【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，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。 石河子大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 （ 9）負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工 作。 經(jīng)過(guò)以上分析 ， 結(jié)合本系統(tǒng)的運(yùn)用需要 ， 決定選用電壓電流式集成溫度傳感器 DS18B20 作為系統(tǒng)的測(cè)溫傳感器 。 濕度傳感器的選取 濕敏傳感器是能夠感受外界濕度變化，并通過(guò)器件材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化，將濕度轉(zhuǎn)化成有用信號(hào)的器件。濕度檢測(cè)較之其它物理量的檢測(cè)顯得困難，這首先是因?yàn)榭諝庵兴魵夂恳瓤諝馍俚枚?；另外，液態(tài)水會(huì)使一些高分子材料和電解質(zhì)材料溶解，一部分水分子電離后與溶入水中的空氣中的雜質(zhì)結(jié)合成酸或堿，使?jié)衩舨牧喜煌潭鹊厥艿礁g和老化，從而喪失其原有的性質(zhì)；再者，濕信息的傳遞必須靠水對(duì) 濕敏器件直接接觸來(lái)完成，因此濕敏器件只能直接暴露于待測(cè)環(huán)境中，不能密封。通常，對(duì)濕敏器件有下列要求：在各種氣體環(huán)境下穩(wěn)定性好，響應(yīng)時(shí)間短，壽命長(zhǎng)，有互換性，耐污染和受溫度影響小等。微型化、集成化及廉價(jià)是濕敏器件的發(fā)展方向。 HS1101 以其 全互換性 、 在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不需校正 、 長(zhǎng)時(shí)間飽和下快速脫濕 、 快速反應(yīng)時(shí)間 、價(jià)格低廉等特點(diǎn)深受大家歡迎。 總體方案設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)主要由以下功能塊系統(tǒng)構(gòu)成：中央控制處理器 STC89C52 組成的主機(jī)系統(tǒng)；環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ， 輸出顯示與 鍵盤(pán) 控制系統(tǒng)等 。 主要的系統(tǒng)電路有：電源電路 、溫度傳感器與 濕度傳感器 電路、顯示電路 ，報(bào)警電路、 鍵盤(pán)輸入 控制電路等 。 電路分析我們?cè)谙乱徽鹿?jié)中進(jìn)行分析 。 該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有： （ 1）該產(chǎn)品的互換性好 ， 響應(yīng)速度快 ， 抗干擾能力強(qiáng) ， 外圍電路簡(jiǎn)單易懂 ，因此體積小 。 （ 2）該系統(tǒng)能用軟件的方式控制硬件 ， 所有用軟件方式設(shè)計(jì)的系統(tǒng)向硬件系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換是由有關(guān)開(kāi)發(fā)軟件自動(dòng)完成的 ， 易操作 。 （ 3）可以從以前的組合設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向真正的自由設(shè)計(jì) ， 所以設(shè)計(jì)的移植性好 ， 效率高 。 可適合大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)制作 。 第二章 主要器件選取 7 圖 21 基于 DS18B20 和 HS1101 的溫 濕 度 監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)方框圖 溫度傳感器DS18B20 濕度傳感器HS1101 多諧振蕩器 波形產(chǎn)生電路 CPU 處理器 STC89C51 鍵盤(pán)輸入 控制電路 系統(tǒng)電源 1602 液晶 顯示電路 蜂鳴器 報(bào)警電路 石河子大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 第三章 設(shè)計(jì)原理 DS18B20 簡(jiǎn)介 概述 Dallas 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器 DS1820 是世界上第一片支持 “ 一線總線 ” 接口的溫度傳感器。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶(hù)可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。 同 DS1820 一樣 DS18B20 也支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度范圍為 55176。C~+125176。 C，在 10~+85176。 C 范圍內(nèi) ,精度為177。 176。 C?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過(guò)程控制、測(cè)溫類(lèi)消費(fèi)電子產(chǎn)品等。