温度检测实训指导书.doc

温度检测实训指导书 基于DS18B20的温度检测系统实训指导书本次实训时间为2周，具体安排如下设计任务计划时间布置任务，说明设计的性质及内容初步分析电路图天研究指导书、查找资料1天显示接口技术天焊接1天显示原理、编程、调试天DS18B20数据采集原理、编程、调试天全部调试1天书写实训报告等天 一、前言在生产生活中，温度是一个很重要的量，所以，温度的检测是不可缺少的。 在单片机的应用中，一个很重要的应用就是对温度进行检测。 本实训首先介绍温度测量的有关知识，接着介绍实现温度检测所必须的元器件，并且给出硬件的原理图，然后逐步分析程序的各个主要模块以及程序的全貌，最后将总结一下实例的技巧与注意点。 1、基础知识温度测量的基础知识主要包括温度测量的基本概念和温度传感器的简介。 下面将就这两个方面进行介绍。 温度是表征物体冷热程度的物理量。 温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。 它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。 目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。 华氏温标（）规定在标准大气压下，冰的熔点为32，水的沸点为212，中间划分180等份，每一份为华氏1度，符合为。 摄氏温标（）规定在标准大气压下，冰的熔点为0，水的沸点为100，中间划分180等份，每一份为摄氏1度，符合为。 热力学温标又称开尔文温标，或称绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度，记符合为K。 国际实用温标是一个国际协议性温标，它与热力学温标相接近，而且精度高，使用方便。 目前国际通用的温标是1975年第15届国际权度大会通过的1968年国际实用温标-1975年修订版，记为IPTS-68（Rev-75）。 但由于IPTS-68温标存在一定的不足，国际计量委员会在18届国际计量大会第七号决议授权予1989年会议通过了1990年国际温标ITS-90，ITS-90温标替代了IPTS-68。 我国自1994年1月1日起全面实施ITS-90国际温标。 2、温度传感器的简单介绍测量温度的时候，通常使用线性（NTC）温度传感器。 线性温度传感器就是线性化输出的负温度系数（简称NTC）热敏元件，它实际上是一种线性温度电压转换元件，就是说在通以工作电流（100A）的条件下，元件的电压值随温度呈线性变化，从而实现了非电量到电量的线性转换。 这种温度传感器其主要特点就是在工作温度范围内温度电压关系为一直线，这使得二次开发测温、控温电路的设计，将无需线性化处理，就可以完成测温或控温电路的设计，从而简化仪表的设计和调试。 温度传感器的重要参数如下测温范围可在-200+200之间，但考虑实际的需要，一般无需如此宽的温度范围，因而3个不同的区段，以适应不同封装设计，同时在延长线的选用上亦有所不同。 而对于温度补偿专用的线性热敏元件，则只设定工作温度范围为-40+80，完全可以满足一般电路的温度补偿之用。 基准电压指传感器置于0的温场（冰水混合物），在通以工作电流（100A）的条件下，传感器上的电压值。 实际上就是0点电压。 其表示符号为V （0），该值出厂时标定，由于传感器的温度系数S相同，则只要知道基准电压值V （0），即可求知任何温度点上的传感器电压值，而不必对传感器进行分度。 温度系数S指在规定的工作条件下，传感器的输出电压值的变化与温度变化的比值，即温度每变化1传感器的输出电压变化之值，其表达式为S=V/T（mV/）。 温度系数是线性温度传感器作为温度测量元件的物理基础，其作用与热敏电阻的B值相似，这个系数在整个工作温度范围内是同一值，即-2mV/，而且各种型号的传感器也是同一值，这一点传统的热敏电阻温度传感器是无可比拟的。 互换精度指在同一工作条件下（同一工作电流、同一温度）对于同一个确定的理想拟合直线，每一只传感器的电压V（T）温度T曲线与该直线的最大偏差，这个偏差通常按传感器的温度电压转换系数S折合成温度来表示。 由于传感器的输出线性变化及温度电压转换系数相同，即在测温范围内全程互换，所以互换精度表示了基准电压值的离散程度，即用基准电压值的离散值折合成温度值的大小来描述整批传感器之间的互换程度。 线性度是描述传感器的输出电压值随温度变化的线性程度，实际上也就是传感器输出电压在工作温度范围内相对于理想拟合直线的最大偏差。 一般情况下，其线性度的典型值为0.5%，很显然传感器的线性度越高（其值越小），仪表的设计就越简单，在仪表的输入级完全不必采用线性化处理。 