多点室温检测器设计与研究
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第1章 绪论
1 第1章 绪论
温度是一种最基本的环境参数，人们的生活与环境的温度息息相关，物理、化学、生物等学科都离不开温度。在电力、化工、石油、冶金、机械制造、大型仓储室、实验室、农场塑料大棚以及人们的居室里经常需要对环境温度进行检测，并根据实际的要求对环境温度进行控制。例如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行；炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分流才能得到汽油、柴油、煤油等产品；没有合适的温度环境，许多电子设备不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。可见，研究温度的测量具有重要的理论意义和推广价值。
本文是针对一次多点室温检测应用提出的设计题目。众所周知，东北地区的供暖期长达5个月，居民供热经常采取集中供热或小区供热方式，居民需支付相当金额的取暖费，供热部门承诺居民室内最低温度标准为18℃。但由于温度在室内分布并不均衡，因此采用一点温度测量方法，往往引起供需双方较大的争议；如采用多点温度测量方法，使用目前常用的数字温度计，必须各点依次测量，测量时间较长，效率很低。根据这一问题，我们对多点室温检测器进行了研究与设计，并提出一套新的设计方案。
为了对居民室温实施检测,利用多片DS18B20单总线型数字温度传感器实现室温的检测。DS18B20具有温度检测精度高、检测结果数字信号输出、接口电路简单、元件体积小巧等特点，易于设计精巧的测温模块；测温模块与显示模块间采用无线连接方式，这样可以避免有线方式对温度检测装置的连接限制，便于实现居民多居室的同步室温检测；测温模块与显示模块均使用51兼容单片机作为控制单元，这样便于编程设计；显示模块采用LCD液晶显示模块作为显示单元，LCD具有显示内容多、输出控制灵活的特点，便于多点温度测量结果的显示；显示模块除具有显示功能外，加设报警电路、指示电路，提供对系统工作情况进行监控的手段，便于用户故障处理。综上所述，新的多点室温检测器设计方案是建立在无线传输方式基础上的无线多点温度检测系统。第2章 系统总体方案设计
2 第2章 系统总体方案设计
多点室温检测器的设计我们主要围绕两个方面开始展开，一个是测温模块的设计，一个是温度读取仪表的设计，但是在本次设计中，为了体现设计的独创性与先进性，我们在两者的连接上，我们准备采用方便的无线传输方式。下面就具体要求及设计方案做详细介绍。
2.1设计要求
1）测温模块及温度读取仪表均采用单片机为控制核心,测温模块与温度读取仪表间采用无线互联方式通信；
2）测温模块温度测量范围-10℃~60℃，温度检测精度±0.5℃；
3）测温模块及温度读取仪表采用电池供电方式，温度读取仪表采用液晶显示方式；
4）一部温度读取仪表最多可实现10点的温度测量，允许温度读取仪表记录温度检测历史数据不超过8组；
5）设置完善的指示电路及故障报警电路；
2.2系统的总体设计
系统总体由温度检测模块、手持设备（即温度读取仪表）和连接两部分的无线传输模块三部分组成。温度检测模块以89C2051单片机作为核心，单总线数字温度传感器DS18B20作为温度采集元件，把检测到的温度值利用无线发射模块F06A和无线接收模块J06A传送到手持设备（即温度读取仪表）上，并通过LCD显示温度检测的结果。系统总体框图如图2-1所示： 第2章 系统总体方案设计
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图2-1 系统框图
第3章 系统硬件设计
4 第3章 系统硬件设计
3.1温度检测电路的设计
在众多的温度检测元件中，温敏电阻虽然成本低，但后续电路复杂，且需要进行温度标定，因此使用越来越少；电流型集成温度传感器AD590因其输出为模拟信号，且输出信号较弱所以需要后续放大及A/D转换电路，电路结构复杂。为保证测量精度需要使用仪用运放设计放大电路，由于仪用放大器价格较高，因而造成测量系统成本升高。
本设计选用了美国DALLAS公司生产的单总线DS18B20数字式温度传感器作为温度检测元件。DS18B20是DS1820的更新产品，它与传统的热敏电阻温度传感器不同，改变了传统温度测试方法，它能在现场采集温度数据，直接将温度物理量变换为数字信号并以总线方式传送到计算机进行数据处理，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字式读数方式，因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高，大大提高系统的抗干扰能力。DS18B20体积小、经济、使用方便灵活，测试精度高，较高的性能价格比，有CRC校验，可靠性高，系统简明直观。适合于恶劣环境的现场温度测试，广泛应用于环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等的设计。下面就DS18B20的功能及工作原理做详细介绍。
