DS18B20温度传感器巡回检测温度报警器设计

1DS18B20温度传感器巡回检测温度报警器设计摘要：随着电子技术的发展，家用电器和办公设备的智能化、系统化已成为发展趋势，而这些高性能几乎都要通过单片机实现。同时，温度作为与我们生活息息相关的一个环境参数，对其的测量和研究也变得极为重要。故温度检测报警系统在现代生活、生产中得到了越来越广泛的应用。本论文介绍了采用温度传感器DS18B20作为温度采集器、AT89S51单片机为主控制器，外加显示模块以及报警电路实现该智能温度测量报警器的设计方法、工作原理、电路组成等。关键词：DS18B20，单片机，温度控制，报警1绪论温度是与人们生活息息相关的环境参数，许多情况下都需要进行温度测量及报警，温度测量报警系统在现代日常生活、科研、工农业生产中已经得到了越来越广泛的应用。所以对温度的测量报警方法及设备的研究也变得极其重要。随着人们生活水平的不断提高以及应对各种复杂测量环境的需要,我们对温度测量报警器的要求也越来越高，利用单片机来实现这些控制无疑是人们追求的目标之一，它带给我们的方便是不可否定的。其中温度检测报警器就是一个典型的例子。要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施,就需要从单片机技术入手，向数字化，智能化控制方向发展。本设计所介绍的温度报警器，可以设置上下限报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。与传统的温度测量系统相比，本设计中的数字温度测量报警系统具有很多前者没有的优点，如测温范围广而且准确，采用LCD数字显示，读数方便等。1.1温度报警器的研究意义随着电子技术的发展，家用电器和办公设备的智能化、系统化已成为趋势，而这些高性能几乎都要通过单片机实现。同时，温度作为与我们生活息息相关的一个环境参数，对其的测量和研究也变得极为重要。故温度检测报警系统在现代生活、生产中得到了越来越广泛的应用。2工业生产带动了人类社会的进步，同时也促进了各种新的传感器的发展。在工业生产中温度的准确测量是一个比较困难的事情。从最初的酒精、水银温度计到现在的数字化、集成化的温度计可见传感器的发展是飞快的。它的快速发展必将带来新一轮的工业化革命和社会发展的飞跃。本设计所介绍的温度报警器可以设置上下限报警温度，当温度不在设定范围内时可以报警，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用。它具有结构简单,不需外接元件,可由用户设置温度报警界限等特点,可广泛用于食品库、冷库、粮库等需要控制温度的地方。目前,该类产品已在温控系统中得到广泛的应用。所以设计意义较为深远。1.2温度报警器的现状及发展温度是一种在生产、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。其测量控制一般采用各式各样形态的温度传感器。根据它们在讯号输出方式上的不同可以分为模拟温度传感器和数字温度传感器。单片机技术的出现则是为现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，目前，单片机以其体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、可靠性高、性价比高、开发较为容易等特点，在工业控制、数据采集、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到了极为广泛的应用，并已走入我们的日常生活，现在，随处都可以看到单片机的踪影。目前温度报警器的发展已经比较成熟了，它能帮助我们实现想要的温度控制，解决身边的很多问题。1.2.1智能温度传感器智能温度传感器(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，其智能化程度也取决于软件的开发水平。31.2.2传感器发展趋势现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器，它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。近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段；(1)传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；(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硬件设计2.1总体设计方案本设计是一个基于单片机的温度测量电路，传统的温度检测系统采用热敏电阻等温度敏感元件，热敏电阻虽然成本低，但是需要后续信号处理、A/D转换处理等才能将温度转换成数字信号，不但电路复杂，可靠性和精度也相对较低，在应用中还需要解决引线误差补偿、干扰等问题，故传统方案不可取。进而非常容易考虑到使用温度传感器，在单片机电路设计中，单片机除了可以测量电信号外，还可以用于温度、湿度等非电信号的测量，能独立工作的单片机温度检测、温度控制系统已经广泛的应用于很多领域。单片机的接口信号是数字信号，要用单片机作为控制器测量温度这类非电信号，就要使用温度传感器将温度信息转换为电流或者电压信号输出，如果转化的信号是模拟信号，还需要进行A/D转化，以满足单片机接口的需要。进一步联想到可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，成功地进行温度采集以后，就可以利用单片机进行数据处理，然后通过LCD将温度显示出来，就可以满足设计要求。硬件部分设计主要包括：测温电路、传感器电路及测温电路与单片机的接口、报警电路与单片机的接口等组成的。本设计中，温度传感器采用DS18B20，控制器采用AT89S51，显示电路采用LED数码管显示器实现，总体方框图如下：4图3.1总体方框图在研究出总体设计方案后，在这一阶段主要的主要工作是查阅各芯片资料，熟悉其功能特性和技术参数，同时学习PROTELDXP软件，用其绘制出硬件原理图，然后继续分析各结构，查阅国内外相关技术资料，查缺补漏，反复修改设计方案，力求完美；通过原理图绘制PCB图；制作PCB板，购买所需元件，完成硬件方面的设计。