二、使用器件本实训中除了8051外，还需要用到DS18B20温度传感器。 温度传感器DS18B20介绍如图1所示，由DS18B20的外观图可见，它有3个管脚，脚1GND接地，脚2DQ是一线总线，是数字信号输入/输出端，和单片机相连接由单片机控制，管脚3VDD是电源，外接供电电源。 DS18B20内部结构主要是由4个部分组成。 64位光刻ROM光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，即ID。 它的作用是使每一个DS18B20的地址都不相同，可以实现在相同的总线上挂多个DS18B20的目的。 64位光刻ROM的排列是开始8位（28H）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（CRC=X8+X5+X4+1）温度传感器在DS18B20温度传感器的使用中，以12位转化为例，从DS18B20中得到16位符合扩展的二进制补码读数形式，以0.0625/LSB的形式表达，其中S为符合位。 二进制的数存储在DS18B20的2个8位的RAM中，这是12位转化后得到的16位数据，其中前面5位是符合位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘以0.0625即可得到实际温度。 非挥发的温度报警触发器TH和TL DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个暂存RAM和一个非易失控的可电擦出的E2RAM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。 当温度到达低温或高温的时候，温度报警触发器会发出报警。 高速暂存RAM高速暂存存储器包含了8个连续字节，字节0和字节1是测得的温度信息，其中字节0的内容是温度的低8位，字节1的内容是温度的高8位。 字节2和字节3是TH、TL的易失性拷贝，字节4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。 字节 5、6/7用于TMR1R011111。 每一次进行针对18B20的读写前，都需要对DS18B20进行设置。 从上面的定义看出，该字节的低5位一直都是1，TM位是测试模式为，用于设置DS18B20在工作模式及测试模式。 在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要进行改动。 R1和R0用来设置分辨率，具体的分辨率定义如表1所示（DS18B20出厂时被设置为12位）。 表1分辨率设置表RO R1分辨率最大温度转换时间009位96.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms DS18B20的通信协议参照数据手册，这里不再详细叙述。 根据DS18B20的数据手册，主机控制DS18B20完成温度转换的过程是每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，即将数据总线下拉500s，然后释放，DS18B20收到信号后等待1660s左右，之后发出60s240s的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功；复位成功后发送一条ROM指令（ROM指令如表2所示），然后发送RAM指令（RAM指令如表3所示），这样才能对DS18B20进行预定的读写操作。 表2ROM指令集指令约定代码功能读ROM33H读DS18B20中的编码（即64位地址）符合ROM55H发出此命令后，接着发出64位ROM编码，访问单线总线上与该相对应的DS18B20使之做出响应，为下一步对该DS18B20的读写作准备搜索ROM0F0H用于确定挂接在同一总线上的DS18B20个数和识别64位ROM地址，为操作各器件做好准备跳过ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS18B20发送温度变换命令，适合单片机告警搜索命令0ECH执行后，只有温度超过设定值上限或下限的片子才能做出反应表3RAM指令集指令约定代码功能温度变换44H启动DS18B20进行温度转换，转换时间最长为500ms，结果存入内部9字节RAM中读暂存器0BEH读内部RAM中9字节的内容写暂存器4EH向内部RAM的第 3、第4字节写上、下限数据命令，紧跟该命令后的是传送2字节数据复制暂存器48H将RAM中的第 3、4字节内容复制到E2PRAM中重调E2PRAM0B8H将E2PRAM中内容复制到RAM中的第 3、4字节读供电方式0B4H读DS18B20的供电模式，寄生供电时DS18B20发送0，外接供电发送1DS18B20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，在实际应用中也应注意以下几方面的问题。 