基于DS18B20的室温温度控制器文献综述_精品文档Word文档格式.doc

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郭海燕

2010年9月24日

一．前言

单片机是一种芯片级的微型计算机，是将CPU、RAM、ROM、定时器/计数器以及输入/输出（I/O）接口电路等主要计算机部件，集成在一块电路芯片上的一个芯片。

近几年，因单片机具有体积小、功能齐全、价格低廉和可靠性高的独特优点，故在我国各个领域获得了广泛的应用[1]。

温度检测在工业领域及其人民生产生活中应用广泛，如在化工领域中经常需要检测和控制反应中的液体的温度、在粮食储存以及加工过程中测温尤为重要[2]。

传统多采用温度敏感元件，提取电信号、经放大调理、A/D变换、将温度相关数字信号处理得到温度测试数据，实际应用麻烦，结构复杂、设备成本高、数据传输易受干扰、测量精度低、系统误差大等缺点，难以达到较高的测量精度和足够的实时性。

因此采用数字温度传感器DS18B20，具有体积更小、精度更高、采用单总线、安装简便等优点，特别适合于恶劣环境的现场多点温度测量[3]。

二．主体

（一）传统的测温方法

采用传统的传感器测温方案是将传感器产生的模拟信号进行A/D转换并处理，根据其传感器不同，其优缺点也各不相同。

它主要包括两大类：

一类是热电偶测温，另一类是热电阻测温。

1、热电偶测温

在工业应用中，热电偶一般适用于测量500℃以上的较高温度。

热电偶测温原理是基于热能和电能互相转换的原理，即热电效应，是一对异质金属A、B组成闭合回路，将其接点a、b置于不同温场中时，就会产生温差电效应，回路中就会有电流，两接点就产生相应的热动势[4]。

若热电偶的参考端温度恒定或等于0，则热电偶的热电势仅是测量端温度的函数，即EAB（t，t0）= 

EAB+ 

常数=f（t）。

一定的热电势对应着相应的温度值，通过接在回路中的电测仪表就会显示出被测热电偶的热电势值以达到测量温度的目的。

在实际应用时，参考端温度容易受到周围环境温度变化的影响，难以保持恒定，为此必须对参考端温度进行补偿、修正。

由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。

在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。

其优点如下：

①测量精度高。

因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

②测量范围广。

常用的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。

③构造简单，使用方便。

热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

其缺点如下：

①热电率较小。

②材料较贵。

③灵敏度低。

④抗污染能力差。

⑤补偿导线误差大。

为保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：

①组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；

②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；

③补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；

④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离[5]。

2、热电阻测温

对于500℃以下的中、低温度，热电偶的输出的热电势很小，冷端温度的变化所引起的相对误差也非常突出，难以实现精确测量，所以使用热电阻测量温度。

热电阻的测温原理是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。

因此，只要测量出热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。

目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。

金属热电阻的阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即

Rt=Rt0[1+α（t-t0）]

式中，Rt为温度t时的阻值；

Rt0为温度t0（通常t0=0℃）时对应电阻值；

α为温度系数。

半导体热敏电阻的阻值和温度关系为

Rt=AeB/t

式中，Rt为温度为t时的阻值；

A、B取决于半导体材料的结构的常数。

相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有-50~300℃左右，常用于家电和汽车用温度检测和控制。

金属热电阻一般适用于-200~500℃范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在工程控制中的应用极其广泛。

由于热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，因此通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它仪表上。

