温度传感器

温度传感器

一选题依据

1593年伽利略用一个45厘米长的、麦杆粗细的玻璃管，一端吹成鸡蛋大小的玻璃泡，一端仍然开口。伽利略先使玻璃泡受热，然后把开口端插入水中，使水沿细管向上上升一定的高度。因为泡内的空气会随温度的变化发生热胀冷缩，水管内的水也会随之发生升降。这样就可以用水管内水位的高低表征玻璃泡内空气的冷热程度。这就是第一只温度计。

1632年，法国物理学家雷伊（J．Ray）第一个改进了伽利略的温度计。他将伽利略的装置倒转过来，将水注入玻璃泡内，而将空气留在玻璃管中，仍然用玻璃管内水柱的高低来表示温度的高低。由于这项改进使水成了测温物质，实际上这成了第一只液体温度计。它的缺点在于，向上的管口没有封闭，由于水会不断蒸发，会影响到测量的准确性。科学家就在玻璃泡和玻璃管的相对大小上进行研究，以减少这种蒸发，使液体能在一年的过程中在整个玻璃管的长度内升降。尽管从今天的角度看来这种努力的方向不大对头，但从温度计发展完善的全过程来看，这种努力是有价值的，也是必然会出现的。没有当初在各个方面想方设法的改进，就不会有今天的完善。

1657年，佛罗伦萨西曼托（Cimento）科学院的成员们提出了密封管子的思想，并建议用酒精取代水作为测温物质，从而使最早的温度计进入了较为实用的阶段。

传统的温度检测可以使用热敏电阻作为温度敏感元件,热敏电阻主要优点是成本低,但需后续信号处理电路,而且可靠性相对较差,准确度和精度都较低。美国Dallas公司最新推出的DS18B20数字式温度传感器,与传统的热敏电阻温度传感器不同,它能够直接读出被测温度,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,可以分别在93.75ms和750ms内将温度值转化9位和12位的数字量。因而使用DS18B20可使系统结构更简单,可靠性更高。芯片的耗电量很小,从总线上“偷”一点电(空闲时几霿,工作时几mW)存储在片内的电容中就可正常工作,…传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果

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二设计要求及内部指标

DS18B20内部结构(如图1)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,高速暂存器。64位光刻ROM是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列号。不同的器件地址序列号不同。 DS18B20的管脚排列（如图2）。

图1 DS18B20的内部结构

图2 DS18B20的管脚排列

DS18B20的使用方法

由于DS18B20采用的是1－Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。

由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时

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序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。

三DS18B20测温原理

DS18B20的测温原理如图3所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55 ℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在 -55 ℃ 所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图2中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。

图3 DS18B20的测温原理图

四系统的硬件原理图

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。

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单片机最小系统电路图：

按键电路图：

在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5KΩ左右的上拉电阻。

系统的软件设计

系统程序主要包括主程序、读出温度子程序、温度转换子程序、计算温度子程

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序、显示数据刷新子程序等等。

主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量温度值，温度测量每1s进行一次。

本实验的硬件电路很简单，主要由数码管显示部分和单片机晶振及复位电路组成。

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结论

这次的设计不仅让我巩固了以前所学的知识，而且使我学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

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