远距离室内温度监控系统设计实现远距离室内温度监控系统设计实现摘要摘要随着现代信息化技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，能独立工作 的温度检测系统已广泛应用于各种不同的领域。温度检测在工农业生产、科研 和在人们的生活中得到广泛的运用。目前，温度传感器正从模拟式向数字集成 式方向飞速发出，DS18B20 便是其中优秀的代表。 本文介绍了一个基于数字温度传感器 DS18B20 的测温系统，并用 LED 数码 管显示温度值，无线发送温度值。达到远距离温度测量的实现。主要采用的是 温度传感器 18B20，无线模块 nRF24L01 和单片机控制显示模块。 本文详细叙述 18B20 的的测量原理和内部结构，以及对 18B20 温度传感器 程序的调试。 关键词：关键词：DS18B20、无线传输、单片机、温度测量目录目录 第一章 绪论 1.1 前言1.2 选题的背景和意义第二章 设计原理及方案2.1 方案的论证 2.2 DS18B20 的内部结构 2.3 DS18B20 工作过程及时序 第三章 硬件电路的设计 3.1 温度测量电路的设计3.2 无线模块电路的构成 第四章 软件设计4.1 系统的主程序原理图4.2 DS18B20 的测温原理 第五章 课程设计的体会与收获 5.1 体会和收获 5.2 展望和不足参考文献 附录一 protel 图 附录二 源程序 绪绪论论 1.1 前言随着科技的不断发展，现代社会对各种信息参数的准确度和精确度 的要求都有了几何级的增长，而如何准确而又迅速的获得这些参数就需 要受制于现代信息基础的发展水平。在三大信息信息采集(即传感器 技术 )、信息传输 (通信技术 )和信息处理 (计算机技术 )中，传感器属 于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器技术，在我国各领域已 经引用的非常广泛，可以说是渗透到社会的每一个领域，人民的生活与 环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生 产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的 意义。1.2 选题的背景和意义本文将介绍智能集成温度传感器DS18B20 的结构特征及控制方法， 并对以此传感器， 89S51 单片机为控制器构成的数字温度控制装置的工 作原理及程序设计作了详细的介绍。其具有读数方便，方便控制，输出 温度采用数字显示，主要用于对温度控制要求比较准确的场所，或科研 实验室使用。该设计控制器使用ATMEL 公司的 AT89S51 单片机，测温 传感器使用 DALLAS 公司 DS18B20，用液晶来实现温度显示。 第第二二章章 设设计计原原理理及及方方案案2.1 方案的论证 方案一： 采用热敏电阻，热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测 1 摄氏度的 信号是不适用的，也不能满足测量范围。在温度测量系统中，也常采用单片温 度传感器，比如 AD590，LM35 等。但这些芯片输出的都是模拟信号，必须经过 A/D 转换后才能送给计算机，这样就使测温系统的硬件结构较复杂。另外，这 种测温系统难以实现多点测温，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软 件实现的难度。 方案二： 采用单总线数字温度传感器 DS18B20 测量温度，直接输出数字信号。便于 单片机处理及控制，节省硬件电路。且该芯片的物理化学性很稳定，此元件线 形性能好，在 0100 摄氏度时，最大线形偏差小于 1 摄氏度。DS18B20 的最大 特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计 DS18B20 和微控制器 AT89C51 构成的温度装置，它直接输出温度的数字信号到微控制器。每只 DS18B20 具有一个独有的不可修改的 64 位序列号，根据序列号可访问不同的器 件。这样一条总线上可挂接多个 DS18B20 传感器，实现多点温度测量，轻松的 组建传感网络。 综上分析，我们选用第二种方案。 2.2 DS18B20 的内部结构 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，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 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 DS18B20 是美国无需额外电源。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。以下是 DS18B20 的特点： 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。 在使用中不需要任何外围元件。 可用数据线供电，电压范围：+3.0 +5.5 V。 测温范围：-55 - +125 。固有测温分辨率为 0.5 。 通过编程可实现 9-12 位的数字读数方式。 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2.3 DS18B20 工作过程及时序DS18B20 内部的低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度变化很小的振荡 器，为计数器 1 提供一频率稳定的计数脉冲。 