【文章內(nèi)容簡介】 接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。 溫度傳感器 發(fā)展趨勢 現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集 (即傳感器技術(shù) )、信息傳輸 (通信技術(shù) )和信息處理 (計(jì)算機(jī)技術(shù) )。傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域，數(shù)量高居各種傳感器之首。溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段； (1)傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器 (含敏感元件 )； (2)模擬集成溫度傳感器／控制器； (3)智能溫度傳感器。國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。在 20 世紀(jì) 90年代中期最早推出的智能溫度傳感器，采用的是 8位 A/D 轉(zhuǎn)換器，其測溫精度較低，分辨力只能達(dá)到 1176。 C。國外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度傳感器，所用的是 9～ 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，分辨力一般可達(dá) ～ 176。 C。由美國 DALLAS半導(dǎo)體公司新研制的 DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出 13位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其分辨力高達(dá) 176。 C，測溫精度為177。 176。 C。為了提高多通道智能溫度傳感器的轉(zhuǎn)換速率，也有的芯片采用高速逐次 逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器。以 AD7817 型 5 通道智能溫度傳感器為例，它對本地傳感器、每一路遠(yuǎn)程傳感器的轉(zhuǎn)換時(shí)間分別僅為 27us、9us。進(jìn)入 21世紀(jì)后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。目前，智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，所采用的總線主要有單線 (1Wire)總線、 I2C 總線、 SMBus 總線和 spI 總線。溫度傳感器作為從機(jī)可通過專用總線接口與主機(jī)進(jìn)行通信。 DS18B20 是美國 DALLAS 半導(dǎo)體公 司繼 DS1820 之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn) 9～ 12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式?？梢苑謩e在 和 750ms內(nèi)完成 9 位和 12 位的數(shù)字量，并且從 DS18B20 讀出的信息或?qū)懭?DS18B20 的信息僅需要一根口線 (單線接口 )讀寫，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的 DS18B20 供電，而無需額外電源。因而使用 DS18B20 可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。 在本次設(shè)計(jì)中選用 DS18B20 溫度傳感器 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 DS18B20 溫度傳感器 DS18B20 的主要特性 1） 適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍： ～ ，在寄生電源方式下可由數(shù) 據(jù)線供電 。 2） 獨(dú)特的單線接口方式， DS18B20 在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊 。 3） DS18B20 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫 。 4） DS18B20 在使用中不需要任何外圍元件，全部 傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi) 。 5） 溫范圍－ 55℃ ～ +125℃ ，在 10～ +85℃ 時(shí)精度為 177。℃ 。 6） 可編程 的分辨率為 9～ 12 位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為 ℃ 、 ℃ 、℃ 和 ℃ ，可實(shí)現(xiàn)高精度測溫 。 7） 在 9位分辨率時(shí)最多在 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字， 12 位分辨率時(shí)最多在 750ms 內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快 。 8） 測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以 一 線總線 串行傳送給 CPU，同時(shí)可傳送 CRC 校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力 。 9） 負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會因發(fā)熱而燒毀， 但不能正常工作。 DS18B20 的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： 64位光刻 ROM 、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 DS18B20 引腳定義： 1) DQ 為數(shù)字信號輸入 /輸出端 。 2) GND 為電源地 。 3) VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 圖 41 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DS18B20 工作原理 DS18B20 的讀寫時(shí)序和測溫原理與 DS1820 相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由 2s 減為 750ms。 