方案选择与论1

江西航空职业技术学院毕业设计说明书（论文）温度传感器电路设计专业：航空电子班级：121331学生姓名：唐启睿学号：121331049指导老师：柏万里技术职称：教授2015年4月10日江西航空职业技术学院毕业设计（论文）任务书学生姓名：唐启睿班级：1213311.毕业设计（论文）题目：温度传感器电路设计2.毕业设计（论文）使用的原始资料数据及设计技术要求：本次设计的原始资料数据来源于网络上所搜寻的资料。设计要求是了解并熟悉温度传感器电路的组成和工作原理能够熟练的交接温度床干起的电路和制作。3.毕业设计（论文）工作内容及完成时间：设计该传感器的方法与步骤，相应的计算，记录下初步的数据。从数据中发现问题，并找到解决方法。日期：自_2014_年_12_月_27_日至_2015_年_4_月_15_日指导老师评语：____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________指导老师：_______________系主任：____________温度传感器电路设计唐启睿（江西航空职业技术学院电子与信息工程系，江西南昌330024）内容摘要1.熟悉温度传感器的插脚安排2.掌握温度传感器电路各芯片的逻辑功能和使用方法3.了解温度传感器电路结构以及其接线方式4.了解温度传感器电路组成和工作原理5.熟悉温度传感器电路及制作【关键字】5V电源，DS18B20，单片机AT89S52，共阳8段数码管2个，电阻若干，电容若干，LED灯，电源接头。1方案选择与论证根据设计的总体要求，本系统可以划分为以下几个基本模块，针对各个模块的功能要求，分别有以下一些不同的设计方案：温度传感器模块方案一：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。2、显示模块方案一：采用8位段数码管，将单片机得到的数据通过数码管显示出来。该方案简单易行，程序设计方案二：采用液晶显示器件，液晶显示平稳、省电、美观，更容易实现题目要求，对后续的园艺通兼容性高，但其对程序的设计要求较高，对于编程不太熟悉的我们，难度较大。综上分析，结合自身实际情况，我们采用了第一种方案。3、微控制器模块温度传感器有四种主要类型：热点偶、热敏电阻、电阻温度检测器、IC温度传感器。其中IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。热电偶应用很广泛，因为它们非常坚固而且不太贵。热电偶有多种类型，它们覆盖非常宽的温度范围，从-200℃到2000℃。它们的特点是：低灵敏度、低稳定性、中等精度、响应速度慢、电阻温度检测器精度极高且具有中等线性度。它们特别稳定，并有许多种配置。但它们的最高工作温度只能达到400℃左右。它们也有很大的TC，且价格昂贵(是热电偶的4～10倍)，并且需要一个外部参考源。模拟输出IC温度传感器具有很高的线性度(如果配合一个模数转换器或ADC可产生数字输出)、低成本、高精度(大约1%)、小尺寸和高分辨率。它们的不足之处在于温度范围有限(-55℃～＋150℃)，并且需要一个外部参考源。数字输出IC温度传感器带有一个内置参考源，它们的响应速度也相当慢(100ms数量级)。虽然它们固有地会自身发热，但可以采用自动关闭和单次转换模式使其在需要测量之前将IC设置为低功耗状态，从而将自身发热降到最低。综上方案的比较，数字输出IC温度传感器与热敏电阻、RTD和热电偶传感器相比，具有很高的线性，而且由于技术比较成熟，集成复杂的功能，成本也较低，能够提供一个数字输出，省去A/D转化器的使用，有效较低了系统成本，提高系统稳定性，并能够在一个相当有用的范围内进行温度测量。本实验采用DS18B20作为温度传感器。图3为STC89C52单片机的最小系统图3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：（1）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。（2）在使用中不需要任何外围元件。（3）可用数据线供电，电压范围：+3.0~+5.5V。（4）测温范围：-55-+125℃。固有测温分辨率为0.5℃。（5）通过编程可实现9-12位的数字读数方式。（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。（7）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。（8）负压特性，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。2、DS18B20的测温原理图4DS18B20的测温原理DS18B20的测温原理如图4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6/16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=1250C。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=550C。图6为DS18B20的电路连接图。图63设计原理以及显示电路显示电路采用4位共阳LED数码管，从P3口RXD，TXD串口输出断码DS18B20的性能特点如下1.多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能2.无需外部器件3.可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5V4.零待机功耗5.温度以9或12位数字4总程序本程序使用C语言编写#includereg52.hsbitDQ=P1^3;//定义通信端口chardisp[11]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x40};chardisp_dot[11]={0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef,0xc0};intflag;//正负温度状态标志位voiddelay_18B20(unsignedinti){while(i--);Init_DS18B20(void){unsignedcharx=0;DQ=1;//DQ复位delay_18B20(8);DQ=0;//单片机将DQ拉低delay_18B20(80);//精确延时大于480usDQ=1;//拉高总线delay_18B20(14);x=DQ;//稍做延时后如果x=