本科科技制作论文数字温度计的设计与制作.docx
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本科科技制作论文数字温度计的设计与制作
科技制作论文
题目:
数字温度计
的设计与制作
摘要:
温度计是在工业、农业、实验室都有着广泛应用的测量仪器。
传统水银温度计虽曾被长期应用,但其计携带不方便、反应慢、读数不精确,测量范围小等缺点,已使其与现代的许多需求不相适应了。
数字时代的到来,使数字温度计的出现成为了可能。
它虽然需要一定的供电,却几乎克服了传统温度计的所有的缺点,所以它迅速的在各方面得到了广泛的应用。
本次制作主要是希望用最简单的方法,最廉价的器件制作出体积小巧,精确度较高,误差不太大的数字温度计,使其在测量要求不太高的场合能得到实际的应用。
。
关键词:
数字温度计温度传感器A/D转换显示
正文:
一、电路工作原理:
本温度计由感温探头和显示电路两部分组成。
1、感温探头
用带AD转换的温度传感器DS18B20作感温探头,先把温度值转化为电信号,再将模拟的电信号转化为数字信号。
(1)单线数字温度计DSl820介绍
DSl820数字温度计提供12位(二进制)温度读数指示器件的温度信息,经过单线接口送入DSl8B20或从DSl8B20送出,因此从主机到DSl8B20仅需一条线(和地线)。
DSl820的测量范围从-55到+125增量值为0.5可在ls(典型值)内把温度变换成数字
每一个DSl8B20中有用于贮存测得的温度值的两个11位存贮器RAM编号为0号和1号。
1号存贮器存放温度值的符号,如果温度为负,则1号存贮器11位全为1,否则全为0;0号存贮器用于存放温度值的补码,LSB(最低位)的1表示0.5,将存贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以2就得到被测温度值。
DSl8B20的引脚如右图所示。
每只D51820都可以设置成两种供电方式即数据总线供电方式和外部供电方式。
采取数据总线供电方式可以节省一根导线但完成温度测量的时间较长;采取外部供电方式则多用一根导线但测量速度较快。
由于对于本制作,测量速度快比节省导线更重要,所以选择了外部供电方式。
温度计算
Ds18b20用12位存贮温度值,最高位为符号位,下图为18b20的温度存储方式,负温度S=1,正温度S=0,如:
0550H为+85,0191H为25.0625,FC90H为-55
(2)DSl820工作过程及时序
DSl820工作过程中的协议如下
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开始
②ROM操作命令
总线主机检测到DSl820的存在便可以发出ROM操作命令之一,这些命令如:
ReadROM(读ROM)[33H]
MatchROM(匹配ROM)[55H]
SkipROM(跳过ROM][CCH]
SearchROM(搜索ROM)[F0H]
Alarmsearch(告警搜索)[ECH]
③存储器操作命令
WriteScratchpad(写暂存存储器)[4EH]
ReadScratchpad(读暂存存储器)[BEH]
CopyScratchpad(复制暂存存储器)[48H]
ConvertTemperature(温度变换)[44H]
RecallEPROM(重新调出)[B8H]
ReadPowersupply(读电源)[B4H]
④时序
主机使用时间隙(timeslots)来读写DSl820的数据位和写命令字的位
ⅰ初始化
时序见下图主机总线to时刻发送一复位脉冲(最短为480us的低电平信号)接着在tl时刻释放总线并进入接收状态DSl820在检测到总线的上升沿之后等待15-60us接着DS1820在t2时刻发出存在脉冲(低电平持续60-240us)如图中虚线所示
以下子程序是通过其晶振为12M的初始化子程序
RESET
MOVA,#4;设置循环次数
CLRP1.0;发出复位脉冲
MOVB,#250;计数250次
DJNZB,$;保持低电平500us
SETBPl.0;释放总线
MOVB,#6;设置时间常数
CLRC;清存在信号标志
WAITL:
JBPl.0,WH;若总线释放跳出循环
DJNZB,WAITL;总线低等待
DJNZACC,WAITL;释放总线等待一段时间
SJMPSHORT
WH:
MOVB,#111
WH1:
ORLC,P1.0
DJNZB,WH1;存在时间等待
SHORT:
POPA
POPB
RET
ⅱ写时间隙
当主机总线to时刻从高拉至低电平时就产生写时间隙,见下图,从to时刻开始15us之内应将所需写的位送到总线上DSl8B20,在之后15-60us间对总线采样。
若低电平写入的位是0,见左图;若高电平写入的位是1,见右图。
连续写2位间的间隙应大于1us。
写位子程序(待写位的内容在C中)
WRBIT:
PUSHB;保存B
MOVB,#28;设置时间常数
CLRP1.0;写开始
NOP;1us
NOP;1us
NOP;1us
NOP;1us
N0P;1us
MOVPl.0,C;C内容到总线
WDLT:
DJNZB,WDLT;等待56Us
POPB
SETBPl.0;释放总线
RET;返回
写字节子程序(待写内容在A中):
WRBYTB:
PUSHB:
保存B
MOVB#8H;设置写位个数
WLOP:
RRCA;把写的位放到C
ACALLWRBIT;调写1位子程序
DJNZBWLOP;8位全写完?
