无线测温系统的设计与实现.doc

XXXX大学本科毕业设计（论文）无线测温系统的设计与实现摘要通常的测温传感系统中，传感器的测量信号通过导线传出进行处理。在远距离、多点测温中，以及运动体上，隔离区域等特殊条件下的温度测量中，信号传输线都会带来极大的不便。而且传输线也易受电磁干扰和环境温度的影响，传输线的内阻与分布电容也会对测量产生不利影响。近年来，随着计算机网络的快速发展，蓝牙、红外线、GPRS、Zigbee等无线传输技术相继出现，使得温度测量也向着无线传输方向发展。无线测温系统是一种集温度信号采集、大容量存储、射频发送、LCD动态显示、控制与通信等功能于一体的新型系统。适用于发电厂、采油厂、钻井施工等许多不宜进行有线测温的场合。其中测温点由数字温度传感器DSI8B20构成，DS18B20直接把温度信息转换成相应的数字信号。数据采集、处理模块主要由ATmega16单片机构成，完成温度数据的读取和传输。通信模块分下位机通信接口和上位机通信接口两部分。下位机利用mega16单片机的串行口传输和接收数据，上位机通过串口接收和发送数据，并把接收到的温度数据通过数字表现出来。关键词：温度测量；DS18B20；单片机；Zigbee；无线传输WIRELESS TEMPERATURE MEASURING SYSTEM THE DESIGN AND THE REALIZATIONAbstractIn the usual temperature measurement sensing system, the sensor survey signal spreads through the wire carries on processing. In the long-distance range, the multi-spot temperature measurement, as well as on the vehicle, isolates the region and so on under the special condition in the temperature survey, the signal transmission line can bring enormous inconvenient Moreover the transmission line also easily the electromagnetic interference and the ambient temperature influence, the transmission line interface resistance and the distributed capacity also can to survey produces the adverse effect.In recent years, along with the computer network fast development, the blue tooth, infrared, GPRS, Zigbee and so on the wireless transmission technology one after another appeared, causes the temperature survey also to turn towards the wireless transmission development.The wireless temperature measurement system is new system of collection temperature functions and so on signal gathering, large capacity memory, radio frequency transmission, LCD dynamic demonstration, control and correspondence in a body. It is suitable to the power plant, picks the oil refinery, the well drilling construction and so on many not suitably carries on wired measures the warm situation. Measured the warm spot by the digital temperature sensor DS -I8B20 constitution, DS18B20 directly transforms the temperature information the corre -sponding digital signal. The ATmega16 monolithic integrated circuit constitution data acquisition, the processing module, and complete the temperature data to read takes with the transmission. The connection module divides into two parts of lower position machine correspondence connection and on position machine