多点温度自动测量系统设计.docx

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多点温度自动测量系统设计

青岛理工大学

毕业设计

题目：

多点温度自动测量系统设计

学生姓名：

学生学号：

院系名称：

专业班级：

指导教师：

2016年6月15日

摘要

随着社会的进步和工业技术的发展，人们越来越重视温度因素，许多产品对温度范围要求严格，而目前市场上普遍存在的温度检测仪器大都是单点测量，同时有温度信息传递不及时、精度不够的缺点，不利于工业控制者根据温度变化及时做出决定。

在这样的形式下，开发一种能够同时测量多点，并且实时性高、精度高，能够综合处理多点温度信息的测量系统就很有必要。

本课题以AT89C51单片机系统为核心，能对多点的温度进行实时巡检。

DS18B20是一种可组网的高精度数字式温度传感器，由于其具有单总线的独特优点，可以使用户轻松地组建起传感器网络，并可使多点温度测量电路变得简单、可靠。

本文结合实际使用经验，介绍了DS18B20数字温度传感器在单片机下的硬件连接及软件编程，并给出了软件流程图。

关键词：

温度测量，单总线，数字温度传感器，单片机    

ABSTRACT

Astheindustryandthesocietydeveloping,thetemperaturebecomesmoreandmoreimportantandalotofproductsaresensitivetotemperature.However,temperaturemeasuringapparatusinthemarketnowonlycancheckandmeasurethetemperatureofonepoint,atthesametime,thetemperatureinformationisnotrealtimeandtheprecisionislow.Ittakesagreatoftroublesfortheindustry-controllerstomakedecision.Inthissituation,designandimplementoneapplicablesystemwhichcanwatchmeasureandcontrolthetemperatureandthemeasuringresultsisrealtimeandtheprecisionisgreatismoreessential.Inordertomeetingthisapplication,thispapertalkaboutTheMultiple-Point’stemperatureMeasuringSystem.

Thissystembasedonsinglechipcomputer,caninspectandcontrolmultipletemperaturesinrealtime. Asakindofhigh-accuracydigitalnettemperaturesensor，DS18B20canbeusedbuildingasensorneteasily.Itcanalsomakethenetsimpleandreliablewithit'sspecial1-wireinterface.ThispaperintroducestheapplicationofDS18B20withsinglechipprocessor.

