc
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1、浙江科技学院本科毕业设计(论文)浙 江 科 技 学 院 本科学生毕业设计(论文)题 目 基于DS18B20的智能温度检测系统 系 别 自动化与电气工程学院 专业班级 02自动化A班 姓 名 许 浩 学 号 10241029 指导教师 张 丽 职 称 助 教 2006年 6 月 1 日摘 要:本文主要讨论了当今温度传感器的发展方向,介绍了用单片机控制的、基于数字温度传感器DS18B20的温度测量系统。重点阐述了DS18B20的工作原理、指令系统、单片机与DS18B20之间的接口、数据传递、通信协议,建立了基于DS18B20的单点、多点温度测量系统。最后用RS232总线实现了测温系统与PC机的通讯
2、,实现了温度的实时检测与显示。关键字: DS18B20,多点温度测量,通讯Abstract :After mainly discussing the development direction of current temperature sensor, the paper introduces the temperature measurement system based on the digital temperature sensor DS18B20,which is controlled by 89S52 single chip microcomputer. The working
3、princip1e of the DS18B20, instruction sets, data transmission, the interface and the communication protoco1 between the DS18B20 and single chip microcomputer is expounded specially. The detail design project and concrete implementation of the single and multiple temperature measurement system,which
4、is made up of DS18B20 and 89S52 single chip microcomputer are discussedThe temperature measurement system can communicate with PC by RS232 bus, which can be realized the measurement and display of temperature in the real time in this paper.Keywords:DS18B20, multipoint temperature measurement, commun
5、ication 目录摘 要.I1 绪论.12 几种常用温度传感器的原理及发展 22.1 引言.22.2 传感器的分类.22.3 传感器的原理及发展22.3.1 传统的分立式温度传感器热电偶传感器22.3.2 集成(IC)温度传感器.32.4 智能温度传感器发展的新趋势.52.4.1 提高测温精度和分辨力52.4.2 增加测试功能.52.4.3 总线技术的标准化与规范化.62.4.4 可靠性及安全性设计.62.4.5 虚拟温度传感器和网络温度传感器.72.5 小结.73 DS18B20测温系统的设计.83.1 现实测温遇到的问题83.2 方案论证及比较.83.3 DS1820数字温度传感器的原理
6、与构造93.3.1 DS18B20的内部结构.103.3.2 DS18B20温度传感器的存储器.113.4 DS1820单点测温系统设计.143.4.1 CPU 模块.143.4.2 数据采集模块.153.4.3 显示模块.153.4.4 系统软件设计.153.5 DS18B20多点测温系统的设计.253.5.1 硬件说明.253.5.2 软件设计.254 DS1820测温系统与PC上位机通讯.294.1 RS-232C介绍.294.2 RS232硬件接口设计304.2.1 硬件说明.304.3 程序设计314.3.1 单片机内通信程序的设计.314.3.2 PC 机内通信程序的设计.325
7、总 结38致 谢39参考文献.40附录1.41附录2681 绪 论温度是一个基本的物理量,自然界中的一切过程无不与温度密切相关。随着科学技术的不断进步与发展,温度传感器的种类日益繁多,应用逐渐广泛,并且开始由模拟式向着数字式、单总线式、双总线式和三总线式方向发展。而数字温度传感器更因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端等优点,被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。其中,比较有代表性的数字温度传感器有DS1820、MAX6575、DS1722、MAX6635等。在工业过程控制和检测过程中,
8、温度是最重要的参数之一,很多情况下需要进行温度的现场测量。而在众多的温度传感器中,智能温度传感器DS18B20将温度传感器、A/D转换器、寄存器、接口电路集成在一个芯片中。可实现直接数字化输出、测试及控制功能强、传输距离远、抗干扰能力强、微型化、微功耗、可适配各种微控制器(MCU)或微型计算机进行数据处理及温度控制。在很多智能化的温度传感器中,大多使用同步串行总线技术,如 (Philips)、SMBus (Intel) 、SPI(Motorola)、 Microwire/Plus(NSC)等串行总线协议,而DS18B20采用的是单线(1-Wire)总线协议。单线(1-Wire)是DALLAS公
9、司的一项专有技术,它采用一根信号线实现信号的双向传输,具有接口简单,节省I/O口线,便于扩展和维护等优点。随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现,能够独立工作的温度检测和显示系统已经应用于诸多领域。传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件,热敏电阻成本低,但需要后续信号处理电路,而且热敏电阻的可靠性相对较差,测量温度的准确度低,检测系统的精度差。我们选用了美国DALLAS公司最新推出的DS18B20数字式温度传感器,DS18B20是DS1820的更新产品,它与传统的热敏电阻温度传感器不同,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9
10、3.75ms和750ms内将温度值转化9位和12位的数字量。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单,可靠性更高在本设计中我使用智能温度传感器DS18B20构建温度检测系统,该系统实现了温度的实时检测及监测,检测数据精度高,范围大。2 几种常用温度传感器的原理及发展2.1 引言 科学技术离不开测量。测量的目的就是要获得被测对象的有关物理或化学性质的信息,以便根据这些信息对被测对象进行评价或控制,完成这一功能的器件就我们称之为传感器。传感器是信息技术的前沿尖端产品,被广泛用于工农业生产、科学研究和生等领域,尤其是温度传感器,使用范围广,数量多,居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经历了以下3
11、个阶段:(1)传统的分立式温度传感器(含敏感元件);主要是能够进行非电量和电量之间转换。(2)模拟集成温度传感器/控制器。(3) 智能温度传感器。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。2.2 传感器的分类传感器分类方法很多,常用的有2种:一种是按被测的参数分,另一种是按变换原理来分。通常按被测的参数来分类,可分为热工参数:温度、比热、压力、流量、液位等;机械量参数:位移、力、加速度、重量等;物性参数:比重、浓度、算监度等;状态量参数:颜色、裂纹、磨损等。温度传感器属于热工参数。 温度传感器按传感器于被测介质的接触方式可分为2大类:一类是接触式温度传感