3.1.1 DS18B20简介
一、功能特性
(1)电压适用范围:3.0V — 5.0V，在寄生电源方式下可由数据线供电；
(2)独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条I/O口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通信；
(3) DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，每个DS18B20都有一个单一的64位序列号存储在片内ROM中，因此可以使多个DS18B20共存于同一根数据传输线上，实现多点测温。CPU只需一根端口线第3章 系统硬件设计
5 就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路 ；
(4)DS18B20在使用中不需要任何外围元件，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；
(5)测温范围:-55℃~+l25℃；
(6)可编程的分辨率为9~12位，即具有可调的温度分辨率；
(7)用户可自设定非易失温度报警上下限值TH和TL；
(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；
(9)测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。
二、引脚说明
DS18B20的外形见图3-1所示，其采用TO-9封装形式。另还有8脚SOIC封装形式，只用3，4和5脚，其余为空脚或不需要连接引脚。各引脚的功能描述如下：
GND：接地引脚
DQ ：数据输入/输出引脚（单总线接口，也可作寄生供电）
VDD：+5V电源电压引脚
本检测系统中采用的是TO-9封装。
图3-1 DS18B20的引脚排列 第3章 系统硬件设计
6 三、DS18B20的工作原理
DS18B20温度传感器是通过温度对振荡器的频率影响来测量温度，如图3-2所示，DS18B20内部有两个不同温度系数的振荡器。低温系数振荡器输出的时钟脉冲信号通过由高温系数振荡器产生的门开通周期而被计数，通过该计数值来测量温度。计数器被预置为与一55℃对应的一个基数值，如果计数器在高温系数振荡器输出的门周期结束前计数到零，表示测量的温度高于一55℃，被预置在一55℃的温度寄存器的值就增加一个增量，同时为了补偿和修正温度振荡器的非线性，计数器被斜率累加器所决定的值进行预置，时钟再次使计数器计数直至零，如果门开通时间仍未结束，那么重复此过程，直到高温度系数振荡器的门周期结束为止。这时温度寄存器中的值就是被测的温度值。这个值以16位二进制补码的形式存放在便笺式存储器中. 温度值由主机通过发送读存储器命令读出，经过取补和十进制转换，得到实测的温度值。
图3-2 DS18B20的温度测量原理框图 斜率累加器预 置
低温度系数振荡高温度系数振荡计数器预 置
=0
计数器=0 温度寄存器 比较
停止 置位/清除
加1 第3章 系统硬件设计
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四、 DS18B20的内部结构
DS18B20内部结构如图3-3所示，主要由4部分组成:64位激光ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
图3-3 DS18B20内部结构
每个DS18B20包括一个全球唯一的64位长的序列号。该序列号的值存放在DS18B20内部的ROM只读存储器中。开始的8位是产品的类型编号(28H)，接着的48位是每个器件唯一的序号，最后的8位是前面56位的CRC(循环冗余校验)码。
所以，多个DS18B20可以挂载在一根总线上，处理器可以根据序列号来读取数据。另外用户还可自设定非易失性温度报警上下限值TH 和TL(掉电后依然保存)，DS18B20在完成温度变换后所测温度值将自动与储存在TH和TL内的触发值相比较，如果测温结果高于TH或低于TL，DS18B20内部的告警标志就会被置位，表示温值超出了测量范围，到时还有报警搜索命令识别出温度超过的DSl8B20。
第3章 系统硬件设计
8 五、测温单元的数据通信
DS18B20 的命令是靠严格的通信协议来支撑的，为保证数据可靠地传送，同一时刻单总线上只能有一个控制信号或数据。进行数据通信时一定要符合单总线协议。主机对某一测控对象操作时，一般由以下四个过程:(1)初始化信号;(2)发ROM命令:(3)发RAM命令:(4) 进行数据交换。其工作流程见图3-4。主机对DS18B20发送任何命令前，必须先对其进行初始化，只有当DS18B20应答准备好以后，主机才可以发操作命令。
图 3-4 DS18B20 的命令流程
