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DS18B20温度传感器;
单片机
1.前言
在人类的生活环境中,温度扮演着极其重要的角色。
无论你生活在哪里,从事什么工作,无时无刻不在与温度打着交道。
自18世纪工业革命以来,工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。
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。
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。
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,本课题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。
随着科学技术的不断进步与发展,温度控制在工业控制、电子测温计、医疗仪器、家用电器等各种温度控制系统中广泛应用,且由过去的单点测量向多测量发展。
目前温度传感器有模拟和数字两类传感器,为了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,大多数多点测温控制系统采用数字传感器,并大大方便了系统的设计。
比较有代表性的数字温度传感器有DS18B20、MAX6575、DS1722、MAX6635、SMT160-30等。
在传统的温度测量系统设计中,往往采用模拟技术进行设计,这样就不可避免地遇到诸如引线误差补偿、多点测量中的切换误差和信号调理电路的误差等问题;
而其中某一环节处理不当,就可能造成整个系统性能的下降。
随着现代科学技术的飞速发展,特别是大规模集成电路设计技术的发展,微型化、集成化、数字化正成为传感器发展的一个重要方向。
美国Dallas半导体公司推出的数字温度传感器DS18B20,具有独特的单总线接口,仅需要占用一个通用I/0端口即可完成与微处理器的通信;
在-10~+85℃温度范围内具有
0.5℃精度;
用户可编程设定9~12位的分辨率。
以上特性使得DS18B20非常适用于构建高精度、多点温度测量系统。
1.总体方案设计
温度检测系统有则共同的特点:
测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。
若采用一般温度传感器采集温度信号,则需要设计信号调理电路、A/D转换及相应的接口电路,才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。
这样,由于各种因素会造成检测系统较大的偏差;
又因为检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响,会使检测系统的稳定性和可靠性下降。
而为了获得较高的测温精度,就必须采用措施解决由长线传输,多点测量切换及放大电路零点漂移等造成的误差补偿问题。
采用数字温度芯片DS18B20测量温度,输出信号全数字化。
便于单片机处理及控制,省去传统的测温方法的很多外围电路。
且该芯片的物理化学性很稳定,它能用做工业测温元件,此元件线形较好。
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DS1820和微控制器AT89C51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。
这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大,且由于AT89C51可以带多个DSB1820,因此可以非常容易实现多点测量.轻松的组建传感器网络。
采用温度芯片DS18B20测量温度,可以体现系统芯片化这个趋势。
部分功能电路的集成,使总体电路更简洁,搭建电路和焊接电路时更快。
而且,集成块的使用,有效地避免外界的干扰,提高测量电路的精确度。
所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。
本方案应用这一温度芯片,也是顺应这一趋势。
其原理框图为图1
图1温度采集的结构框图
2.硬件电路的设计
本课题研究的多点测温系统是以单片机和单总线数字温度传感器DS18B20为核心,充分利用单片机优越的内部和外部资源及数字温度传感器DS18B20的优越性能构成一个完备的测温系统,实现对温度的多点测量。
整个系统由单片机控制,能够接收传感器的温度数据并显示出来,可以从键盘输入命令,系统根据命令,选择对应的温度传感器,并由驱动电路驱动温度显示。
本课题设计了一种合理、可行的单片机监控软件,完成测量和显示的任务。
由于单片机具有强大的运算和控制功能,使得整个系统具有模块化、硬件电路简单以及操作方便等优点。
本课题的整个系统是由单片机、显示电路、键盘电路、驱动电路,串口通信等构成。
2.1
温度传感器
2.1.1温度传感器选用细则
现代传感器在原理与结构上千差万别,如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器,是在进行某个量的测量时首先要解决的题。
当传感器确定之后,与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。
测量结果的成败,在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。
(1)根据测量对象与测量环境确定传感器的类型
要进行—个具体的测量工作,首先要考虑采用何种原理的传感器,这需要分析多方面的因素之后才能确定。
因为,即使是测量同一物理量,也有多种原理的传感器可供选用,哪一种原理的传感器更为合适,则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题:
量程的大小;
被测位置对传感器体积的要求;
测量方式为接触式还是非接触式;