DS18B20 測溫原理如圖 3所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計(jì)數(shù)器 1。高溫度系數(shù)晶振 隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計(jì)數(shù)器 2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器 1和溫度寄存器被預(yù)置在－ 55℃ 所對應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器 1對 低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0時(shí)，溫度寄存器的值將加 1，計(jì)數(shù)器 1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器 1 重 新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器 2計(jì)數(shù)到 0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即 為所測溫度。圖 3中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器 1的預(yù)置值。 DS1820 使用 中注意事項(xiàng) DS1820 雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題： 1） 較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的 軟件 進(jìn)行補(bǔ)償，由于 DS1820 與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此 ，在對 DS1820 進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫時(shí)序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。在使用 PL/M、 C等高級語言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，對 DS1820 操作部分最好采用匯編語言實(shí)現(xiàn)。 2） 在 DS1820 的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛 DS1820 數(shù)量問題，容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個(gè) DS1820，在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線上所掛 DS1820超過 8個(gè)時(shí)，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí) 要加以注意。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 3） 連接 DS1820 的總線電纜是有長度限制的。試驗(yàn)中，當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過 50m 時(shí)，讀取的 測溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離可達(dá) 150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正 常通訊距離進(jìn)一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此，在用 DS1820 進(jìn)行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要 充分考 慮總線分布電容和阻抗匹配問題。 4） 在 DS1820 測溫程序設(shè)計(jì)中，向 DS1820 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待 DS1820 的返回信號，一旦 某個(gè) DS1820 接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該 DS1820 時(shí)，將沒有返回信號，程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行 DS1820 硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予 一定的重視。 測溫電纜線建議采用屏蔽 4芯雙絞線，其中一對線接地線與信號線，另一組接 VCC 和地線，屏蔽層在源端單點(diǎn)接地。 基于 DS18B20 的溫度檢測電路設(shè)計(jì) D S18B 20V C CGNDDATR0P A 0123V C C 圖 42 溫度檢測電路圖 在此電路中，只有兩個(gè) 元件，一個(gè) DS18B20 和一個(gè) 的電阻。電阻在電路中是起對數(shù)據(jù)線上拉作用。利用單片機(jī)的 PA0口對 DS18B20 進(jìn)行讀寫操作，就可以讀取出當(dāng)前的溫度值。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 5 報(bào)警顯示電路設(shè)計(jì) 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 圖 51 報(bào)警系統(tǒng)電路圖 蜂鳴器俗稱喇叭，是廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品的一種元器件，它用于提示、報(bào)警、音樂等許多應(yīng)用場合。 蜂鳴器與家用電器上面的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作電流比較大，電路上的 TTL 電平基本上驅(qū)動不了蜂鳴器，需要增加一個(gè)電流放大的電路才可以，這一點(diǎn)與家用 電器中的功放有相似之處。 