12、器,一类是非接触式温度传感器,接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触,通过热传导及对流原理达到热平衡,这时的示值即为被测对象的温度。这种测温方法精度比较高,并在一定程度上还可测量物体内部的温度分布,但对于运动的、热容量比较小的、或对感温元件有腐蚀作用的对象,这种方法将会产生很大的误差。非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。目前最常用的是辐射热交换原理。此种测温方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象,也可测温度场的温度分布,但受环境的影响比较大。2.3 传感器的原理及发展2.3.1 传统的分立式温度传感器热电偶传感器热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一
13、种温度传感器,它与被测对象直接接触,不受中间介质的影响,具有较高的精确度;测量范围广,可从-50-1600进行连续测量,特殊的热电偶如金铁-镍铬,最低可测到-269,钨-铼最高可达2800。热电偶传感器主要按照热电效应来工作。将两种不同的导体A和B 连接起来,组成一个闭合回路,即构成感温元件,如图2.1所示。当导体A和B的两个接点1和2之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一定大小的电流,这种现象即称为热电效应,也叫温差电效应。热电偶就是利用这一效应进行工作的。热电偶的一端是将A、B两种导体焊接在一起,称为工作端,置于温度为t的被测介质中。另一端称为参比端或自由端,放于温度为t
14、0的恒定温度下。当工作端的被测介质温度发生变化时,热电势随之发生变化,将热电势送入计算机进行处理,即可得到温度值。图2.1热电偶两端的热电势差可以用下式表示:Et=E(t)-E(t0)式中:Et热电偶的热电势E(t)温度为t时的热电势E(t0)温度为t0时的热电势当参比端的温度t0恒定时,热电势只于工作端的温度有关,即Et=f(t)。当组成热电偶的热电极的材料均匀时,其热电势的大小与热电极本身的长度和直径无关,只与热电极的成分及两端的温度有关。2.3.2 集成(IC)温度传感器2.3.2.1 模拟集成温度传感器 集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的,因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模
15、拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的,它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等,适合远距离测温、控测,不需要进行非线性校准,外围电路简单。目前在国内外仍普遍应用的一种集成传感器,下面介绍一种具有高灵敏度和高精度的IC温度传感器AN6701。AN6701的原理图如图2.2所示,它由温度检测电路、温度补偿电路以及缓冲放大器3部分组成。图2.2IC温度传感器的检测电路是利用晶体管对两个发射极的电流密度差产生基极-发射极之间的电压差(VbC)的原
16、理而工作的。图2.3所示为温度检测及温度补偿电路图。图1.2中,T1-T5为检测电路,T8-T11及RC组成的电路产生正比其绝对温度的电流,该电流通过T12和T13注入T7,即可获得对应于注入电流的补偿温度。RC为外接电阻,使传感器的校准比较方便。图2.32.3.2.2 智能温度传感器 传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。目前,国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取
17、存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量,适配各种微控制器(MCU);并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的,其智能化和谐也取决于软件的开发水平。 2.4 智能温度传感器发展的新趋势 21世纪后,智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。2.4.1 提高测温精度和分辨力21世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器,采用的是8位A/D转换器,其测温精度较低,分辨力只能达到1。目前,国外已相继推出多种高速度、高分辨力的智能温度传感器,所用的是91
18、2位A/D转换器,分辨力一般可达0.50.0625。由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器,能输出13位二进制数据,其分辨力高达0.03125,测温精度为0.2。为了提高多通道智能温度传感器的转换速率,也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道智能温度传感器为例,它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27s、9s。2.4.2 增加测试功能温度传感器的测试功能也在不断增强。例如,DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟(RTC),使其功能更加完善。DS1624还增加了存储功能,利用芯片内部256字节的E2PROM存储器
19、,可存储用户的短信息。另外,智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展,这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。传感器都具有多种工作模式可供选择,主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式,有的还增加了低温极限扩展模式,操作非常简便。对某些智能温度传感器而言,主机(外部微处理器或单片机)还可通过相应的寄存器来设定其A/D转换速率(典型产品为MAX6654),分辨力及最大转换时间(典型产品为DS1624)。2.4.3 总线技术的标准化与规范化智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化,所采用总线主要有单线(1-Wire)总线、I2C总线、SMBus总线和SPI总线。温度传感器作为从
20、机可通过专用总线接口与主机进行通信。2.4.4 可靠性及安全性设计A/D转换器大多采用积分式或逐次比较式转换技术,其噪声容限低,抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差。新型智能温度传感器(例如TMP03/204、LM74、LM83)普遍采用了高性能的-式A/D转换器不仅能滤除量化噪声,而且对外围元件的精度要求低;由于采用数字反馈方式,因此比较器的失调电压及零点漂移都不会影响温度的转换精度。这种智能温度传感器兼有抑制串模干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。为了避免在温控系统受到噪声干扰时产生误动作,在AD7416/7417/7817、LM75/76、MAX6625/6626等智能温度传感器
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