分布式温度传感器.docx

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分布式温度传感器

分布式温度传感器

1传感器简介

1.1温度传感器的背景

在人类生活环境中，温度扮演着一个极其重要的角色。

无论你住在哪里，从事什么工作，都会与温度打交道。

自18世纪工业时代以来，工业革命对能否控制，发送显示温度有着绝对的联系。

在冶金、锻钢、石化、水泥、医学等产业中，可以这样说几乎80%的工业部门不得不考虑温度的因素。

温度对工业来说如此重要，因此也推动了温度传感器的发展。

1.2温度传感器的发展

传感器主要大体经过了三个发展阶段：

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、功耗低，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，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；模拟集成温度控制器。

模拟集成温度控制器主要包括温度控制开关、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，这些工艺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，这是智能温度传感器和非智能之间的主要区别；智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是20世纪90年代中期问世的。

它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。

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）。

1.3单点与多点温度传感器

温度传感器的发展趋势：

进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。

传感器在温度测控系统中的应用：

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液晶显示模块，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。

通过温度传感器DS18B20采集，然后通过C51单片机处理并在数码管上显示，可以采集室内或温室中四处不同位置的温度，用四个数码管来显示。

第一个数码管显示所采集的是哪一路，哪个通道。

后三个数码管显示所采集通道的温度值，精确到0.1度。

2系统的实现及相关技术

2.1系统的实现

整个控制系统采用AT89C51芯片，采用多线连接，就是四个DS1820分别连接到单片机的四个IO口，采集到的温度结果通过串口通信，然后芯片将采集到的数据处理，在外部显示器显示出来。

温度在LED液晶显示屏显示出来后，通过软件编程确保系统有一定的抗干扰能力。

这种方案虽然占用单片机的四个IO口，但在单片机IO口不紧缺的情况下采用这种方案大大的简化了编程难度，缩短了设计周期，同时也能保证系统的稳定。

多线连接方案的框图如图1-1所示。

图1-1DS1820多线连接方案

2.2AT89C51单片机简介

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪存存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

外形及引脚排列如图“图1-2”所示。

图1-2AT89C51引脚图

主要特性：

·与MCS-51兼容

·4K字节可编程FLASH存储器

·寿命：

1000写/擦循环

·数据保留时间：

10年

·全静态工作：

0Hz-24MHz

·三级程序存储器锁定

·128×8位内部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

·5个中断源

·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P0口的管脚先要写入高电平，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为低八位数据或地址总线。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入高电平后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为高八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写入高电平时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入高电平后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

2.3DS1820简介

DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20简介新的"一线器件"体积更小、适用电压更宽、更经济Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持"一线总线"接口的温度传感器。

一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

DS18B20"一线总线"数字化温度传感器同DS1820一样，DS18B20也支持"一线总线"接口，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内，精度为±0。

5°C。

现场温度直接以"一线总线"的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

适合于恶劣环境的现场温度测量，如：

环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

与前一代产品不同，新的产品支持3V~5。

5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。

而且新一代产品更便宜，体积更小。

DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0。

5°C。

可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。

分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。

DS18B20的性能是新一代产品中最好的！

性能价格比也非常出色！

DS1820的新性能:

（1）可用数据线供电，电压范围：

3。

0~5。

5V；

（2）测温范围：

-55~+125℃，在-10~+85℃时精度为±0。

5℃；

（3）可编程的分辨率为9~12位，对应的可分辨温度分别为0。

5℃、0。

25℃、0。

125℃和0。

0625℃；

（4）12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字；

（5）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。

DS1820的外形

DS18B20内部结构主要由四部分组成：

64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

DS18B20的管脚排列如“图1-3”所示。

内部结构如“图1-4”所示

图1-3DS18B20外形图

（1）DQ为数字信号输入/输出端；

（2）GND为电源地；

（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

图1-4内部结构

3调试仿真

3.1硬件仿真采用Proteus7

Proteus是英国Labeenterelectronics公司研发的EDA工具软件。

Proteus不仅是模拟电路、数字电路、模/数混合电路的设计与仿真平台，更是目前世界最先进、最完整的多种型号微控制器系统的设计与仿真平台。

它真正实现了在计算机上完成从原理图设计、电路分析与仿真、单片机代码级调试与仿真、系统测试与功能验证到形成PCB的完整电子设计与研发过程。

Proteus产品系列也包含了革命性的VSM技术，可以对基于微控制器的设计连同所有的外围电子器件一起仿真。

首先启动Proteus并从Proteus元件库中选择需要的元件，绘制电路图并设置相应元件的参数值。

3.2软件仿真采用KeilμVision2

KeilμVision2是Keil公司关于8051系列MCU的开发工具，可以用来编译C源码、汇编源程序、连接和重定位目标文件和库文件、创建HEX文件、调试目标程序等，是一种集成化的文件管理编译环境。