與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持 3V~ 的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。 DS18B20 數(shù)字溫度計(jì)提供 9 位溫度讀數(shù)，指示器件的溫度 。 信息經(jīng)過(guò)單線接口送入 DS18B20 或從 DS18B20 送出，因此從中央處理器到 DS18b20 僅需連接一條線（和地），讀寫(xiě)和完成溫度變換所需的 電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供 ，而不需要外部電源。 因?yàn)槊恳粋€(gè) DS1820 有唯一的系列（ silicon serial number）因此多個(gè) DS1820 可以存在于同一條單線總線上。這允許在許多不同的地方放置溫度靈敏器件。此特性的應(yīng)用范圍包括 HVAC 環(huán)境控制，建筑物、設(shè)備或機(jī)械內(nèi)的溫度檢測(cè) ,以及過(guò)程監(jiān)視和控制中的溫度檢測(cè) . 1. 特性 *獨(dú)特的單線接口 ,只需 1 個(gè)接口引腳即可通信 *多點(diǎn)（ multidrop）能力使分布式溫度檢測(cè)應(yīng)用得以簡(jiǎn)化 *不需要外部元件 *可用數(shù)據(jù)線供電 *不需備份電源 第三章 設(shè)計(jì)原理 9 *測(cè)量范圍從 55℃至 +125℃，增量值為 ℃等效的華氏溫度范圍是 67176。 F至 257176。 F ，增量值為 176。 F *以 9 位數(shù)字值方式讀出溫度 *在 1 秒（典型值）內(nèi)把溫度變換為數(shù)字 *用戶(hù)可定義的，非易失性的溫度告警設(shè)置 *告警搜索命令識(shí)別和尋址溫度在編定的極限之外的器件（溫度告警情況） *應(yīng)用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品，溫度計(jì)或任何熱敏系統(tǒng) 2 . 引腳排列 3. 引腳說(shuō)明 引 腳 8 腳 SOIC 引腳 PR35 符號(hào) 說(shuō) 明 5 1 GND 地 4 2 DQ 單線運(yùn)用的數(shù)據(jù)輸入 /輸出引腳，漏極開(kāi)路見(jiàn)。 3 3 Vdd 寄生電可選 Vdd引腳 石河子大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 詳細(xì)說(shuō)明 1. 工作原理 圖 31 的框圖表示 DS18B20 的主要部件 DS18B20 有三個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件：1） 64 位光刻 ROM； 2）溫度靈敏元件； 3）非易失性溫度告警觸發(fā)器 TH 和 TL。器件從單線的通信線取得其電源，在 信號(hào)線為高電平的時(shí)間周期內(nèi)，把能量貯存在內(nèi)部的電容器中，在單信號(hào)線為低電平的時(shí)間期內(nèi)，斷開(kāi)此電源 直到信號(hào)線變?yōu)楦唠娖街匦陆由霞纳娙荩╇娫礊橹?。作為另一種可供選擇的方法， DS18B20也可用外部 5V 電源供電。 圖 31 DS18B20 結(jié)構(gòu)框圖 與 DS18B20 的通信經(jīng)過(guò)一個(gè)單線接口。在單線接口情況下，在 ROM 操作未定建立之前不能使用存貯器和控制操作。主機(jī)必須首先提供五種 ROM 操作命令之一： 1） Read ROM(讀 ROM) ； 2） Match ROM（匹配 ROM)； 3） Search ROM（搜索 ROM）； 4） Skip ROM（跳過(guò) ROM）； 5） Alarm Search（告警搜索）。這些命令對(duì)每一器件的 64 位激光 ROM 部分進(jìn)行操作。如果在單線上有許多器件，那么可以挑選出一個(gè)特定的器件，并給總線上的主機(jī)指示存在多少器件及其類(lèi)型。在成功地執(zhí)行了 ROM 操作序列之后，可使用存貯器和控制操作，然后主機(jī)可以提供六種存貯器和控制操作命令之一。 一個(gè)控制操作命令指示 DS18B20 完成溫度測(cè)量，該測(cè)量的結(jié)果將放入 DS1820 的高速暫存存貯器（ Scratchpad memory）通過(guò)發(fā)出讀暫存存儲(chǔ)器內(nèi)容的存儲(chǔ)器操作命令可以讀出此結(jié)果。每一溫度告警觸發(fā)器 TH 和 TL 構(gòu)成一個(gè)字節(jié)的EEPROM。如果不對(duì) DS18B20 施加告警搜索命令，這些寄存器可用作通用用戶(hù)存儲(chǔ)器。使用存儲(chǔ)器操作命令可以寫(xiě) TH 和 TL。對(duì)這些寄存器的讀訪問(wèn)通過(guò)高速暫第三章 設(shè)計(jì)原理 11 存存貯器。所有數(shù)據(jù)均以最低有效位在前的方式被讀寫(xiě)。 2. 寄生電源 (parasite power) 圖 31 示出寄生電源電路。當(dāng) I/O 或 Vdd 引腳為高電平時(shí)，這個(gè)電路便取 得電源，只要符合指定的定時(shí)和電壓要求， I/O 將提供足夠的功率。寄生電源的優(yōu)點(diǎn)是雙重的： 1）利用此引腳，遠(yuǎn)程溫度檢測(cè)無(wú)需本地電源； 2）缺少正常電源條件下也可以讀 ROM。 為了使 DS18B20 能完成準(zhǔn)確的溫度變換，當(dāng)溫度變換發(fā)生時(shí) I/O 線上必須提供足夠的功率。