【文章內容簡介】 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 現代信息技術的三大基礎是信息采集 (即傳感器技術 )、信息傳輸 (通信技術 )和信息處理 (計算機技術 )。傳感器屬于信息技術的前沿尖端產品，尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農業(yè)生產、科學研究和生活等領域，數量高居各種傳感器之首。溫度傳感器的發(fā)展大致經歷了以下三個階段； (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字式、由集成化 向智能化、網絡化的方向發(fā)展。在 20 世紀 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 轉換器，其測溫精度較低，分辨力只能達到 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 轉換器，分辨力一般可達 ～ 176。 C。由美國 DALLAS半導體公司新研制的 DS1624 型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出 13 位二進制數據，其分辨力高達 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換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式 A/D 轉換器。以 AD7817 型 5 通道智能溫度傳感器為例，它對本地傳感器、每一路遠程傳感器的轉換時間分別僅為 27us、9us。進入 21 世紀后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網絡傳感器、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也實現了標準化、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可通過專用總線接口與主機進行通信。 DS18B20 是美國 DALLAS 半導體公司繼 DS1820 之后最新推出的一 種改進型智能溫度傳感器。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實際要求通過簡單的編程實現 9～ 12位的數字值讀數方式?？梢苑謩e在 和 750ms內完成 9 位和 12 位的數字量，并且從 DS18B20 讀出的信息或寫入 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據總線，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)結構更趨簡單，可靠性更高。 在本次設計中選用 DS18B20 溫度傳感器 天津職業(yè)技術師范大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 11 DS18B20 溫度傳感器 DS18B20 的主要特性 1） 適應電壓范圍更寬，電壓范圍： ～ ，在寄生電源方式下可由數 據線供電 。 2） 獨特的單線接口方式， DS18B20 在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與 DS18B20 的雙向通訊 。 3） DS18B20 支持多點組網功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現組網多點測溫 。 4） DS18B20 在使用中不需要任何外圍元件，全部 傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內 。 5） 溫范圍－ 55℃ ～ +125℃ ，在 10～ +85℃ 時精度為 177?！?。 6） 可編程 的分辨率為 9～ 12 位，對應的可分辨溫度分別為 ℃ 、 ℃ 、℃ 和 ℃ ，可實現高精度測溫 。 7） 在 9 位分辨率時最多在 內把溫度轉換為數字， 12 位分辨率時最多在 750ms 內把溫度值轉換為數字，速度更快 。 8） 測量結果直接輸出數字溫度信號，以 一 線總線 串行傳送給 CPU，同時可傳送 CRC 校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力 。 9） 負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀， 但不能正常工作。 DS18B20 的外形和內部結構 DS18B20 內部結構主要由四部 分組成： 64 位光刻 ROM 、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 DS18B20 引腳定義： 1) DQ為數字信號輸入 /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接地）。 天津職業(yè)技術師范大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 12 圖 41 DS18B20 內部結構圖 DS18B20 工作原理 DS18B20 的讀寫時序和測溫原理與 DS1820 相同，只是得到的溫度值的位數因分辨率不同而不同，且溫度轉換時的延時時間由 2s 減為 750ms。 DS18B20 測溫原理如圖 3所示。圖中低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給計數器 1。高溫度系數晶振 隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產 生的信號作為計數器 2 的脈沖輸入。計數器 1和溫度寄存器被預置在－ 55℃ 所對應的一個基數值。計數器 1 對 低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當計數器 1 的預置值減到 0 時，溫度寄存器的值將加 1，計數器 1的預置將重新被裝入，計數器 1 重 新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數，如此循環(huán)直到計數器 2計數到 0 時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數值即 為所測溫度。圖 3中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數器 1的預置值。 DS1820 使用中注意事項 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，但在實際應用中也應注意以下幾方面的問題： 1） 較小的硬件開銷需要相對復雜的 軟件 進行補償，由于 DS1820 與微處理器間采用串行數據傳送，因此 ，在對 DS1820 進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果。在使用 PL/M、 C等高級語言進行系統(tǒng)程序設計時，對 DS1820 操作部分最好采用匯編語言實現。 