高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的振荡器，为计数器 2 提 供一个频率随温度变化的计数脉冲。 初始时，温度寄存器被预置成-55，每当计数器 1 从预置数开始减计数 到 0 时，温度寄存器中寄存的温度值就增加 1，这个过程重复进行，直到计 数器 2 计数到 0 时便停止。初始时，计数器 1 预置的是与-55相对应的一个预置值。以后计数器 1 每一个循环的预置数都由斜率累加器提供。为了补偿振荡器温度特性的非线性 性，斜率累加器提供的预置数也随温度相应变化。计数器 1 的预置数也就是在 给定温度处使温度寄存器寄存值增加 1计数器所需要的计数个数。 DS18B20 内部的比较器以四舍五入的量化方式确定温度寄存器的最低有效 位。在计数器 2 停止计数后，比较器将计数器 1 中的计数剩余值转换为温度值 后与 0.25进行比较，若低于 0.25，温度寄存器的最低位就置 0；若高于 0.25，最低位就置 1；若高于 0.75时，温度寄存器的最低位就进位然后置 0。这样，经过比较后所得的温度寄存器的值就是最终读取的温度值了，其最后 位代表0.5，四舍五入最大量化误差为1/2LSB，即 0.25。 温度寄存器中的温度值以 9 位数据格式表示，最高位为符号位，其余 8 位 以二进制补码形式表示温度值。测温结束时，这 9 位数据转存到暂存存储器的 前两个字节中，符号位占用第一字节，8 位温度数据占据第二字节。 DS18B20 测量温度时使用特有的温度测量技术。DS18B20 内部的低温度系数 振荡器能产生稳定的频率信号；同样的，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号。当计数门打开时，DS18B20 进行计数，计数门开通时间由高温度 系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性度加以补偿。 测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应该为 9 位，但因符号位扩 展成高 8 位，所以最后以 16 位补码形式读出。DS18B20 工作过程一般遵循以下协议：初始化ROM 操作命令存储 器操作命令处理数据第三章第三章 硬件电路的设计硬件电路的设计3.1 温度测量电路的设计 由于 DS18B20 是数字式温度传感器，里面已经包含了 AD 转换等电路，所以 硬件设计简单，其连接图如下所示：3.2 无线模块电路的构成 由于是传感器的课程设计，其重点不在无线模块上，故采用了现成无线模 块 nRF24L01，其电路图如下3.3 整体电路的设计 第 3 节用单片机控制温度传感器采集显示温度值，所以需要自己设计 52 单 片机最小系统，以及数码管等显示电路。其具体电路图如下：图 2.4.3 单片机最小系统电路原理图图 2.4.1 数码管显示电路原理图第四章第四章 软件设计软件设计4.1 系统的主程序原理图本说明书主要针对的是 DS18B20 温度传感器原理的概述，所以基于单片机的程 序设计主要是为了验证 DS18B20 测温的可行性。本程序主要由无线模块驱动、 DS18B20 驱动和温度值显示等程序构成。 其基本程序构成如下：4.2 DS18B20 的测温原理DS18B20 的测温原理上图所示，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 时温度时 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 原理第五章第五章 课程设计的体会与收获课程设计的体会与收获 5.1 体会和收获经过近一周的紧张忙碌，我们的课程设计也几近结束。此次课程设计， 我们实现了软件平台上的仿真，经过调试改进，实现了一些硬件功能。理论联 系实际，让我们在实践中去更好的理解和运用我们所学到的知识，获益匪浅。 在此设计期间，老师给了我们很大的帮助，衷心感谢我们的指导教师，老师在 设计和调试的各个阶段给了我们很大的宝贵意见和悉心指导。同时感谢我们的 小组成员，大家发挥各自所长，分工协作，使我们的设计能够有条不紊，高效 率的进行，团队合作给了我们设计很大的推动力。 在课设中我也学习到了团 队的作用，只有不断的学习，不断的去思考，不断的去寻求答案，不断的去实 践，你才会真的掌握一种技术。感谢老师这几天的指导，感谢这几天和我一起 完成课设的同学们。我将会铭记这次宝贵的经验和这几天所有得到的快乐 5.2 展望和不足随着计算机软硬件技术的飞速发展，新产品与新技术日新月异，每一产品都 面临着新的挑战。同时，由于作者经验上的不足，技术水平有限，本文设计的 智能压力传感系统也有其不足之处函待改进，主要体现在以下几个方面：（1） 压力采样点的问题（2）人机交换的问题参考文献参考文献1. 谭浩强. C 程序设计.清华大学出版社M.2006 2. 郭天祥.新概念 51 单片机 C 语言教程.入门、提高、开发M.电子工业出版 社.2009 3. 付聪，付慧生，李益青. 基于 nRF24L01 的无线温度采集控制系统的设计J.工 矿自动化 2010(1):73-75 4. 于永.51 单片机 C 语言常用模块与综合系统设计实例精讲M.北京：电