基于DS18B20的矿用温度测量仪设计.docx

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基于DS18B20的矿用温度测量仪设计

摘要

本次设计的矿用温度仪系统主要包括DS18B20实时测量温度和红外发射接受静态显示温度两个部分。

整个系统的设计采用以STC89C52为控制核心，以四位共阳极数码管为显示部分，能够完全的矿井下的温度正确的测量和清晰地显示出来。

在系统开始运行时，默认的是采用DS18B20为温度测量部分，因为它能够实时的把矿井下的温度测量并显示出来。

由于DS18B20本身的误差，会导致测出的温度值和实际的温度值有些偏差。

此时红外遥控发射和接受的作用就是用来补偿校正数码管所显示的温度值。

红外遥控可以增加和减少所显示的温度值，校正为环境实际的温度值。

校正后的温度值也可以随着环境的温度变化而变化。

这样的设计就补偿了系统采用单一的温度传感器所产生的误差，是系统设计更精准，更可靠。

矿井下的环境温度准确可靠地显示是矿井作业安全可靠地进行，从而也使矿井下的工作人员的生命安全得到了更稳妥的保障。

关键词：

单片机；DS18B20传感器；红外发射接收；矿用温度仪

Abstract

Theminetemperaturemeterofthisdesignsystemmainlyincludesreal-timemeasuringtemperatureDS18B20andinfraredemissionacceptstaticdisplaytemperatureoftwoparts.ThedesignofthewholesystemadoptstheSTC89C52ascontrolcenter,inpartfourdigitaltubetoshowthetotalanode,itcancompletelymeasurecorrectlytemperatureunderthemineandclearlydisplay.Whensystemrunning,thedefaultistouseDS18B20astemperaturemeasurement,becauseitcanrealtimetemperaturemeasurementunderthemineanddisplayed.DuetotheerrorofDS18B20itself,willleadtosomedeviationofthemeasuredtemperaturevalueandtheactual.Atthispointisthetransmissionandreceptionofinfraredremotecontrolfunctionisusedtocompensatetemperaturecorrection,assuggestedbythedigitaltube.Infraredremotecontrolcanincreaseanddecreasetemperature,shownbythecorrectionfortheenvironmenttheactualtemperaturevalue.Aftercorrectionoftemperaturecanalsochangeswiththetemperaturechangeoftheenvironment.Suchdesigncompensationsystemadoptstheerrorproducedbyasingletemperaturesensor,thesystemdesignismoreaccurateandmorereliable.Mineundertheambienttemperatureisaccurateandreliabletoshowmineoperationsafeandreliablemanner,thusmakeundergroundstaff'slifegotmorereliableguarantee.

Keywords:

single-chipmicrocomputertemperaturesensorInfraredemissionreceivemining

1绪论

1.1设计背景和目的

现在温度控制成为人们日常生活中的重要组成部分，人们使用温度计来采集温度，通过人工操作加热、通风和降温设备来控制温度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。

即使有些用户采用半导体二极管作温度传感器，但由于其互换性差，效果也不理想。

在矿井行业中对温度的要求较高，由于工作环境温度不合理而引发的事故时有发生。

为了避免这些缺点，需要在某些特定的环境里安装数字温度测量及控制设备。

本设计由于采用了MCS-51单片机对温度进行控制，以其测量精度高，操作简单。

可运行性强，价格低廉等优点，特别适用于生活，医疗，工业生产等方面的温度测量及控制。

本系统采用STC89C52单片机为控制器核心，控制温度的采集，数据处理和温度显示。

这样的控制系统几乎能够满足矿井下的温度测量要求。

但是环境有时候很恶劣，会影响到系统的相关功能，所以本系统又加了红外发射和接受的温度控制的一个补偿系统，能够在温度传感器DS18B20测量不精确的情况下，还能够通过红外发射和接受校正显示温度。

运用红外温度显示的前提条件必须是知道当前的温度，通过遥控器向系统发射温度编码，使温度能够在本系统上显示，使所有的人能够了解到矿井下此时准确的温度，以便矿井下的工作人员能够及时的做出相应的工作活动。

本系统的设计的具体实现方法还必须结合实际的矿井下的环境来设计。

不同的环境情况不同，所以采用的具体方法也不一样。

但是为了最根本的目的，就是为了准确的测量出矿井下的温度，就必须要求所设计的系统必须准确及时的测量温度，而且还必须清晰地显示出来。

这样的性能优良的系统才能够被应用于矿井下的温度测量和显示。

1.2国内外发展趋势

随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步。

温度测量系统主要由两部分组成，一部分是传感器，它将温度信号转换为电信号。

另一部分是电子装置，它主要完成对信号的接收、处理、对测点进行控制、温度显示等功能。

对应于不同的温度段及测量精度要求，测温装置也不尽相同，从传感器方面看，己出现有各种金属材料、非金属材料、半导体材料制成的传感器，也有红外传感器。

仪器本身也趋向小型化，多采用集成度较高的芯片或元件组成电路。

对于测点较多，并具有报警、巡测、控制等多功能测温装置，一般采用单片机电路。

目前的温度检测技术原理很多，大致包括以下几种:

（1）物体热胀冷缩原理

（2）热电效应（3）热阻效应（4）利热辐射原理。

传统的温度传感器（如,热电偶、铂电阻、双金属开关等）虽然有着各自不可替代的优点,但由于自身因自热效应影响了测量精度,从而制约了它们在微型化高端电子产品中的应用。

与之相比较,半导体温度传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低、时间常数小、自热温升小、抗干扰能力强等诸多优点,无论是电压、电流还是频率输出,在相当大的温度范围内（-55～150℃）都与温度成线性关系,适合在集成电路系统中应用。

目前,半导体温度传感器工作的温度范围还限于-50～150℃。

未来主要的研究方向将是如何扩大它的温度适用范围,以及智能化、网络化等方面。

近年来，在温度检测技术领域中，多种新的检测原理与技术的开发应用己取得了具有实用性的重大进展。

新一代温度检测元件正在不断出现和完善，主要包括以下几种：

（1）晶体管温度检测元件。

（2）集成电路温度检测元件。

（3）核磁共振温度检测器。

（4）热噪声温度检测器。

（5）石英晶体温度检测器。

（6）光纤温度检测器。

（7）激光温度检测器。

目前国内外的温度控制方式越来越趋向于智能化，温度测量首先是由温度传感器来实现的。

测温仪器由温度传感器和信号处理两部分组成。

温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电的或其它形式的信号,传递给信号处理电路进行信号处理转换成温度值显示出来。

温度传感器随着温度变化而引起变化的物理参数有:

膨胀、电阻、电容、热电动势,磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。

随着生产的发展,新型温度传感器还会不断出现,目前,国内外通用的温度传感器及测温仪大致有以下几种:

热膨胀式温度计、电阻温度计、热电偶、辐射式测温仪表、石英温度传感器测温仪。

1.3温度检测的主要方法

温度的测量方法多采用集成的半导体模拟温度传感器，传感器输出的电压或电流与温度在一定范围呈线性关系。

通过放大，采样得到被测量。

另一种温度测量方法是使用热电偶，其测量精度较高，但测试过程复杂，测量时间长，而且采用电桥测量的系统抗干扰能力较差，误差较大。

随着集成电路技术的迅速发展，新型的数字化温度传感器其精度、稳定性、可靠性及抗干扰能力都优于模拟的温度传感器。

数字温度传感器也越来越的到广泛的应用。

温度检测的方法根据敏感元件和被测介质接触与否，可以分为接触式与非接触式两大类。

接触式检测的方法主要包括基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度检测仪表；基于热电效应的热电偶温度检测仪表。

非接触式检测方法是利用物体的热辐射特性与温度之间的对应关系，对物体的温度进行检测，主要有亮度法、全辐射法和比色法等。

接触式测温是使测温敏感元件与被测介质接触，当被测介质与感温元件达到热平衡时，感温元件与被测介质的温度相等。

这类传感器结构简单、性能可靠、精度高、稳定性好、价格低、应用十分广泛，因此，本方案采用接触式测温法，选用相关类型的传感器。

由单片机组成的温度测控系统,通过在单片机外部添加各种接口电路，可构成单片机最小系统，用以实现对温度控制对象的温度的显示和控制。

同时也能根据实际情况实现多路巡回检测、数据处理、报警及记录,对各个参数以一定的周期进行检查和测量,检测的结果经计算机处理后进行显示、打印和报警,以提醒操作人员直接用于生产控制。

2系统的总体设计

本系统采用MCS-51单片机作为控制芯片，采用智能集成温度传感器DS18B20采集温度信号。

通过对温度传感器DS18B20的软件编程实现对数字温度信号的获取、转换。

之后通过STC89C52的控制系统，使得获取的温度信号在数码管上清晰、准确的显示出来。

本系统的设计考虑到所使用的环境，在用智能集成温度传感器DS18B20测量温度的基础上，又加了一个后备的红外遥控温度显示。

也就是在考虑到智能集成温度传感器DS18B20可能测温不准确或者失效的话，有关人员在知道温度的前提下，通过红外遥控器给系统发射信号，系统把接收到的信号处理后，使发射的在数码管上显示。

另外本系统的供电系统采用把220V的交流电压转换成系统所需要的稳定的直流5V电压。

系统功能由硬件和软件两大部分协调完成,硬件部分主要完成传感器信号的采集处理,信息的显示等;软件主要完成对采集的温度信号进行处理及显示控制等功能。

系统结构框图如图2-1所示。

图2-1系统结构框图

2.1系统硬件设计方案

单片机应用系统的硬件电路设计就是为本单片机温控系统选择合适的、最优的系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如DS18B20测量电路、数码管显示电路、复位电路、USB接口电路、红外接收电路、直流5V稳压电路等。