信号的引出方法,有线或是非接触测量;
传感器的来源,国产还是进口,价格能否承受,还是自行研制。
(2)灵敏度的选择
通常,在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好。
因为只有灵敏度高时,与被测量变化对应的输出信号的值才比较大,有利于信号处理。
但要注意的是,传感器的灵敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混入,也会被放大系统放大,影响测量精度。
因此,要求传感器本身应具有较高的信噪比,尽员减少从外界引入的串扰信号
(3)线性范围
传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。
以理论上讲,在此范围内,灵敏度保持定值。
传感器的线性范围越宽,则其量程越大,并且能保证一定的测量精度。
在选择传感器时,当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。
但实际上,任何传感器都不能保证绝对的线性,其线性度也是相对的。
当所要求测量精度比较低时,在一定的范围内,可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的,这会给测量带来极大的方便。
(4)稳定性
传感器使用一段时间后,其性能保持不变化的能力称为稳定性。
影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外,主要是传感器的使用环境。
因此,要使传感器具有良好的稳定性,传感器必须要有较强的环境适应能力。
在选择传感器之前,应对其使用环境进行调查,并根据具体的使用环境选择合适的传感器,或采取适当的措施,减小环境的影响。
2.1.2
温度传感器DS18B20
DS18B20型单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器。
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。
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。
其可以分别93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量,最大分辨率为0.0625℃,而且从DS18B20读出或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写。
(1)DS18B20的性能特点
单线数字化智能集成温度的传感器,其特点是:
1DSI8B20可将被测温度直接转换成计算机能识别的数字信号输出,温度值不需要经电桥电路先获取电压模拟量,再经信号放大和A/D转换成数字信号,解决了传统温度传感器存在的因参数不一致性,在更换传感器时会因放大器零漂而必须对电路进行重新调试的问题,使用方便。
2DS18B20能提供9到12位温度读数,精度高,且其信息传输只需1根信号线,与计算机接口十分简便,读写及温度变换的功率来自于数据线而不需额外的电源。
3每一个DS18B20都有一个惟一的序列号,这就允许多个DS18B20连接到同一总线上。
尤其适合于多点温度检测系统。
4负压特性:
当电源极性接反时,DS18B20虽然不能正常工作,但不会因发热而烧毁正是由于具有以上特点,DS18B20在解决各种误差、可靠性和实现系统优化等方面与传统各种温度传感器相比,有无可比拟的优越性,因而广泛应用于过程控制、环境控制、建筑物、机器设备中的温度检测。
其外形和管脚如下图:
图2DS18B20外部形状及管脚图
(2)DS18B20与单片机的典型接口设计
DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。
Dsl8B20与单片机的硬件连接有两种方法:
一是Vcc接外部电源,GND接地,I/0与单片机的I/0线相连;
二是用寄生电源供电,此时,~UDD和GND接地,I/0接单片机I/0。
无论是哪种供电方式,I/0口线都要接4.7kQ左右的上拉电阻。
图4给出了DSl8B20与微处理器的典型连接。
①DS18B20寄生电源供电方式:
如下面图7所示,在寄生电源供电方式下,DS18B20从单线信号线上汲取能量:
在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里,在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作,直到高电平到来再给寄生电源(电容)充电。
独特的寄生电源方式有三个好处:
1)进行远距离测温时,无需本地电源
2)可以在没有常规电源的条件下读取ROM
3)电路更加简洁,仅用一根I/O口实现测温
要想使DS18B20进行精确的温度转换,I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量,由于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA,当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时,只靠4.7K上拉电阻就无法提供足够的能量,会造成无法转换温度或温度误差极大。
因此,该电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用,不适宜采用电池供电系统中。
并且工作电源VCC必须保证在5V,当电源电压下降时,寄生电源能够汲取的能量也降低,会使温度误差变大。
②DS18B20寄生电源强上拉供电方式:
改进的寄生电源供电方式如下面图7所示,为了使DS18B20在动态转换周期中获得足够的电流供应,当进行温度转换或拷贝到
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