correspondence connection. Lower position machine through mega16 monolithic integrated circuit serial port transmission and receive data, on position machine through serial port receive and transmission data, and the temperature data which receives through the numeral displays.Keywords: The temperature survey; DS18B20; the monolithic integrated circuit; Zigbee; wireless transmitIII华北电力大学本科毕业设计（论文）目 录摘要IAbstractII1绪论11.1课题背景与意义11.2智能温度传感器的发展趋势11.2.1集成温度传感器的产品分类21.2.2智能温度传感器发展的新趋势21.3本文的主要工作52 IccAVR高级语言C编译器简介62.1 IccAVR概述62.2创建工程72.3工程管理72.4编辑窗口72.5终端仿真83课题实现93.1集成温度传感器概述93.1.1电压式温度传感器93.1.2电流式温度传感器103.1.3单线式数字温度传感器113.2数字式温度传感器DS18B20的选用133.2.1 DS18B20简介133.2.2 DS18B20的内部结构133.2.3 DS18B20的测温原理163.3 ATMega16简介173.3.1综述173.3.2 AVR CPU 内核183.3.2 AVR ATmega16的存储器193.4 系统硬件与软件的设计与实现213.4.1电路板的设计213.4.2测温电路设计213.4.3测温软件设计223.4.4需要注意的问题244 ZigBee技术概述264.1什么是ZigBee264.2 Zigbee技术概述264.3 ZigBee网络拓扑结构的分析与比较274.3.1 星型网络284.3.2 树型网络284.3.3 网状网络284.3.4 比较与结论294.4 Zigbee协议套件294.5 Zigbee的应用实例305实验测试32结论33参考文献34附录35致谢42外文文献翻译原文43外文文献翻译译文53 华北电力大学本科毕业设计（论文）1绪论1.1课题背景与意义近年来，随着计算机与信息技术的发展，计算机测量控制系统在越来越多的场合得到了广泛应用。温度是许多监控系统中的一个重要参数。对于需要实时温度测量的场合，计算机测控系统更为重要。通常的测温传感系统中，传感器的测量信号通过导线传出进行处理。在远距离、多点测温中，以及运动体上，隔离区域等特殊条件下的温度测量中，信号传输线都会带来极大的不便。而且传输线也易受电磁干扰和环境温度的影响，传输线的内阻与分布电容也会对测量产生不利影响。无线测温系统是一种集温度信号采集、大容量存储、射频发送、LCD动态显示、控制与通信等功能于一体的新型系统。适用于发电厂、采油厂、钻井施工等许多不宜进行有线测温的场合。要达到以上场合测温要求,无线测温系统必须满足以下几点:(1)快速准确，及时掌握温度变化；(2)外观设计要小型化、轻便化、尽量外在条件对温度测量造成的影响；(3) 应具备远距离数据传输、数据分析、存储和显示功能;(4)操作简单化，同时应该具备友好的人机界面；从以上可以看出本课题研究的无线测温系统，对于发电厂、采油厂、钻井施工等高危场合进行温度测量提供了很大便利，事实证明类似的无线测温系统在工业生产中起着重要的作用。1.2智能温度传感器的发展趋势现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段；(1)传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；(2)模拟集成温度传感器控制器；(3)智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。1.2.1集成温度传感器的产品分类（1）模拟集成温度传感器集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(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、微功耗等，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。（2）模拟集成温度控制器 模拟集成温度控制器主要包括温控开关、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，这是二者的主要区别。（3）智能温度传感器 智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在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。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。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)；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。