系统设计应本着以下原则：

（1）尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。

本设计采用了典型的显示电路为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。

（2）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。

软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。

由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间。

（3）系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。

系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。

2.1.1直流5V稳压

直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成，变压器把市电交流电压变成为直流电；经过滤波后，稳压器在把不稳定的直流电压变为稳定的直流电流输出。

本设计主要采用单路输出直流稳压，构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电变为稳定的直流电，并实现固定输出电压5V。

2.1.2控制芯片选择

单片机就是在一块硅片上集成了微处理器、存储器和各种输入输出接口电路的微型计算机，简称单片机。

单片机以其较高的性能价格比受到了人们的重视和关注。

它的优点就是体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。

单片机根据其基本操作处理的位数可分为4、8、16、32位单片机，应用最为广泛的是八位单片机。

根据本次设计的实际情况和要求，在本次设计中采用STC89C52作为系统的控制芯片。

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

具有以下标准功能：

8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。

另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

2.1.3温度传感器选择

美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持"一线总线"接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。

全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。

使你可以充分发挥“一线总线”的优点。

目前DS18B20批量采购价格仅10元左右。

在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。

另外一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。

因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案，新型数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。

新的"一线器件"DS18B20体积更小、适用电压更宽、更经济。

DS18B20支持"一线总线"接口，测量温度范围为-55°C～+125°C，在-10～+85C范围内，精度为±0.5°C。

DS1822的精度较差为±2°C。

现场温度直接以"一线总线"的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

适合于恶劣环境的现场温度测量，如：

环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

与前一代产品不同，新的产品支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。

而且新一代产品更便宜，体积更小。

2.1.4红外接收选择

红外遥控系统主要由遥控发射器、一体化接收头、单片机、接口电路组成，如图2-2所示。

图2-2遥控器原理框图

遥控器用来产生遥控编码脉冲，驱动红外发射管输出红外遥控信号，遥控接收头完成对遥控信号的放大、检波、整形、解调出遥控编码脉冲。

遥控编码脉冲是一组串行二进制码，对于一般的红外遥控系统，此串行码输入到微控制器，由其内部CPU完成对遥控指令解码，并执行相应的遥控功能。

使用遥控器作为控制系统的输入，需要解决如下几个关键问题：

如何接收红外遥控信号；如何识别红外遥控信号以及解码软件的设计、控制程序的设计。

本设计中发射端采用专用的发射芯片来实现红外遥控码的发射，且遥控码格式是NEC标准。

接收端采用市面上流行的1838一体化红外接收头，接收到的红外信号经由1838接收头完成光/电转化和解调的工作，然后把33位的完整码发送到解码芯片中去完成解码工作。

2.1.5温度LED显示

在单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（LCD）。

考虑到成本这一方面，所以在满足条件的前提下，选择LED来作为实际的温度显示是必然的。

另一方面矿井下的温度显示还必须能够清晰，选择LED来显示要比选择液晶显示器要清晰的多。

综合来说采用LED作为系统的数据显示器具有价格低、性能稳定和响应速度快等特点。

LED显示方式有静态显示、动态显示。

所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。

这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路就可以了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码。

使用这种方法CPU的开销小，控制程序简单，但占用较多的硬件资源。

动态扫描显示动态扫描显示是单片机中应用最为广泛的一种显示方式。

其接口电路是把所有显示器的8个笔划段da～dp同名端连在一起，而每一个显示器的公共极com各自独立地受I/O线控制。

CPU向字段输出口送出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，但究竟是哪个显示器亮，则取决于com端，而这一端是由I/O控制的，因此就可以自行决定何时显示哪一位了。

所谓动态扫描就是指采用分时的方法，轮流控制各个显示器的com端，使各个显示器轮流点亮。

在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的（约1ms），但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。

静态显示稳定性会高很多，但成本高，动态扫描显示成本低一些，稳定性也要差一些。

但就本设计来说，选择LED动态显示可以满足要求的。

2.1.6PCB制作

PCB电路板，又称板印制电路板、印刷电路板、印刷线路板，简称印制板，英文简称PCB（printedcircuitboard）或PWB（printedwiringboard），以绝缘板为基材，切成一定尺寸，其上至少附有一个导电图形，并布有孔（如元件孔、紧固孔、金属化孔等），用来代替以往装置电子元器件的底盘，并实现电子元器件之间的相互连接。