2） 在 DS1820 的有關資料中均未提及單總線上所掛 DS1820 數量問題，容易使人誤認為可以掛任意多個 DS1820，在實際應用中并非如 此。當單總線上所掛 DS1820超過 8個時，就需要解決微處理器的總線驅動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設計時 要加以注意。 天津職業(yè)技術師范大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 13 3） 連接 DS1820 的總線電纜是有長度限制的。試驗中，當采用普通信號電纜傳輸長度超過 50m 時，讀取的 測溫數據將發(fā)生錯誤。當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達 150m，當采用每米絞合次數更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正 常通訊距離進一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產生畸變造成的。因此，在用 DS1820 進行長距離測溫系統(tǒng)設計時要充分考 慮總線分布電容和阻抗匹配 問題。 4） 在 DS1820 測溫程序設計中，向 DS1820 發(fā)出溫度轉換命令后，程序總要等待 DS1820 的返回信號，一旦 某個 DS1820 接觸不好或斷線，當程序讀該 DS1820 時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。這一點在進行 DS1820 硬件連接和軟件設計時也要給予 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，屏蔽層在源端單點接地。 基于 DS18B20 的溫度檢測電路設計 D S18B 20V C CGNDDATR0P A 0123V C C 圖 42 溫度檢測電路圖 在此電路中，只有兩個元件，一個 DS18B20 和一個 的電阻。電阻在電路中是起對數據線上拉作用。利用單片機的 PA0 口對 DS18B20 進行讀寫操作，就可以讀取出當前的溫度值。 天津職業(yè)技術師范大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 14 5 報警顯示電路設計 報警電路設計 圖 51 報警系統(tǒng)電路圖 蜂鳴器俗稱喇叭，是廣泛應用于各種電子產品的一種元器件，它用于提示、報警、音樂等許多應用場合。 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 電平基本上驅動不了蜂鳴器，需要增加一個電流放大的電路才可以，這一點與家用電器中的功放有相似之處。 學習板 采用了一個很簡單的電路來實現蜂鳴器的聯(lián)接，由上所述，一個管腳很難驅動蜂鳴器發(fā)出聲音，所以增加了一個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的 PD7 管腳來控制，當 PD7 管腳為低時，三極管導通，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)出聲音和關閉。 顯示電路設計 顯示可用普通數碼管顯示，顯示內容靈活可變，但顯示內容簡單，樣式單一，電路焊接設計復雜。本小組應用 LCD1602液晶顯示，電路設計簡單，功耗低，顯示數字內容靈活多變，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、電路設計 （圖 53）簡單等特點，現在字符型液晶顯示模塊已經是單片機應用設計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)技術師范大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 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)技術師范大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 16 6 數據通信模塊 數據通信模塊選型 方案一：采用 CC2430芯片 實現無線（ Zigbee）傳輸，軟件編程自由度大，可用編程實現各種控制算法和邏輯算法。但支持 Zigbee的單片機價格比較昂貴，程序較為復雜，電路設計比較麻煩。如 CC2430的天線設計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試。 方案二：采用 NRF24L01 模塊 實現無線傳輸，價格便宜，單片軟件編程自由度大，也可編程實現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。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調 制器等功能模塊 ,并融合了增強型 ShockBurst 技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。 NRF24L01 功耗低 ,在以 6dBm 的功率發(fā)射時，工作電流也只有 9 mA。接收時，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)能設計更方便。抗干擾能力強特別適合工業(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，數據傳輸率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 IO 口直接相連，無需電平轉換。當然對 3V 左右的單片機更加適用了。當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為 6dBm 時電流消耗僅為 9mA，接收模式時為 。掉電和待機模式時更低。 發(fā)射數據時，首先將 NRF24L01 配置為發(fā)射模式：接著把地址 TX_ADDR 和數據TX_PLD 按照時序由 SPI 口寫入 NRF24L01 緩存區(qū)， TX_PLD 必須在 CSN 為低時連續(xù)寫入，而 TX_ADDR 在發(fā)射時寫入一次即可，然后 CE置為高電平并保持至少 10μ s，延遲 130μ s后發(fā)射數據；若自動應答開啟，那么 NRF24L01 在發(fā)射數據后立即進入接收模式，接收應答信號。如果收到應答，則認為此次通信成功， TX_DS 置高，同時TX_PLD 從發(fā)送堆棧中清除；若未收到應答，則自動重新發(fā)射該數據 (自動重發(fā)已開啟 )，若重發(fā)次數 (ARC_CNT)達到上限， MAX_RT 置高， TX_PLD 不會被清除； MAX_RT或 TX_DS置高時，使 IRQ變低，以便通知 MCU。最后發(fā)射成功時 ,若 CE為低則 NRF24L01進入空閑模式 1；若發(fā)送堆棧中有數據且 CE 為高，則進入下一次發(fā)射；若發(fā)送堆棧天津職業(yè)技術師范大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計