1.2.2智能温度传感器发展的新趋势进入21世纪后，智能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。（1）提高测温精度和分辨力在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1。目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是912位A/D转换器，分辨力一般可达0.50.0625。由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125，测温精度为0.2。为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27s、9s。（2）增加测试功能新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。例如，DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的E2PROM存储器，可存储用户的短信息。另外，智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。智能温度传感器都具有多种工作模式可供选择，主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式，有的还增加了低温极限扩展模式，操作非常简便。对某些智能温度传感器而言，主机(外部微处理器或单片机)还可通过相应的寄存器来设定其A/D转换速率(典型产品为MAX6654)，分辨力及最大转换时间(典型产品为DS1624)。智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。典型产品有DS1620、DS1623、TCN75、LM76、MAX6625。智能温度控制器适配各种微控制器，构成智能化温控系统；它们还可以脱离微控制器单独工作，自行构成一个温控仪（3）总线技术的标准化与规范化目前，智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线(-Wire)总线、I2C总线、SMBUS总线和SPI总线。（4）可靠性及安全性设计传统的A/D转换器大多采用积分式或逐次比较式转换技术，其噪声容限低，抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差。新型智能温度传感器(例如TMP03/04、LM74、LM83)普遍采用了高性能的式A转换器，它能以很高的采样速率和很低的采样分辨力将模拟信号转换成数字信号，再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术，来提高有效分辨力。式AD转换器不仅能滤除量化噪声，而且对外围元件的精度要求低。为了避免在温控系统受到噪声干扰时产生误动作，在AD7416/7417/7817、LM75/76、MAX6625/6626等智能温度传感器的内部，都设置了一个可编程的“故障排队(fault queue)”计数器，专用于设定允许被测温度值超过上、下限的次数。仅当被测温度连续超过上限或低于下限的次数达到或超过所设定的次数n(n=14)时，才能触发中断端。若故障次数不满足上述条件或故障不是连续发生的，故障计数器就复位而不会触发中断端。这意味着假定n=3时，那么偶然受到一次或两次噪声干扰，都不会影响温控系统的正常工作。LM76型智能温度传感器增加了温度窗口比较器，非常适合设计一个符合ACPI(AdvAnced ConfigurAtion And Power Interface，即“先进配置与电源接口”)规范的温控系统。这种系统具有完善的过热保护功能，可用来监控笔记本电脑和服务器中CPU及主电路的温度。微处理器最高可承受的工作温度规定为tH，台式计算机一般为75，高档笔记本电脑的专用CPU可达100。一旦CPU或主电路的温度超出所设定的上、下限时， INT端立即使主机产生中断，再通过电源控制器发出信号，迅速将主电源关断起到保护作用。此外，当温度超过CPU的极限温度时，严重超温报警输出端(T_CRIT_A)也能直接关断主电源，并且该端还可通过独立的硬件关断电路来切断主电源，以防主电源控制失灵。上述三重安全性保护措施已成为国际上设计温控系统的新观念。为防止因人体静电放电(ESD)而损坏芯片。一些智能温度传感器还增加了ESD保护电路，一般可承受10004000V的静电放电电压。通常是将人体等效于由100PF电容和1.2K欧姆电阻串联而成的电路模型，当人体放电时，TCN75型智能温度传感器的串行接口端、中断比较器信号输出端和地址输入端均可承受1000V的静电放电电压。LM83型智能温度传感器则可承受4000V的静电放电电压。最新开发的智能温度传感器(例如MAX6654、LM83)还增加了传感器故障检测功能，能自动检测外部晶体管温度传感器(亦称远程传感器)的开路或短路故障。MAX6654还具有选择“寄生阻抗抵消”(PArAsitic ResistAnce CAncellAtion，英文缩写为prc)模式，能抵消远程传感器引线阻抗所引起的测温误差，即使引线阻抗达到100欧姆，也不会影响测量精度。远程传感器引线可采用普通双绞线或者带屏蔽层的双绞线。