本系统的设计考虑到应用的环境的恶劣，所以选择稳定性很好的PCB来作为系统的基础。

选择PCB有以下优点：

PCB为元器件、零部件、引入端、引出端、测试端等提高固定和装配的机械支撑点；实现元器件、零部件、引入端、引出端、测试端等之间的电气连接良好，且满足电气特性要求；为电子设备的集成化、微型化、生产的自动化提供良好的发展空间；为电子设备的装配、维护提供方便。

2.2系统软件设计方案

本系统的软件设计主要设计两个方面：

DS18B20的温度测量部分和红外遥控接收部分。

设计时先设计了各个部分的程序，在实现了各个部分的相应功能后，要把这两块程序整合到一块。

通过对STC89C52一个管脚的检测，跳转到不同的程序，从而执行不同的温度显示过程。

默认情况下执行的是DS18B20的测量温度程序，在P2.0是低电平的情况下，数码管上会显示零。

只有在接收到遥控器发射的情况下才会执行红外接收程序，把发射的编码通过程序处理在数码管上显示。

2.2.1DS18B20程序

DS18B20的温度测量程序关键是对时间的处理。

主机使用时间隙来读写DS18B20的数据位和写命令字的位。

它的主要过程：

初始化；跳过读序列号；启动温度转换；再次初始化；跳过读序列号；读温度寄存器的内容；读出温度的低位LSB和温度的高位MSB；温度转换，调用显示函数。

2.2.2红外处理程序

在接收到遥控器发射的信号后，首先要识别此信号的有效性，必须有9ms的低电平和4.5ms的高电平的引导码信号，只要满足此条件就开始接受和处理后面的32位数据。

这32位数据，也就是四个字节。

第一个八位是用户码，第二个八位是用户反码，第三个八位是键数据，第四个八位是键数据反码。

反码主要是识别发射信号的准确性。

只要第三个八位与第四个八位取反后的结果相等，则进行数据的存储，然后就是对不同的编码信号进行选择处理，之后就可以在数码管上显示所发射的键数据了。

3系统的硬件设计

3.1直流5V稳压电路

本设计的关键，也是最根本的部分。

如何给系统提供最基本的5V电压，设计采用把交流电220V转换成5V直流电压，它能给系统提供稳定的电能。

本设计的是直流5V稳压供电系统。

3.1.1系统设计

稳定直流源设计的一般思路是让输入电压先通过电压变压器，再通过整流网络，然后经过滤波网络最后经过稳压网络。

方案1.我们可以采用以桥式整理电路实现整流的目的，以大电容作为滤波电路，然后接负载。

但是这样做有以下不足之处，如负载的影响很大，电压不可调以及没有保护电路等一下列问题。

我们采用某些芯片，可以解决以上的问题。

方案2.以全波整流电路作为整流网络，以极性电容作为滤波网络，采用固定式三端集成稳压电路7805和7905设计制作连续可调的双极型直流稳压电源。

如图3-1所示，220V（幅值311V）50Hz市电经变压器220:

25输出两组独立的25V交流，经桥堆整流、大电容滤波后分别经过集成稳压块LM7805C与LM7905C作用得到±5V的直流输出。

稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，如图3-1所示。

图3-1直流电源系统方框图

电源变压器：

将电网提供的220V交流电压转换为各种电路设备所需的交流电压。

整流电路：

利用单向导电器件将交流电转换成脉动直流电路。

滤波电路：

利用储能元件（电感或电容）把脉动直流电转换成比较平坦的直流电。

稳压电路：

利用电路的调整作用使输出电压稳定的过程称为稳压。

3.1.2稳压器质量指标

稳压电源的技术指标分为两种：

一种是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数、输出电阻、温度系数及纹波电压等。

（1）电压调整率SV

电压调整率是表征稳压器稳压性能的优劣的重要指标，又称为稳压系数或稳定系数，它表征当输入电压VI变化时稳压器输出电压VO稳定的程度，通常以单位输出电压下的输入和输出电压的相对变化的百分比表示。

（2）电流调整率SI

电流调整率是反映稳压器负载能力的一项主要自指标，又称为电流稳定系数。

它表征当输入电压不变时，稳压器对由于负载电流（输出电流）变化而引起的输出电压的波动的抑制能力，在规定的负载电流变化的条件下，通常以单位输出电压下的输出电压变化值的百分比来表示稳压器的电流调整率。

（3）纹波抑制比SR

纹波抑制比反映了稳压器对输入端引入的市电电压的抑制能力，当稳压器输入和输出条件保持不变时，稳压器的纹波抑制比常以输入纹波电压峰-峰值与输出纹波电压峰-峰值之比表示，一般用分贝数表示。

3.1.3稳压的相关组成

（1）滤波电路

经整流后的电压仍具有较大的交流分量，必须通过滤波电路将交流分量滤掉。

尽量保留其输出中的直流分量，才能获得比较平滑的直流分量。

利用电容两端电压不能突变或流经电感的电流不能突变的特