它集成了文件编辑处理、编译连接、项目管理、窗口、工具引用和软件仿真调试等多种功能，是相当强大的开发工具。

在keil里面编写好所需程序，对其进行调试。

3.3Proteus与Keil的连接设置

（1）检测TCP/IP。

（2）复制Proteus安装目录下的MODELS文件夹里的vdm51．dll到keilc/C51/bin目录。

（3）修改Keil安装目录下的tools．ini，添加TDRV4=BIN\VDM51．DLL。

（4）在Proteus中画好原理图，在“Debug”菜单中选择“UseRemoteDebugMonitor”。

（5）在Keil中打开一个工程，右击Target1，选择OptionsforTarget„Target1‟。

在打开的对话框中选择“De-bug”选项卡，选择使用ProteusVSMEmulator仿真，单击“Ok”完成Debug设置。

（6）这样Proteus和Keil就连接好了，仿真结果可以在Proteus或者Keil中看到。

该电路系统采用“一根总线”数字传感器DS18B20实现温度的采集，采用七段数码管进行数据显示。

然后编程，连接好仿真图电路，仿真出结果。

附件2：

外文原文

DistributedTemperatureSensor

1Sensorintroduction

1.1Temperaturesensorbackground

Inthehumanlivingenvironment,temperatureplayinganextremelyimportantrole。

Nomatterwhereyoulive,engagedinanywork,ever-presentdealtwithtemperatureunder.Sincethe18thcentury,industrysincetheindustrialrevolutiontowhethercanmastersendexhibitionhastheabsolutetemperaturetouch.Inmetallurgy,steel,petrochemical,cement,glass,medicineindustryandsoon,cansayalmosteightypercentofindustrialdepartmentshavetoconsiderthefactorswithtemperature.Temperatureforindustrialsoimportant,thuspromotingthedevelopmentofthetemperaturesensor.

1.2Temperaturesensordevelopment

Majorgeneralthroughthreesensordevelopmentphase:

analogintegratedtemperaturesensor.Thesensoristakenwithsiliconsemiconductorintegratedworkmanship,thereforealsocalledsiliconsensorormonolithicintegratedtemperaturesensor.Suchsensinginstrumentshavesinglefunction（onlymeasuringtemperature）,temperaturemeasurementerrorissmaller,pricelow,fastresponse,thetransmissiondistance,smallvolume,micro-consumptionelectronicetc,suitableforlongdistancemeasurementtemperature,temperaturecontrol,donotneedtoundertakenonlinearcalibration,peripheralcircuitissimple.Itiscurrentlythemostcommonapplicationathomeandabroad,anintegratedsensor。

TypicalproductshaveAD590AD592,TMP17,LM135,etc.jAnalogintegratedtemperaturecontroller.Analogintegratedtemperaturecontrollermainlyincludetemperaturecontrolswitch,programmabletemperaturecontroller,atypicalproducthaveLM56,AD22105andMAX6509.Someincreasestrengthtypeintegratedtemperaturecontroller（forexampleTC652/653）alsocontainstheA/Dconverterandcuregoodsequence,thisprocesswiththeintelligenttemperaturesensorsomesimilarities.Butitisnotitssystem,workbymicroprocessingdevicecontrol,thisisthemaindifferencebetween.Intelligenttemperaturesensor.intelligenttemperaturesensorisinthemid1990slaunch.Itismicroelectronicstechnology,computertechnologyandthedynamictestingtechnology（ATE）crystallization.Intelligenttemperaturesensorinternalcontaintemperaturesensor,A/Dconverter,signalprocessor,memory（orregisters）andinterfacecircuit.Someproductsstilltakemultiplexer,centralcontrolsystemdevice（CPU）,randomaccessmemory（RAM）andreadonlymemory（ROM）.Intelligenttemperaturesensorischaracteristicoftemperaturedataandrelevantcanoutputthetemperaturecontrolofthequantity,adaptationvariousmicrocontroller（MCU）;

1.3nglepointandmoretemperaturesensor

Thedevelopmenttrendofthetemperaturesensor.Inthe21stcentury,thetemperaturesensorisheadedinhighprecision,multi-function,bus,standardization,highreliabilityandsafety,developmentofvirtualsensorandnetworksensor,researchmonolithictemperaturemeasuringsystemandotherhigh-techdirectiondeveloprapidly.Sensorsintheapplicationtemperaturecontrollingsystem.Currentmarketexistsmainlysinglepointandmoretwotemperaturemeasurement.Forsinglepointtemperaturefoundmentinstrument,mainlyadoptsthetraditionalanalogintegratedtemperaturesensor,whichheatresistance,thermocouplesensorsmeasuringaccuracy,highmeasurementrange,andgotthegeneralapplication.Thisproductistemperaturemeasuringrange℃~200mostlybetween800℃,resolution12th,andleastdistinguishabletemperaturein0.001~0.01between.CabinLEDdisplaymodule,showsrangingfrom4to16.Someinstrumentsalsohasmemoryfunction,canstoreseveralhundredtoafewthousandsetsofdata.Thisinstrumentcanbeverygoodmeetasingleusersingle-pointmeasurementneeds.Moretemperaturemeasurement,relativeandsinglepointmeasurementprecisionhascertaingap,althoughrealizedthemulti-channeltemperaturemeasurementandcontrol,butthepriceisexpensive.Inviewofthepresentmarketsituation,proposedthistopiccansatisfyrequirements,scalableandcost-effectivesingle-chipmulti-channeltemperaturemeasuringsystem.ThroughthefirsttemperaturesensorDS18B20acquisition,andthenthroughtheC51SCMprocessinganddisplayedonthedigitaltube,canbecollectedindoororagreenhousearoundindifferentlocationsofthetemperature,withfourdigitaltubetodisplay.Thefirstdigitalpipedisplayacquisitioniswhichway,whichchannel.Threedigitalpipedisplayaftertheacquisitionchannelbytemperature,accurateto0.1degrees.

2.Thesystemrealizedandrelatedtechnologies

2.1esystemisrealized

BythewholecontrolsystemforcoreAT89C51,usingfourwaysoftemperaturesensorDS18B20inproductionsitefordistributionareaoffourdifferen