（5）虚拟温度传感器和网络温度传感器(a)虚拟传感器虚拟传感器是基于传感器硬件和计算机平台、并通过软件开发而成的。利用软件可完成传感器的标定及校准，以实现最佳性能指标。最近，美国公司已开发出一种基于软件设置的TEDS型虚拟传感器，其主要特点是每只传感器都有唯一的产品序列号并且附带一张软盘，软盘上存储着对该传感器进行标定的有关数据。使用时，传感器通过数据采集器接至计算机，首先从计算机输入该传感器的产品序列号，再从软盘上读出有关数据，然后自动完成对传感器的检查、传感器参数的读取、传感器设置和记录工作。(b)网络温度传感器网络温度传感器是包含数字传感器、网络接口和处理单元的新一代智能传感器。数字传感器首先将被测温度转换成数字量，再送给微控制器作数据处理。最后将测量结果传输给网络，以便实现各传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与系统之间的数据交换及资源共享，在更换传感器时无须进行标定和校准，可做“即插即用(Plug&PlAy)”，这样就极大地方便了用户。（6）单片测温系统 单片系统(System On Chip)是21世纪一项高新科技产品。它是在芯片上集成一个系统或子系统，其集成度将高达108109元件/片，这将给IC产业及IC应用带来划时代的进步。半导体工业协会(SIA)对单片系统集成所作的预测见表。目前，国际上一些著名的IC厂家已开始研制单片测温系统，相信在不久的将来即可面市。1.3本文的主要工作在现代化工业生产中，温度是一个非常重要的特征参数。而对于温度的测量工作又是重中之重。可是，在一些高温高压的场所，以往靠导线传输数据的温度传感系统由于自身的缺陷不能准确测出温度或无法正常工作，譬如说导线的内阻，导线长度等问题都会影响温度测量的准确性。在测量系统中，传感器与计算机接口的连接是通过若干条导线连接。当传感器数量较多时，尤其是信号线的长距离传输相互容易产生干扰。如一个室内多点温度测量中，系统的接线会非常多，往往连接导线不易铺设，使得测量工作非常困难。本课题所设计的无线测温系统采用总线结构数字式传感器，配合单片机及无线通信芯片，进行无线数据通信，则可以很容易解决这个问题，这样的测量系统在实际应用中就方便灵活多了。测温点由数字温度传感器DSI8B20构成，DS18B20直接把温度信息转换成相应的数字信号。数据采集、处理模块主要由ATmega16单片机构成，完成温度数据的读取和传输。通信模块分下位机通信接口和上位机通信接口两部分。下位机利用mega16单片机的串行口传输和接收数据，上位机通过串口接收和发送数据，并把接收到的温度数据通过数字表现出来。2 IccAVR高级语言C编译器简介IccAVR是一种使用符合ANSI标准的C语言来开发微控制器MCU程序的一个工具,它有以下几个主要特点:IccAVR是一个综合了编辑器和工程管理器的集成工作环境(IDE)，其可在WINDOWS9X/NT下工作；源文件全部被组织到工程之中，文件的编辑和工程的构筑也在这个环境中完成。编译错误显示在状态窗口中，并且当你用鼠标单击编译错误时，光标会自动跳转到编辑窗口中引起错误的那一行；这个工程管理器还能直接产生您希望得到的可以直接使用的INTELHEX格式文件，INTELHEX格式文件可被大多数的编程器所支持，用于下载程序到芯片中去；ICCAVR是一个32位的程序，支持长文件名。本系统就是在IccAVR这个开发平台上编写的，下面介绍一下在IccAVR使用中所要了解的知识。2.1 IccAVR概述自你启动IDE，后首先从Project菜单系统选择Open命令，进入iccexamples.avr目录并且选择并打开“led”工程，工程管理器显示在这个工程中只有一个文件led.c。然后从Project菜单中选择Options命令打开工程编译选项，在“Target”标号下选择目标处理器。然后从Project 菜单中选择Make Project命令，IDE将调用编译器编译这个工程文件，并且在状态窗口中显示所有的信息。如果没有错误在与源文件同一个目录，在这个例子中是(iccexamples.avr）中输出一个文件led.hex。这个文件是INTEL HEX格式，大多数能支持AVR MCU 的编程器和模拟器都支持这种格式，并且能下载这个程序进入你的目标系统，这样就完成了一个程序的构筑。如果你希望用支持COFF调试信息的工具来测试你的程序，比如AVR Studio。那么你需要从Project菜单中选择Options命令，在编译标签下选择COFF输出文件格式。对一些常用的功能，你也可使用工具条或鼠标右键弹出菜单。例如，你可以在工程窗口单击鼠标右键选择编译选项。在工程窗口中双击文件名，IDE将使用编辑器打开这个文件。按这个方法打开led.c，作为试验可设置一些错误。例如，从一行中删除分号“；”。现在从Project菜单中选择Make Project命令，IDE首先自动保存已经改变的文件，并且开始编译这个文件。这时在状态窗口中会显示错误信息。单击状态窗口中错误信息行，或单击其左边的错误符号光标，将移到编辑器中错误行的下面一行上(基本上所有C编译器都是这样)。2.2创建工程从Project菜单中选择New命令，并且浏览至你希望输出工程文件的目录。输出文件的名称取决于你的工程文件名称，例如如果你创建一个名称为foo.prj的工程，那么输出文件名称为foo.hex或foo.cof等。