智能仪器原理及设计资料

《智能仪器原理及设计》报告

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1.1 设计要求 (3)

1.2 设计过程 (3)

1.2.1 设计总体方案 (3)

1.2.2 器件的选择 (4)

1.2.3 电路设计 (7)

1.2.4 软件设计 (9)

1.3 总结 (12)

基于单片机的温度传感器设计

1.1 设计要求

实现室温测量，并使用液晶屏显示实时温度。

1.2 设计过程

1.2.1 设计总体方案

根据系统的设计要求，选择DS18B20作为本系统的温度传感器，选择单片机AT89C52为测控系统的核心来完成数据采集、处理、显示、报警等功能。

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0～100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AT89C52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。

采用液晶显示器件，液晶显示平稳、省电、美观，更容易实现题目要求，对后续的工艺兼容性高，只需将软件作修改即可，可操作性强，也易于读数。

该系统的总体设计思路如下：温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到AT89C52单片机上，经过单片机处理，将把温度在显示电路上显示，本系统显示器液晶屏显示实现。检测范围-55摄氏度到125摄氏度。

按照系统设计功能的要求，确定系统由3个模块组成：主控制器、测温电路和显示电路。

数字温度计总体电路结构框图如图1所示

图1 数字温度计总体电路结构框图

1.2.2 器件的选择

1. 数字温度传感器DS18B20

DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。

DSl8B20数字温度计提供9位(二进制)温度读数指示器件的温度信息经过单线接口送入DSl8B20或从DSl8B20送出因此从主机CPU到DSl8B20仅需一条线(和地线)DSl8B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源因为每一个DSl8B20在出厂时已经给定了唯一的序号因此任意多个DSl8B20可以存放在同一条单线总线上这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件DSl8B20的测量范围从-55到+125增量值为0.5可在l s(典型值)内把温度变换成数字。

每一个DSl8B20包括一个唯一的64位长的序号该序号值存放在DSl8B20内部的ROM(只读存贮器)中开始8位是产品类型编码(DSl8B20编码均为10H)接着的48位是每个器件唯一的序号最后8位是前面56位的CRC(循环冗余校验)码DSl8B20中还有用于贮存测得的温度值的两个8位存贮器RAM，编号为0号和1号。1号存贮器存放温度值的符号如果温度为负（℃），则1号存贮器8位全为1，否则全为0。0号存贮器用于存放温度值的补码LSB(最低位)的1表示0.5。将存贮器中的二进制数求补，再转换成十进制数并除以2，就得到被测温度值(-55℃125℃)，每只DS18B20都可以设置成两种供电方式即数据总线供电方式和外部供电方式。采取数据总线供电方式可以节省一根导线，但完成温度测量的时间较长；采取外部供电方式则多用一根导线，但测量速度较快。

DS18B20 的性能特点如下：

(1)独特的单线接口方式仅需要一个端口引脚进行通信；

(2)多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；

(3)无需外部器件；

(4)可通过数据线供电，电压范围：3.0～5.5V；

(5)测温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；

(6)零待机功耗；

(7)温度以9或12位数字量读出；

(8)用户可定义的非易失性温度报警设置；

(9)报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；

(10)负电压特性，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。

DS18B20采用3脚PR－35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图2所示，其测温原理如图3所示。

图2 DS18B20内部结构框图

图3 DS18B20测温原理图

DS18B20的外部电源供电方式：如下面图4所示，在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，其VDD端用3V～5.5V电源供电，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。注意：在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取

的温度总是85℃。

图4 外部电源供电方式

2. 单片机的选择

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

AT89C52为8 位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8XC52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0～P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（32～39 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。

PDIP封装的AT89C52单片机管脚图如图5。