最新刘世鹏--多路温度采集系统设计

刘世鹏--多路温度采集系统设计

课程设计报告

课程名称：多路温度采集系统设计

学生姓名：刘世鹏

学号： 201016020214

专业班级： T10102

指导教师：李文圣

完成时间： 2013年6月10日

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多路温度采集系统设计

1 课程设计目的

温度是一种最基本的环境参数，人们的生活与环境温度息息相关，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。温度测量装置的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：（1）传统的分立式温度传感器，（2）模拟集成温度传感器，（3）智能集成温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。

本人选择数字式多路温度采集系统设计。

系统主要技术指标：

（1）2路温度采集电路及以上；

（2）采集测温范围为-50～+110 ℃；

（3）温度精度，误差在0.1 ℃以内；

（4）显示模块，采用LED数码管显示。

2设计步骤

按照系统设计功能的要求，系统由5个模块组成：主控制器、温度采集电路[1]、温度显示电路、报警控制电路及键盘输入控制电路。数字式多路温度采集系统总体电路结构框图如图1所示。

图1 数字式多路温度采集系统结构框图

采用智能温度传感器（DS18B20）采集环境温度并进行简单的模数转换；单片机（AT89C51）执行程序对温度传感器传输的数据进行进一步的分析处理，转换成环境对应的温度值，通过I/O口输出到数码显示管（LED）显示；由键盘输入控制选择某采集电路检测温度及显示；报警电路对设定的最高最低报警温度进行监控报警。

2.1温度采集电路设计

温度采样处理电路由温度传感器、放大电路、A/D转换电路等组成。采用分块结构的温度采样处理电路，其硬件电路结构复杂，也不便于数据的处理。采用智能温度传感器采样处理电路，能够方便的进行温度的采集及简单的数据处理。并且可以达到设计的技术指标要求。本系统选择智能温度传感器DS18B20作为温度采集电路的核心器件。由DS18B20及辅助电路构成温度采集电路。

2.1.1 DS18B20简介

（1）DS18B20的性能特点

DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等温度传感器相比，它能够直接读出被测温度，并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，可以在93.75ms至750ms内完成相应9位至12位的数字量转换。它的测温精度可达到0.0625℃/LSB。它的测温范围是-55～+125℃。

从DS18B20读出或写入信息仅需要一根口线，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，无需额外电源。因而选用DS18B20是恰当的。

（2）DS18B20的外形和内部结构

DS18B20采用3脚PR-35封装，其外形和内部结构框图分别如图2、图3所示。

图2 DS18B20外形结构图3 DS18B20内部结构

DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

64位光刻ROM的位结构图如图4所示。64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码。

图4 64位ROM结构

DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个非易失性的可电擦除E2PRAM和一个高速暂存RAM。

E2PRAM包括存放高温度和低温度的触发器TH、TL和结构寄存器。非易失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限。

高速暂存RAM的结构为9字节的存储器，结构图如图5所示。头2个字节包含测得的温度信息。第3、4字节是TH和TL的拷贝，每次上电复位时被刷新。第5字节为配置寄存器，用于确定温度值的数字转换分辨率。第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。

第5字节配置寄存器各位的定义如图6所示；低5位一直为1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式；R1和R0决定温度转换的精度位数（即设置分辨率），定义方法见表1。

图5 高速缓存RAM结构

图6 配置寄存器

表1 DS18B20分辨率的定义规定

R1 R0 分辨率/

位

温度最大转换时间

/ns

0 0 1 1 0

1

1

9

10

11

12

93.75

187.5

375

750

9位分辨率时，精度为0.5℃/LSB；10位分辨率时，精度为0.25℃/LSB；11位分辨率时，精度为0.125℃/LSB；12位分辨率时，精度为0.0625℃/LSB。转换精度越高所需转换时间越长。为了达到本系统的技术指标，选择12位分辨率。

（3）DS18B20供电方式

外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。在外接电源方式下，可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围的优点，即使电源电压VCC降到3V时，依然能够保证测量精度。所以本系统采用外部电源供电方式。

在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，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，同时在总线上可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。外部电源供电方式如图7所示。在外部供