2.2系统器件的选择2.2.1单片机的选择AT89S系列的单片机是能用下载线进行在线编程的ISP，使用简单的HC244电路，就可以通过电脑上面的程序来进行对单片机的编程,是无须拆下来放到笨重的编程器上面写片子的。AT89C系列则没有这个功能并且C系列无法调试。2.2.2温度传感器的选择本设计主要应用在机房、粮仓等地，测量温度在-20到+75摄氏度之间，ds18b20温度测量范围从-55到+125摄氏度，精度为±0.5°C，适合设计要求，所以传感器选择ds18b20温度传感器。2.2.3显示模块的选择1601显示一行的16个字符，1602显示两行的16个字符,1602海可以显示汉字，满足设计要求，所以选择LCD1602显示模块。2.3传感器模块DS18B20温度传感器是该系统的关键器件，本设计采用的DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一款改进型智能温度传感器，它集温度测量、A/D转换为一体，其温度测量范围从-55OC到+125OC，精度为±0.5°C，可在1秒钟内把温度变换成数字。DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，也就是说，它具有独特的单总线接口，仅需要占用一个I/O端口即可以5完成与微处理器间的通信，占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路，为读写以及温度转换带来方便，同时，它可以从数据线本身获得能量，不需要外接电源；它支持3V～5.5V的电压范围,使系统设计更灵活、方便;其工作电源既可在远端引入,也可采用寄生电源方式产生；此外，与传统的热敏电阻等测温元件相比，DS18B20能直接读出被测量的温度，并且可以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，它可在1秒钟内把温度变换成数字；由DS18B20组建的温度测量单元体积小,便于携带和安装。同时，DS18B20可以直接与单片机连接,无需后接A/D转换,控制简单；还有，它具有负压特性，电源极性接反时，仅仅是不能正常工作，但温度计不会因发热而烧毁。Ds18b20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。整体来说DS18B20的性能是新一代产品中最好的,性能价格比也非常出色，所以我们选择它来作为设计部件。2.3.1注意事项：Ds18b20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中叶应注意以下几个方面的问题：1在对ds18b20进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。2当单总线上所挂ds18b20超过8个小时，就需要解决微处理器的总线驱动问题。3在用ds18b20进行长距离测温系统设计是要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。Ds18b20从测温结束到将温度值转换成数字量需要一定的转换时间。图2.2DS18B20的外观图图2.3DS18B20内部结构框图6图2.4DS18B20引脚分布图DS18B20的主要技术指标如下：测量范围：-55OC—+125OC；测量精度：0.5OC；反应时间=500ms。2.3.2引脚功能2、DQ：数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用在寄生电源下，此引脚可以向器件提供电源；漏极开路,常态下为高电平.通常要求外接一个约5kΩ的上拉电阻。3、VDD：外接供电电源输入端引脚。电压范围:3~5.5V；当工作于寄生电源时，此引脚必须接地在本系统中用外接电源，DQ接到AT89S51的P2．0端，R1为信号和5V电源之间的上拉电阻。在实际中，若需要多点检测是，可在单总线上挂多个DS18B20,但超过8个是要考虑驱动问题，软件设计也变得复杂多了同事要考虑DS18B20单总线的长度问题，一般不超过50M，为实现更远程的控制，可以考虑把系统设计成无线系统，以突破DA18B20单总线的长度限制。表2.1主要温度与转换后输出的数字对应值表温度/OC二进制表示十六进制表示+125000001111101000007D0H+8500000101010100000550H+25.062500000001100100000191H+10.125000000001010000100A2H+0.500000000000010000008H7000000000000000000000H-0.51111111111111000FFF8H-10.1251111111101011110FFE5H-25.06251111111001101111FE6FH-551111110010010000FC90H（a）寄生电源工作方式（b）外接电源工作方式2.3.3ds18b20ROM指令表指令约定代码功能读ROM33H读DS1820温度传感器ROM中的编码（即64位地址）符合ROM55H发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的DS1820使之作出响应，为下一步对该DS1820的读写作准备。搜索ROM0FOH用于确定挂接在同一总线上DS1820的个数和识别64位ROM地址。为操作各器件作好准备。跳过ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS1820发温度变换命令。适用于单片工作。告警搜索命令0ECH执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。82.4主控制器模块AT89S51AT89S51是整个系统的核心处理器，单片机首先把通过传感器测到的现场温度与预先设置的温度进行比较，如果大于或小于预先设置值，就输出信号去控制加热器的工作，从而实现温度控制。At89s51还负责液晶显示、报警以及与上位机进行通信等工作。AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能位微处理器,俗称单片机。图3.6AT89S51单片机AT89S51的特点：1、系统可编程特性：创造了单片机学习开发系统的先例，可