自从创建你自己的工程后，你可以开始写你的源代码（C或汇编格式)，并且将这个文件加入到工程文件排列中单击工具栏中Build图标可以很容易地构筑这个工程IDE输出与ATMEL的AVR Studio完全兼容的COFF文件你可以使用ATMEL的AVR Studio来调试你的代码为更容易地使用这个开发工具你可以使用应用程序向导来生成一些使用有关硬件的初始化代码。2.3工程管理工程管理允许你将多个文件组织进同一个工程，而且定义它们的编译选项。这个特性允许你将工程分解成许多小的模块，当你处理工程构筑时只有一个文件被修改和重新编译。如果一个头文件作了修改，当你编译包含这个头文件的源文件时，IDE会自动重新编译已经改变的头文件一个源文件可以写成C 或汇编格式的任意一种。C文件必须使用“.c”扩展名，汇编文件必须使用“.s”扩展名。你可以将任意文件放在工程列表中，例如你可以将一个工程文档文件放在工程管理窗口中，工程管理器在构筑工程时对源文件以外的文件不予理睬，对目标器件不同的工程可以在编译选项中设置有关参数。当你新建一个工程时，使用默认的编译选项你可以将现有编译选项设置成默认选项，也可将默认编译选项装入现有工程中。默认编译选项保存在default.prj文件中。为避免你的工程目录混乱，你可以指定输出文件和中间文件到一个指定的目录，通常这个目录是你的工程目录的一个子目录。2.4编辑窗口编辑窗口是你与IDE交流信息的主要区域，在这个窗口中你可以修改相应的文件。当编译存在错误时，用鼠标单击有关错误信息时，编辑器会自动将光标定位在错误行的位置。应用构筑向导是用于创建外围设备初始化代码的一个图形界面，你可以单击工具条中的Wizard按钮或菜单Tools中的ApplicationBuilder命令来调用它。应用构筑向导使用编译选项中指定的目标MCU来产生相应的选项和代码。应用构筑向导显示目标MCU的每一个外围设备子系统，它的使用是很显而易见的。在这里你可以设置MCU的所具有的中断、内存、定时器、IO端口、UART、SPI和模拟量比较器等外围设备。并产生相应的代码如果你需要的话还可产生main( )函数。2.5终端仿真IDE有一个内置的终端仿真器。注意：它不包含任意一个ISP在系统编程功能，但它可以作为一个简单的终端，或许可以显示你的目标装置的调试信息，也可下载一个ASC 码文件。3课题实现3.1集成温度传感器概述目前，集成温度传感器在温度检测系统中应用越来越多，而其输出信号形式大致有电压、电流和数字三类。在实际温度检测过程中，如何选用传感器显得至关重要。本节主要介绍了输出电压式集成温度传感器AN6701S、输出电流式集成温度传感器AD590和输出数字式集成温度传感器DS18B20的特性、工作原理和测量电路。3.1.1电压式温度传感器AN6701S 是日本松下公司研制的一种具有灵敏度高、线性度好、高精度和快速响应的特点的电压输出型集成温度传感器，它有四个引脚，其接线方式有三种：正电源供电、负电源供电、输出极性颠倒，如图2-1所示。(a)正电源供电 (b)负电源供电 (c)输出极性颠倒图2-1 AN6700S的接线方式其中1、2脚为输出端，3、4接外部校正电阻Rc，用来调整25下的输出电压，使其等于5V，RC的阻值在330K范围内。这时灵敏度可达109+110Mv/，在-1080范围内基本误差不超过1，温度分辨率可达0.1。这种集成传感器在静止空气中的时间常数为24s，在流动空气中为11s。电源电压在515V间变化，所引起的测温误差一般不超过2。整个集成电路的电流值一般为0.4mA， 最大不超过0.8mA(RL=时)。实验证明：如果环境温度为20，当RC=1K时，AN6700S输出电压为3.189V；当RC=10K时，AN6700S输出电压为4.792V；当RC=100K时，AN6700S输出电压为6.175V。因此，使用AN6700S检测一般环境温度时，适当校正电阻RC，不用放大器可直接将输出信号送入A/D转换器，再给微处理器进行处理、显示、打印或存储等。3.1.2电流式温度传感器AD590是美国AD公司研制的一种电流式集成温度传感器。其直流工作电压为+4V到30V，当电源电压由5V向10V变化时，其电流变化仅为0.2A/V：最佳使用温度范围-55+150，在此测温范围内，测量误差为0.5，测量分辨率为0.1；其输出电流，与温度的关系可用下式表示：I=KT*TK (2-1)I=KT*Tc+273.2 (2-2)式中：I-输出电流，单位A；KT-标定因子，AD590的标定因子为1A/；TK-开氏温度；Tc-摄氏温度。可见，当温度为摄氏0时，输出电流为27321A。AD590温度特性曲线如图2-2所示。图2-2 AD590温度特性曲线利用AD590将温度量转换为电信号，经差动比例放大器、滤波器后，送给AD转换器，即将模拟量变为数字量，通过计算机的打印机并口完成数据采集、处理和显示的任务。其硬件框图如图2-3所示。本测温系统中RT取阻值为1K的0.1%精密电阻，电位器WT为多圈精密电位器，通过调整WT使两级放大倍数为50时，送入A/D0804的模拟电压VIN为：当Tc =25时，VIN=1.25V；当Tc =100时，VIN =5V。在ADC0804与微机打印口相连时，利用其四条控制信号线任意两条线去控制A/D转换器的读和写(启动)，片选直接接地，转换结束信号接到打印机状态端口中五条信号线的任意一条线上，数据线直接相连。图2-3 温度数据采集框图3.1.3单线式数字温度传感器由美国DALLAS公司生产的DS1820系列数字温度计，属于新一代适配微处理器(“P)的智能温度传感器。该系列产品包括DS1820、DS1821、DS1620、DS1620R、DS1621、DS1623。