因?yàn)?DS18B20 的工作電流高達(dá) 1mA， 5K 的上拉電阻將使 I/O 線沒(méi)有足夠的驅(qū)動(dòng)能力。如果幾個(gè) DS1820 在同一條 I/O 線上而且企圖同時(shí)變換，那么這一問(wèn)題將變得特別尖銳。 3. DS18B20的運(yùn)用 DS18B20 通過(guò)使用在板溫度測(cè)量專(zhuān)利 技術(shù)來(lái)測(cè)量溫度。溫度測(cè)量電路的方框圖見(jiàn)圖 34 所示。 DS18B20 通過(guò) 門(mén) 開(kāi)通 期 間內(nèi)低 溫 度系 數(shù) 振蕩 器 經(jīng)歷的 時(shí) 鐘周 期 個(gè)數(shù) 計(jì) 數(shù)來(lái)測(cè)量 溫 度， 而門(mén) 開(kāi) 通期由高溫度系數(shù)振蕩器決 定。 計(jì)數(shù)器予置對(duì)應(yīng)于 55 的基 數(shù)，如 果在門(mén)開(kāi)通期結(jié)束前計(jì)數(shù)器 達(dá) 到 零，那么溫度寄存器它也被予置到 55 的 數(shù) 值 －將增量，指示溫度高于 55。 同時(shí)， 計(jì)數(shù) 器 用鈄率累加 器 電路所決定 的 值進(jìn)行予 置。 為了對(duì)遵 循 拋物線規(guī)律的 振蕩器溫度特 性 進(jìn)行補(bǔ) 償， 這種電 路 是必需 的， 時(shí)鐘再 次 使計(jì)數(shù)器 計(jì) 值至它達(dá) 到零。 如 果 門(mén)開(kāi)通時(shí) 間 仍未結(jié)束， 那么 此過(guò)程再次重復(fù)。 鈄 率累加器 用 于補(bǔ)償振蕩 器 溫度特性的 非 線 性， 以 產(chǎn) 生高分辯率 的 溫度測(cè) 量。通 過(guò)改變溫度每 升 高一 度， 計(jì)數(shù)器必 須 經(jīng)歷的計(jì) 數(shù) 個(gè)數(shù)來(lái) 實(shí) 行補(bǔ) 償。因此， 為了 獲得所需 的 分辯 率，計(jì) 數(shù)器的數(shù)值以及在給定溫度處每一攝氏度的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)（鈄率累加器的值）二者都必須知道。 DS18B20 內(nèi)部對(duì)此計(jì)算的結(jié)果可提供 ℃的分辨力。溫度以 16bit 帶符號(hào)位擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式讀出，表 31 給出了溫度值和輸出數(shù)據(jù)的關(guān)系。數(shù)據(jù)通過(guò)單線接口以串行方式傳輸。 DS18B20 測(cè)溫范圍 55℃ ~+125℃，以 ℃ 遞增。如用于華氏溫度，必須要用一個(gè)轉(zhuǎn)換因子查找表。 石河子大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 表 31 溫度 數(shù)字輸出（二進(jìn)制） 數(shù)據(jù)輸出（ 16 進(jìn)制） +125 00000111 11111010 07D0h + 00000001 10010001 0191h +1/2 00000000 00001000 0008h 0 00000000 00000000 0000h 1/2 11111111 11111000 FFF8h 11111110 01101111 FF6Fh 55 11111100 10010000 FC90h 注意 DS18b20 內(nèi)溫度表示值為 1/2℃ LSB，如下所示 9bit 格式： 最高有效（符號(hào)）位被復(fù)制充滿(mǎn)存儲(chǔ)器中兩字節(jié)溫度寄存器的高 MSB 位，由這種“ 符號(hào)位擴(kuò)展 ” 產(chǎn)生出了示于表 1 的 16bit 溫度讀數(shù)。 可用下述方法獲得更高的分辨力。首先，讀取溫度值，將 ℃位（ LSB）從讀取的值中截去，這個(gè)值叫做 TEMP_READ。然后讀取計(jì)數(shù)器中剩余的值，這個(gè)值是門(mén)周期結(jié)束后保留下來(lái)的值（ COUNT_REMAIN）。最后，我們用到在這個(gè)溫度下每度的計(jì)數(shù)值（ COUNT_PER_C）。用戶(hù)可以用下面的公式計(jì)算實(shí)際溫度值： 4 . 報(bào)警搜索操作 DS18B20 完成一次溫度轉(zhuǎn)換后，就拿溫度值和存儲(chǔ)在 TH 和 TL 中的值進(jìn)行比較。因?yàn)檫@些寄存器是 8 位的，所以 ℃位被忽略不計(jì)。 TH 或 TL 的最高有效位直接對(duì)應(yīng) 16 位溫度寄存器的符號(hào)位。如果測(cè)得的溫度高于 TH 或低于 TL，器件內(nèi)部就會(huì)置位一個(gè)報(bào)警標(biāo)識(shí)。每進(jìn)行一次測(cè)溫就對(duì)這個(gè)標(biāo)識(shí)進(jìn)行一次更新。當(dāng)報(bào)警標(biāo)識(shí)置位時(shí)， DS18B20 會(huì)對(duì)報(bào)警搜索命令有反應(yīng)。這樣就允許 許多 DS18B20 并聯(lián)在一起同時(shí)測(cè)溫，如果某個(gè)地方的溫度超過(guò)了限定值，報(bào)警的器件就會(huì)被立即識(shí)別出來(lái)并讀取，而不用讀未報(bào)警的器件。 5 . 64位光刻 ROM 每只 DS18B20 都有一個(gè)唯一的長(zhǎng)達(dá) 64 位的編碼。最前面 8 位是單線系列編第