KEYWORDS：

temperaturemeasure，singlebus，digitalthermometer，singlechipprocessor

第1章 绪论

1.1课题的背景及其意义

二十一世纪是科技高速发展的信息时代，电子技术、微型单片机技术的应用更是空前广泛，伴随着科学技术和生产的不断发展，需要对各种参数进行温度测量。

因此温度一词在生产生活之中出现的频率日益增多，与之相对应的，温度控制和测量也成为了生活生产中频繁使用的词语，同时它们在各行各业中也发挥着重要的作用。

如在日趋发达的工业之中，利用测量与控制温度来保证生产的正常运行。

在农业中，用于保证蔬菜大棚的恒温保产等。

温度是表征物体冷热程度的物理量，温度测量则是工农业生产过程中一个很重要而普遍的参数。

温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。

由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位。

而且随着科学技术和生产的不断发展，温度传感器的种类还是在不断增加丰富来满足生产生活中的需要。

在单片机温度测量系统中的关键是测量温度、控制温度和保持温度，温度测量是工业对象中主要的被控参数之一。

单片机温度测量则是对温度进行有效的测量并且能够在工业生产中得到了广泛的应用，尤其在电力工程、化工生产、机械制造、冶金工业等重要工业领域中，担负着重要的测量任务。

在日常生活中，也可广泛实用于地热、空调器、电加热器等各种家庭室温测量及工业设备温度测量场合。

但温度是一个模拟量，如果采用适当的技术和元件，将模拟的温度量转化为数字量虽不困难，但电路较复杂，成本较高。

1.2课题研究的内容及要求

本次的毕业设计的题目是多点温度监测控制系统设计。

它是多种技术知识的结合，不仅涉及到软件与硬件的设计，而且还将应用电子技术与单片机的应用技术有机结合，使其具有精度高、测量误差小、稳定性好等特点。

仿真的设计技术和实际要求的巧妙结合，使其具备了操作便捷、系统稳定性好等特点，能为它在其它领域的广泛应用打下良好的基础。

因为经过我们调查发现许多应用场合原来就有测温控温仪器，只是随着对生产质量与生产需要的要求在不断地提高，以往的那些测温控温的仪器根本不能满足现在的要求。

其中，有部分应用场合对精度提高的幅度要求也不是特别高。

因此，为了提高性价比，我所设计的系统提出在原有系统的基础上进行一些简单的改良，以此为出发点，主要阐述室温自动控制系统的实现方法。

第2章方案论证比较与选择

2.1引言

温度测量的方案有很多种，可以采用传统的分立式传感器、模拟集成传感器以及新兴的智能型传感器。

对于控制系统可以采用计算机、单片机等。

2.2方案设计

2.2.1设计方案一

采用模拟分立元件，如电容、电感或晶体管等非线形元件，实现多点温度的测量及显示，该方案设计电路简单易懂，操作简单，且价格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成数字化，而且测量误差大。

2.2.2设计方案二

本方案采用AT89C51单片机为核心，通过温度传感器AD590采集温度信号，经信号放大器放大后，送到A/D转换芯片，最终经单片机检测处理温度信号。

图2.1方案二硬件流程图

方案二如图2.1所示，采用该方案技术已经成熟，AD转换电路设计较烦琐，而且使用AD590进行温度检测必须对冷端进行补偿，以减小误差。

2.2.3设计方案三

本设计运用主从分布式思想，由一台上位机（PC微型计算机），下位机（单片机）多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统。

该系统采用RS-232串行通讯标准，通过上位机（PC）控制下位机（单片机）进行现场温度采集。

温度值既可以送回主控PC进行数据处理，由显示器显示。

也可以由下位机单独工作，实时显示当前各点的温度值，对各点进行控制。

下位机采用的是单片机基于数字温度传感器DS18B20的系统。

DS18B20利用单总线的特点可以方便的实现多点温度的测量，轻松的组建传感器网络，系统的抗干扰性好、设计灵活、方便，而且适合于在恶劣的环境下进行现场温度测量。

本系统可以应用在大型工业及民用常温多点监测场合。

如粮食仓储系统、楼宇自动化系统、温控制程生产线之温度影像检测、医疗与健诊的温度测试、空调系统的温度检测、石化、机械…等。

系统框图2.2所示

图2.2方案三系统框图

2.3方案的比较与选择

基于数字式温度计DS18B20的温度测量仪的硬软件开发过程，DS18B20将温度信号直接转换为数字信号，实现了与单片机的直接接口，从而省去了信号调理电路。

该仪器电路简单、功能可靠、测量效率高，很好地弥补了传统温度测量方法的不足。

相对与方案1，在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升。

相对与方案2，硬件电路简单，易于操作，具有更高的性价比，更大的市场。

所以我采用方案3完成本设计。

2.4方案的阐述与论证

方案三以DS18B20为传感器、AT89C51单片机为控制核心组成多点温度测试系统，该系统包括传感器电路、键盘与显示电路、串口通信电路等组成部。

采用美国Dallas半导体公司推出的数字温度传感器DS18B20，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器。

它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。

全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集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。

它有如下的性能特点：

1）独特的单线接口，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无需变换其它电路，直接输出被测温度值；

2）多点能力使分布式温度检测应用得以简化；

3）不需要外部元件；

4）既可用数据线供电，也可采用外部电源供电；

5）不需备份电源；

6）测量范围为-55～+125℃，固有测温分辨率为0．5℃；

7）通过编程可实现9～12位的数字读数方式；

8）用户可定义非易失性的温度告警设置；

9）警告搜索命令能识别和寻址温度在编定的极限之外的器件（温度警告情况）；

10）应用范围包括恒温控制、工业系统、消费类产品、温度计或任何热敏系统。

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。

根据DS18B20以上的特点我选用方案三来实现本课题。

第3章硬件设计

本设计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。

3.1温度传感器

3.1.1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）频率响应特性

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。

传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。

4）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。

5）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。

6）精度

精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。

传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。

这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。

如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。

对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。

自制传感器的性能应满足使用要求。

3.1.2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：

（1）.DSI8B20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．

（2）.DS18B20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，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、机器设备中的温度检测。