它们可广泛用于工业及民用领域的温度测量及控制系统中，例如多路温度测控仪、中央空调、大型冷库、恒温装置等。此外，巧妙利用DS1820内部64位激光ROM 中具有惟一性的48位产品序号，还可设计成保密性极佳的大型宾馆客房用的电子密码锁。DS18B20有3脚TO.92封装和8脚SOIC封装两种，其中8脚SOIC封装引脚排序如图2-5所示。图2-5 DS18B20引脚 图2-6 打印口与DS18B20连线 其中3脚为电源端；4脚为数据输入，输出端；5脚接地；其余为空脚。它既可用于单点测温，又可用于多点测温， 由于其输出是数字信号，且是TTL电平，因此，使用非常方便。本实验由微机的打印口与DS18B20组成温度检测系统，具体电路如图2-6所示。微机写入DS18B20的数据是由打印口的数据端口D2 输出，经三极管反向送到DS18B20的4脚(D2)，而此脚的上拉电平由并口的3脚(D1) 经电阻提供，DS18B20采用打印口的2脚(D0)供电，只要在主机读写数据时或DS18B20处于转换中DO保持高电位即可，主机读数据时通过打印口的状态端口读回11脚(BUSY)的状态，即DS18B20送回的数据。本系统软件是在VC+60环境下编写的。其流程图如图2-7所示。开始DS18B20初始化启动DS18B20温度转换延 时读DS18B20数据数据处理显示温度N结束Y退 出图2-7 软件流程图如想实现多点测温，可在DS18B20 基础上并联多只DS18B20即可，但考虑到总线驱动能力，一般单根总线不超过16只。综上所述，所列三种传感器都是由半导体材料集成的，精度高，采用宽电压、低功耗设计，测量电路简单，且具有较高的灵敏度和分辨率。AN6700S相对测温范围窄，但灵敏度高，响应速度快，所以在公约机械和家用电器的温度控制仪器的温度检测和温度补偿等方面得到了广泛的应用。AD590相对测温范围宽，抗干扰能力强，不受长距离传输线电压降的影响，信号传输距离可达数百米。DS18B20输出是数字信号，硬件连线简单，工作可靠，一条总线可挂接多个传感器测量不同位置的温度，根据DS18B20唯一的序号识别不同传感器在各自位置的温度，但使用DS18B20时，编程较复杂；当采用普通信号线电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据发生错误，因此，在长距离测温系统设计时，要考虑分布电容的影响和阻抗匹配等问题。3.2数字式温度传感器DS18B20的选用DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。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912位的数字值读数方式。可以分别在93.75 ms和750 ms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。3.2.1 DS18B20简介（1）独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。（2）在使用中不需要任何外围元件。（3）可用数据线供电，电压范围：+3.0+5.5 V。（4）测温范围：-55+125 。固有测温分辨率为0.5 。（5）通过编程可实现912位的数字读数方式。（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。（7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。（8）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。3.2.2 DS18B20的内部结构DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图2-8所示。（1）64 b闪速ROM的结构如图2-9所示。开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。I/O64位ROM和单线接口存储器和控制逻辑VD1内部VDD高速缓存温度传感器高温触发器THGNDVD2高温触发器TLVDD电源检测配置寄存器8位CRC发生器图2-8 DS18B20内部结构图8b工厂代码（10H）48b序列号号8b检验CRCMSB LSB MSB LSB MSB LSB 图2-9 闪速ROM的结构图(2) 非易市失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限。(3) 高速暂存存储器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E2RAM。后者用于存储TH，TL值。数据先写入RAM，经校验后再传给E2RAM。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。该字节各位的定义如图2-10所示：TMR1R011111图2-10 高速寄存器第5字节各位定义低5位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，即是来设置分辨率，如表2-1所示（DS18B20出厂时被设置为12位）。设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑。表2-1 R1和R0的模式表R1R0分辨率温度最大转换时间/mm009位93.750110位187.51011位275.001112位750.00高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他8个字节组成，其分配如图2-11所示。其中温度信息（第1，2字节）、TH和TL值第3，4字节、第68字节未用，表现为全逻辑1；第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。温度低位温度高位THTL配置保留保留保留8位CRC图2-11 高速暂存存储器其他8字节示意图当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1，2字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0.062 5 /LSB形式表示。温度值格式如图2-12所示：232221202-12-22-32-4SSSSS262524图2-12 温度存储示意图对应的温度计算：当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变换为原码，再计算十进制值。表2-2是对应的一部分温度值。表2-2 部分温度值温度/二进制表示十六进制表示+125000001111101000007D0H+25.062500000001100100010191H+0.500000000000010000008H000000000000000000000H-0.51111111111111000FFF8H-25.06251111111001101111FE6FHDS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与TH，TL作比较，若TTH或TTL,则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行告警搜索。(4) CRC的产生在64 b ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。斜率累加器计数比较器减法计数器预置低温度系数震荡器温度寄存器减到0预置减到0减法计数器高温度系数震荡器增加停止图2-13 DS18B20内部测温电路框图3.2.3 DS18B20的测温原理DS18B20的测温原理如图2-13所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55 所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55 所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，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。图2-13中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。3.3 ATMega16简介3.3.1综述 ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AVR 内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。ATmega16 有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU 停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC 噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC 以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。本芯片是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash允许程序存储器通过ISP串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(Application Flash Memory)。在更新应用Flash存储区时引导Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了RWW操作。通过将8位RISC CPU与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内，ATmega16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATmega16 具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C 语言编译器、宏汇编、程序调试器/软件仿真器、仿真器及评估板。3.3.2 AVR CPU 内核CPU的主要任务是保证程序的正确执行。因此它必须能够访问存储器、执行运算、控制外设以及处理中断。为了获得最高的性能以及并行性，AVR 采用了Harvard 结构，具有独立的数据和程序总线。程序存储器里的指令通过一级流水线运行。CPU在执行一条指令的同时读取下一条指令(在本文称为预取)。这个概念实现了指令的单时