POPB
RET
ⅲ读时间隙
见下图主机总线to时刻从高拉至低电平时,总线只须保持低电平l7ts之后,在t1时刻将总线拉高产生读时间隙,读时间隙在t1时刻后t2时刻前有效,t2距to为15us,也就是说t2时刻前主机必须完成读位并在to后的60us一120us内释放总线
读位子程序(读得的位到C中)
RDBIT:
PUSHB;保存B
PUSHA;保存A
MOVB,#23;设置时间常数
CLRP1.0;读开始图2255的t0时刻
NOP;1us
NOP;1us
NOP;1us
NOP;1us
SETBPl.0;释放总线
MOVA,P1;P1口读到A
MOVC,EOH;P1.0内容C
NOP;1us
NOP;1us
NOP;1us
NOP;1us
RDDLT:
DJNZB,RDDLT;等待46us
SETBP1.0
POPA
POPB
RET
读字节子程序(读到内容放到A中)
RDBYTE:
PUSHB;保存B
RLOPMOVB,#8H;设置读位数
ACALLRDBIT;调读1位子程序
RRCA;把读到位在C中并依次送给A
DJNZB,RLOP;8位读完?
POPB;恢复B
RET
(3)多路测量
每一片DSl8B20在其ROM中都存有其唯一的48位序列号,在出厂前已写入片内ROM中,主机在进入操作程序前必须逐一接入18B20用读ROM(33H)命令将该l820的序列号读出并登录。
当主机需要对在线18B20进行操作时,首先要发出匹配ROM命令(55H),紧接着主机提供64位序列(包括该18B20的48位序列号),之后的操作就是针对该18B20的而所谓跳过ROM命令,即为之后的操作是对所有18B20的框图中先有跳过ROM,即是启动所有1820进行温度变换之后通过匹配ROM,再逐一地读回每个18B20的温度数据。
在18B20组成的测温系统中主机在发出跳过ROM命令之后再发出统一的温度转换启动码44H,就可以实现所有18B20的统一转换,再经过1s后就可以用很少的时间去逐一读取。
这种方式使其T值往往小于传统方式由于采取公用的放大电路和AD转换器只能逐一转换,显然通道数越多这种省时效应就越明显
2、显示电路
显示电路的方框图:
DB18B20串行出口单片机控制LED显示
根据输出口特点以及上述DS18B20的工作过程及时序说明,采用单片机AT89S51编程实现将DS18B20输出的数字信号转化为温度读数,并驱动4位共阳LED显示出来。
完整设计原理图如下:
二、制作
1、清理元器件,重点辩清DS18B20以及DS18B20三极管的管脚实际排布情况,电阻、电容、开关、LED等使用前都要用万用表一一检测,首次制作选用万用板。
2、安装时,电阻器采用卧式插装,并近贴电路板;电解电容器、三极管采用立式插装,也要近贴电路板;DS18B20也采用立式插装,但因其是本电路最为重要的敏感器件,不要近贴电路板,也不要太靠近其它器件,为了能准确感温,最好用排线引出。
3、DS18B20焊接时一定要辩清管脚,高低电平一定不能接反,焊接时间不能过长。
4、单片机最好使用插座,电路全部焊接完后才插上烧制好的芯片。
5、焊完元器件后,在覆铜面剪掉多余元器件的引线,工具最好用斜口钳,可防止因剪线而使覆铜皮损坏。
6、DS18B20和单片机的正常工作电压都是5V,可选用3节5号或4节7号电池作电源;若需要长期工作也可用直流稳压电源供电。
三、测试
1、焊接完后,认真对照电路原理图,检查电路板上有无漏焊、错焊、虚焊、短路、断路、电源接反等错误现象,确认无误后才能通电。
2、通电后,首要要确保LED都要亮。
若个别位全灭,则要检查选通端是否有电压;若都能正常选通,而每个位的某一段都不亮,则要检查此段的驱动是否正常。
3、若LED各位、各段都能正常工作,则要看温度值是否能随实际温度改变而作相应的变化。
简单的方法可以用手指捏住DS18B20,若温度能跳升到35度左右,则可初步认为感温探头能正常工作;若显示读数没变化,则要检查DS18B20的输出口是否有正确接到单片机;若经多次检测都确认电路焊接无误,则可考虑更换DS18B20,但这可能性极少。
4、若DS18B20能正常工作,但显示的温度值与实际温度有较大的出入,则要认真检查感温探头附近是否有影响气体温度的热源;如果确认无此情况,则要再检查单片机的程序编写是否合理。
5、若以上错误情况都排除后,则可认为此误差是本作品不可避免的误差,并记下平均误差值。
四、制板及封装
本作品的基本目标是能较准确地测温且方便易携,若在万用板上测试成功后,则可制作PCB板,且应以尽量缩小体积为出发点。
由于本作品电路简单、元器件价格低廉,误差可接受,可同时制作多个。
在PCB板上焊接并检测好后,最后就可以封装了。
封装时要注意让感温探头露在封装盒以外,以保证准确测温。
参考文献:
《传感器实际应用电路设计》――黄贤武等编著人民邮电出版社
《智能化测量控制仪表原理与设计》――徐爱钧编著科学出版社
《智能化集成温度传感器原理与应用》——沙占友主编科学出版社
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