其外形和管脚如图3.1所示：

图3.1DS18B20外形和管脚图

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。

（1）DS18B20寄生电源供电方式：

如下面图3.2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：

进行远距离测温时，无需本地电源

可以在没有常规电源的条件下读取ROM

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。

（2）DS18B20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3.3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E2存储器操作时，用MOSFET把I/O线直接拉到VCC就可提供足够的电流，在发出任何涉及到拷贝到E2存储器或启动温度转换的指令后，必须在最多10μS内把I/O线转换到强上拉状态。

在强上拉方式下可以解决电流供应不走的问题，因此也适合于多点测温应用，缺点就是要多占用一根I/O口线进行强上拉切换。

图3.2DS18B20寄生电源供电方式

图3.3DS18B20温度转换期间的强上拉供电（寄生电源方式）

3.DS18B20的内部结构：

图3.4为DS18B20的内部框图，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。

64位光刻ROM的排列是：

开始8位是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码。

光刻R0M的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这可实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

暂存存储器包含了8个连续字节，前2个字节是测得的温度信息，第1个字节的内容是温度的低8位，第2个字节是温度的高8位。

第3个和第4个字节是TH、TL的易失性拷贝，第5个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这3个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。

第6、7、8个字节用于内部计算。

第9个字节是冗余检验字节

图3.4DS18B20内部框图

4.DS18B20的测温原理：

DS1820测温原理如图3.5所示。

图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。

图3.5DS1820测温原理图

高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。

计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。

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，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，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，如此循环直到计数器2计数到0时，DS18B20测量温度原理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。

在正常测温情况下，DS18B20的测温分辨力为0.5℃，可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果：

首先用DS18B20提供的读暂存器指令（BEH）读出以0.5℃为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位（LSB），得到所测实际温度的整数部分TZ，然后再用BEH指令取计数器1的计数剩余值CS和每度计数值CD。

考虑到DS18B20测量温度的整数部分以0.25℃、0.75℃为进位界限的关系，实际温度TS可用下式计算：

TS=（TZ－0.25℃）＋（CD－CS）/CD

5.告警信号：

DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与TH、TL作比较。

若T>TH或T

因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行告警搜索。

一旦某测温点越限，主机利用告警搜索命令即可识别正在告警的器件，并读出其序号，而不必考虑非告警器件。

6.CRC的产生：

在64位ROM的最高有效字节中存有循环冗余校验码（CRC）。

主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。

CRC的函数表达式为：

CRC=X

＋X

＋X

＋1。

此外，DS18B20尚需依上式为暂存器中的数据来产生一个8位CRC送给主机，以确保暂存器数据传送无误。

在本课题中采用四个数字式温度传感器DS18B20与单片机89C51连接如图3.6所示

图3.6温度传感器DS18B20与单片机89C51连接图

7.DS1820使用中注意事项

DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：

（1）较小的硬件开销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。

（2）在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20，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，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。

（3）连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。

试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。

当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。

这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。

因此，在用DS18B20进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。

（4）在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环。

这一点在进行DS18B20硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。

3.2单片机系统设计

在当今新科学技术飞速发展的年代里，单片机的应用已越来越受到人们的重视，它被广泛的应用于家电、医疗、智能仪表、工业自动化等各个领域。

单片机全称单片微型计算机，是将计算机的基本部分微型化，使之集成在一块芯片上的微机。

目前市场上较为流行的单片机有Intel公司和Philip公司的8051系列单片机。

Motorola公司的M6800系列单片机。

Intel公司的MCS96系列单片机以及Microchip公司的PIC系列单片机。

片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/O口、串行I/O口、定时/计数器、A/D、D/A、中断控制、