學(xué)習(xí)板采用了一個(gè)很簡單的電路來實(shí)現(xiàn)蜂鳴器的聯(lián)接，由上所述，一個(gè)管腳很難驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音，所以增加了一個(gè)三極管來增加通過蜂鳴器的電流，見 上 方原理圖。 蜂鳴器的正極性的一端聯(lián)接到 5V 電源上面，另一端聯(lián)接到三極管的集電極，三極管的基級由單片機(jī)的 PD7 管腳來控制，當(dāng) PD7 管腳為低時(shí)，三極管導(dǎo)通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。用戶可以通過程序控制 PD7 管腳的置低和置高來使蜂鳴器發(fā)出聲音和關(guān)閉。 顯示電路設(shè)計(jì) 顯示可用普通數(shù)碼管顯示，顯示內(nèi)容靈活可變，但顯示內(nèi)容簡單，樣式單一，電路焊接設(shè)計(jì)復(fù)雜。本小組應(yīng)用 LCD1602液晶顯示，電路設(shè)計(jì)簡單，功耗低，顯示數(shù)字內(nèi)容靈活多變，足以滿足顯示要求，并且程序較為簡單。所以選擇 LCD1602液晶作為該作品顯示模塊。 LCD1602液晶顯示模塊（圖 52）具有體積小、功耗低、電路設(shè)計(jì) （圖 53）簡單等特點(diǎn)，現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件了。 P N PQ 90 12R 31P D 7S pe a k e rV C C天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 圖 52 LCD1602液晶顯示模塊 GND VCC VOL C D 16 02RS RW EN DB0 DB1DB2 DB3DB4DB5 DB6DB7VCCGNDGND GNDVCC VOVCCPD3PD4PD5PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7 圖 53 LCD1602液晶原理圖 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 6 數(shù)據(jù)通信模塊 數(shù)據(jù)通信模塊選型 方案一：采用 CC2430芯片 實(shí)現(xiàn)無線（ Zigbee）傳輸，軟件編程自由度大，可用編程實(shí)現(xiàn)各種控制算法和邏輯算法。但支持 Zigbee的單片機(jī)價(jià)格比較昂貴，程序較為復(fù)雜，電路設(shè)計(jì)比較麻煩。如 CC2430的天線設(shè)計(jì)部分使用單級不平衡天線，為了增加天線的性能還需增加巴倫電路，其最佳阻抗、最高抗干擾能力比較難調(diào)試。 方案二：采用 NRF24L01 模塊 實(shí)現(xiàn)無線傳輸，價(jià)格便宜，單片軟件編程自由度大，也可編程實(shí)現(xiàn)各種控制算法和邏輯算法。 NRF24L01 是一款新型單片射頻收發(fā)器件 ,工作于 GHz～ GHz ISM 頻段。內(nèi)置頻率合 成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊 ,并融合了增強(qiáng)型 ShockBurst 技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。 NRF24L01 功耗低 ,在以 6dBm 的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有 9 mA。接收時(shí)，工作電流只有 mA，多種低功率工作模式 (掉電模式和空閑模式 )使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便?？垢蓴_能力強(qiáng)特別適合工業(yè)控制場合，軟件編程十分方便。 綜合以上方案和論證，我們確定使用方案二 。 NRF24L01 工作原理 NRF24L01 是 無線射頻收發(fā)模塊，具有地址及 CRC 監(jiān)測功能，數(shù)據(jù)傳輸率1 至 2Mbps（ SPI 接口傳輸速率 0 至 8Mbps）工作電壓在 至 伏， VCC 腳接電壓范圍為 至 之間，不能在這個(gè)區(qū)間之外，超過 將會燒毀模塊。推薦電壓 左右（ ）。 除電源 VCC 和接地端，其余腳都可以直接和普通的 5V 單片機(jī) IO 口直接相連，無需電平轉(zhuǎn)換。當(dāng)然對 3V 左右的單片機(jī)更加適用了。當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為 6dBm 時(shí)電流消耗僅為 9mA，接收模式時(shí)為 。掉電和待機(jī)模式時(shí)更低。 發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，首先將 NRF24L01 配置為發(fā)射模式：接著把地址 TX_ADDR 和數(shù)據(jù)TX_PLD 按照時(shí)序由 SPI 口寫入 NRF24L01 緩存區(qū)， TX_PLD 必須在 CSN 為低時(shí)連續(xù)寫入，而 TX_ADDR 在發(fā)射時(shí)寫入一次即可，然后 CE 置為高電平并保持至少 10μ s，延遲 130μ s 后發(fā)射數(shù)據(jù)；若自動應(yīng)答開啟，那么 NRF24L01 在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式，接收應(yīng)答信號。如果收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信成功， TX_DS 置高，同時(shí)TX_PLD 從發(fā)送堆棧中清除；若未收到應(yīng)答，則自動重新發(fā)射該數(shù)據(jù) (自動重發(fā)已開啟 )，若重發(fā)次數(shù) (ARC_CNT)達(dá)到上限， MAX_RT 置高， TX_PLD 不會被清除； MAX_RT或 TX_DS置高時(shí)，使 IRQ變低，以便通知 MCU。最后發(fā)射成功時(shí) ,若 CE為低則 NRF24L01進(jìn)入空閑模式 1；若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且 CE 為高，則進(jìn)入下一次發(fā)射；若發(fā)送堆棧天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)