因为DS18B20的硬件比较简单，所以软件设计相对比较复杂，需要按照DS18B20的说明书，严格按照时序对DS18B20进行读写操作，通常在处理的时候，采用汇编语言来保证严格的时序，在复杂的程序中，需要在高级语言中嵌入汇编代码来保证时序的可控制性。 另外，对于单总线的DS18B20来说，传感器的驱动能力有限，不能直接悬挂无限多个DS18B20，这一点在说明书上没有体现，使用时需要注意，一般来说，总线上的DS18B20最多可以直接挂8个，当数量超过8个的时候，需要对总线进行驱动，提供更大的电流。 除了总线上的驱动问题，总线的分布电容也会使信号发生畸变，当使用普通电缆的时候，传输长度超过50m后温度数据将会出错，如果使用双绞线，传输长度可以达到150m，所以在使用DS18B20的时候，总线的长度是有限制的，并且在设计硬件的时候需要考虑电阻和电容的匹配问题。 最后，在使用DS18B20的过程中，需要根据DS18B20的手册，对传感器进行写操作，发出温度转换的命令，再等待传感器返回温度值，这样需要在软件设计上考虑到等待超时的机制，并且在硬件设计上也需要注意线的连接，不要出现接触不良的现象。 三、硬件电路图（仅供参考）如图2所示，本实训中注意用到的器件有AT89C52单片机、温度传感器DS18B 20、LED数码管、NPN型三极管等，其中，DS18B20与单片机通过一线总线相连接，AT89C52通过通用I/O口P2.2对DS18B20进行控制，读取DS18B20所测得的温度；LED数码管也是通过通用I/O口与AT89C52相连接，数码管DS1显示采集温度的个位，数码管DS2显示采集温度的十位。 EA/VP31X1X21918R ESET9R DWR1716INT012INT113T014T115P10/TP11/TP12P13P14P15P16P1712345678P00P01P02P03P04P05P06P073938373635343332P20P21P22P23P24P25P26P272122232425262728PSEN29ALE/P30TXD11R XD10U180C52Y111.0592MHzC122pFC222pFC322uFR110kVCCabfcgdeDPY12345678abcdefgdpdpDS1Dpy Red-CCabfcgdeDPY12345678abcdefgdpdpDS2Dpy Red-CC123U2DS18B20R24kVCCQ1NPNQ2NPNVCC图2 四、软件设计单片机与DS18B20进行通信时，需要按照DS18B20的通信协议进行通信，对于编写程序来说，DS18B20的数据读取和写入需要用移位的方式进行。 本实训将在单片机与DS18B20之间进行应答来采集温度参数，单片机先将与DS18B20的连线电平拉低500ms以上，将DS18B20复位，在进行操作。 先向DS18B20发送指令，跳过ROM后发出转换温度的指令，然后初始化后读取温度，将读到的温度在2KB的数字管上显示出来。 本节介绍一下温度采集的经过。 下面将首先对程序的主要模块进行介绍，然后给出整个程序。 1、初始化在这一部分程序中，需要将DS18B20的一线总线拉低500ms以上，将DS18B20复位，然后将总线置高，等待DS18B20的回应，有应答就置标志位，没有应答就清空标志位。 选择总线上只有一个DS18B20，所以跳过ROM，电路中采用的晶振频率fosc=11.0592MHz，通过计算公式，可以算出空跑的语句行数。 2、查询时间通过向DS18B20发送指令来查询时间。 在每次操作前，都需要将DS18B20置位，先向DS18B20发送温度转化的指令，根据表2，需要750ms的等待时间，在这段时间中，通过调用显示子程序来做到延迟。 然后，向DS18B20发送读取温度的指令，将温度读取出来，放到缓存中去。 3、发送指令使用通用I/O口向DS18B20写数据。 通过单总线采取移位的方式来向DS18B20写入数据，按照8位的方式写进去。 在写的过程中，需要严格按照DS18B20的产品说明书的时序进行些操作每次将1Bit数据写入前，都需要对DS18B20进行写的初始化，将数据线拉低60s以上，完成写初始化后，将1位数据写进DS18B20，然后等待15s以上，写操作完成，继续初始化，写下1位，直到写完