DSB温度传感器课程方案设计书Word下载.docx
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关键词:
单片机AT89C51、DS18B20温度传感器、液晶显示LCD1602
二、内容
课程设计题目
基于DS18B20的温度传感器
课题的背景
在人类的生活环境中,温度扮演着极其重要的角色,都无时无刻不在与温度打交道。
自18世纪工业革命以来,工业发展与是否掌握温度有着紧密的联系。
在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业,可以说几乎%80的工业部门都不得不考虑着温度的因素。
温度对于工业如此重要,由此推进了温度传感器的发展。
1.1传感器三个发展阶段:
一是模拟集成温度传感器。
该传感器是采用硅半导体集成工艺制成,因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。
此种传感器具有功能单一(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、微功耗等特点,适合远距离测温、控温,不需要进行非线性校准,且外围电路简单。
它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器,典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。
二是模拟集成温度控制器。
模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器,典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。
某些增强型集成温度控制器(例如TC652/653)中还包含了A/D转换器以及固化好的程序,这与智能温度传感器有某些相似之处。
但它自成系统,工作时并不受微处理器的控制,这是二者的主要区别。
三是智能温度传感器。
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,当然,其智能化程度也取决于软件的开发水平。
1.2温度传感器的发展趋势
进入21世纪后,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。
1.3传感器在温控系统中的应用
目前市场主要存在单点和多点两种温度测量仪表。
对于单点温测仪表,主要采用传统的模拟集成温度传感器,其中又以热电阻、热电偶等传感器的测量精度高,测量范围大,而得到了普遍的应用。
此种产品测温范围大都在-200℃~800℃之间,分辨率12位,最小分辨温度在0.001~0.01之间。
自带LED显示模块,显示4位到16位不等。
有的仪表还具有存储功能,可存储几百到几千组数据。
该类仪表可很好的满足单个用户单点测量的需要。
多点温度测量仪表,相对与单点的测量精度有一定的差距,虽然实现了多路温度的测控,但价格昂贵。
针对目前市场的现状,本设计提出了一种可满足要求、可扩展的并且性价比高的单片机多路测温系统。
2、课程设计目的
通过基于MCS-51系列单片机AT89C51和DS18B20温度传感器检测温度,熟悉芯片的使用,温度传感器的功能,数码显示管的使用,汇编语言的设计;
并且把我们这一年所学的数字和模拟电子技术、检测技术、单片机应用等知识,通过理论联系实际,从题目分析、电路设计调试、程序编制调试到传感器的选定等这一完整的实验过程,培养了学生正确的设计思想,使学生充分发挥主观能动性,去独立解决实际问题,以达到提升学生的综合能力、动手能力、文献资料查阅能力的作用,为毕业设计和以后工作打下一个良好的基础。
3、设计任务和要求
以MCS-51系列单片机为核心器件,组成一个数字温度计,采用数字温度传感器DS18B20为检测器件,进行单点温度检测,检测精度为±
0.5摄氏度。
温度显示采用LCD1602显示,两位整数,一位小数。
4、正文
(一)、方案选择与论证
根据设计任务的总体要求,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:
(1)、温度传感模块
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。
温度传感模块仿真图
(2)、显示模块
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,但所需的元件较多,且不容易进行操作,可读性差,一旦设定后很难再加入其他的功能,显示格式受限制,且大耗电量大,不宜用电池给系统供电。
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,只需将软件作修改即可,可操作性强,也易于读数,采用RT1602两行十六个字符的显示,能同时显示其它的信息如日期、时间、星期、温度。
综上分析,我们采用了第二个方案
显示模块仿真图
三、系统的具体设计与实现
(1)、系统的总体设计方案
采用AT89S52单片机作为控制核心对温度传感器DS18B20控制,读取温度信号并进行计算处理,并送到液晶显示器LCD1602显示。
按照系统设计功能的要求,确定系统由3个模块组成:
主控制器、测温电路和显示电路。
数字温度计总体电路结构框图如图下所示。
(2)、硬件电路设计
a、单片机控制模块
该模块由AT89C51单片机组成在设计方面,AT89C51的EA接高电平,其外围电路提供能使之工作的晶振脉冲、复位按键,四个I/O分别接8路的单列IP座方便与外围设备连接。
当AT89C51芯片接到来自温度传感器的信号时,其内部程序将根据信号的类型进行处理,并且将处理的结果送到显示模块,发送控制信号控制各模块。
b、温度传感器模块
DS18B20相关资料
1、DS18B20原理与分析DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。
与传统的热敏电阻相比,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9~12位的数字值读数方式。
可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量,并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写,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DS18B20的测温原理上图所示,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①初始化单总线上的所有处理均从初始化序列开始。
初始化序列包括总线主机发出一复位脉冲,接着由从属器件送出存在脉冲。
存在脉冲让总线控制器知道DS1820在总线上且已准备好操作。
②ROM操作命令一旦总线主机检测到从属器件的存在,它便可以发出器件ROM操作命令之一。
所有ROM操作命令均为8位长。
这些命令如下:
ReadROM(读ROM)[33h]
此命令允许总线主机读DS18B20的8位产品系列编码,唯一的48位序列号,以及8位的CRC。
此命令只能在总线上仅有一个DS18B20的情况下可以使用。
如果总线上存在多于一个的从属器件,那么当所有从片企图同时发送时将发生数据冲突的现象(漏极开路会产生线与的结果)。
MatchROM(符合ROM)[55h]此命令后继以64位的ROM数据序列,允许总线主机对多点总线上特定的DS1寻址。
只有与64位ROM序列严格相符的DS18B20才能对后继的存贮器操作命令作出响应。
所有与64位ROM序列不符的从片将等待
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