工业用热电阻安装在生产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。

①准确度高，可达1mk。

②输出信号大，灵敏度高。

如在0℃用Pt100铂热电阻测温，当温度变化1℃时，其电阻值约变化0.4，如果通过电流为2mA，则其电压输出为800V左右。

由此可见，热电阻的灵敏度较热电偶高一个数量级。

③测温范围广，稳定性好。

在振动小而适宜的环境下，可在很长时间内保持0.1℃以下的稳定性。

④无需参考点。

温度值可由测得的电阻值直接求出。

⑤输出线性好。

只用简单的辅助回路就能得到线性输出。

缺点：

①存在引线电阻，影响较大。

②需要电源激励，不能够瞬时测量温度的变化。

③采用细金属丝的热电阻元件机械冲击与振动性能差。

④元件结构复杂，制造困难大，尺寸较大，因此，热响应时间长。

⑤不适宜测量体积狭小和温度瞬变区域。

（二）集成温度传感器测温

随着科学技术的不断进步与发展，温度传感器的种类日益繁多，数字温度传感器更因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统，具有可以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转换器的弊端等优点，被广泛应用于工业生产控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。

其中，比较有代表性的数字温度传感器有DS18B20、AD590等。

1、DS18B20数字式温度传感器

DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的一种智能温度传感器。

与传统的热敏电阻相比，他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

DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPROM。

后者用于存储TH，TL值。

数据先写入RAM，经校验后再传给EEPROM。

而配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节，他的内容用于确定温度值的数字转换分辨率，DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值

与传统的热敏电阻相比，它具有如下优点：

①结构简单，接线简单，维护方便。

②测量结果直接输出数字温度信号，以"

一线总线"

串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。

③配置灵活、方便、易于扩展。

可扩展多路温度采集子系统，，形成多点温度采集网络。

④工作稳定，测温精度高，在-10～+85℃时精度为±

0.5℃。

⑤数字温度的分辨率用户可以从9位到12位选择。

⑥内部有温度上、下限告警。

其缺点是：

①测温范围太小，不能用于高温和低温环境的检测，准确度较低。

②硬件连接的简单化需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，因此，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。

③在实际应用中并非如此。

当单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题。

④在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。

⑤该传感器价格相对较贵，不利于工农业中大量广泛的使用。

2、电流输出型传感器AD590

AD590是美国模拟器件公司的一种电压输入、电流输出型集成温度传感器，供电电压范围为3~30V，输出电流223μA（-50℃）~423μA（+150℃），灵敏度为1μA/℃。

流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：

1=I/TmA/K。

式中：

I是流过器件（AD590）的电流，单位为mA；

T是热力学温度，单位为K。

AD590输出电流信号传输距离可达到1km以上。

作为一种高阻电流源，最高可达20MΩ，所以它不必考虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。

当在电路中串接采样电阻R时，R两端的电压可作为喻出电压。

注意R的阻值不能取得太大，以保证AD590两端电压不低于3V。

在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和5~30V的直流电源相连，并在输出端串接一个1KΩ的恒值电阻，那么电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV/K的电压信号。

但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，应对电路进行调整，只能保证在0℃或25℃附近有较高的精确度。

从整体测温电路设计来看较为复杂，难以达到较高的精确度。

①流过的电流值等于绝对温度的度数，激励电压范围可调。

②测温范围为-55℃~150℃,非线性误差在±

0.30℃。

③AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，器件反接不损坏。

④常用于测温和热电偶的冷端补偿。

①非线性变化以及可调电阻的阻值偏差将导致误差，对线阻有要求。

②需要模拟转数字电路，电路繁多，成本高，精确度较低。

③有利于减小引线和通道切换用控制电路的数量，但不能根本改变这种情况。

综上所述，由于本系统温度测量的对象是空气，因此选择采用DS18B20温度传感器来实现测温，其数字式传输大大提高了抗干扰能力,简化了硬件电路。

DS18B20程序设定9-12位的分辨率,分辨率设定及温度上下限设定值存储在EEPROM中,掉电不丢失，输出数据形式为二进制补码形式。

（三）AT89S52单片机简介

从它的大体组成结构和主要功能特性来介绍。

1、AT89S52单片机组成结构

AT89S52芯片的引脚图如下图所示：

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，使得AT89S52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。

AT89S52引脚功能介绍如下：

1）P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。

在FLASH编程时，P0口也