传感器设计

课程设计（论文）

题 目

院 系 机械工程学院 专 业 机械设计及其自动化 年 级 学生姓名 学生学号

指导教师

完成设计（论文）时间 2012 年 12 月

目 录

摘要................................................................1

关键词..............................................................1

第1章 引言.........................................................1

1.1 传感器发展的三个阶段............................................1

1.2 温度传感器发展趋势..............................................1

1.3 传感器温度计的设计背景..........................................1

1.4 传感器在温控系统中的应用.......................................2

1.5 设计的目标任务..................................................2

第 2 章 数字温度传感器原理..........................................2

2.1 DS18B20的测温原理...............................................2

2.2 STC89C52的简介..................................................5

2.3 系统设计方案....................................................6

第 3 章 系统电路的设计..............................................6

3.1 温度采集电路....................................................6

3.2 晶振电路........................................................7

3.3 数字显示电路....................................................7

3.4 蜂鸣器报警及发光报警电路........................................8

3.5 单片机复位电路..................................................9

3.6 滤波电路........................................................9

第 4 章 系统的软件设计.............................................10

4.1 系统软件设计整体思路...........................................10

4.2 系统软件设计的一般原则.........................................10

4.3 系统软件设计的一般步骤.........................................11

4.4 温度转换命令子程序.............................................11

4.5 程序流程图.....................................................12

第 5 章 结论.......................................................13

致谢语.............................................................13

参考文献...........................................................13

英文翻译...........................................................14

附录...............................................................15

DS18B20数字温度计

机械工程学院机械设计制造及其自动化专业 2010级

摘要 本文主要介绍了DS18B20数字温度传感器的工作原理,给出基于DS18B20和

AT89C51的数字温度计的软硬件设计方案，随着社会的进步和工业技术的发展，人们越来越重视温度因素，许多产品对温度范围 要求严格，而目前市场上普遍存在的温度检测仪器大都是单点测量，同时有温度信息传递 不及时、精度不够的缺点，因此这次设计的基于DS18B20的数字温度计就十分必要，它具有读数方便，测温范围广，测温精确，数字显示，适用范围宽等特点。

关键词 测量 单片机STC89C52 温度传感器DS18B20 数字温度计

第 1章 引言

1.1 传感器发展的三个阶段

第一阶段是模拟集成温度传感器。该传感器是采用硅半导体集成工艺制成，因此亦称硅传感 器或单片集成温度传感器。此种传感器具有功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、 响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等特点，适合远距离测温、控温，不需要进行 非线性校准，且外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型 产品有 AD590、AD592、TMP17、LM135 等。

第二阶段是模拟集成温度控制器。模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制 器，典型产品有 LM56、AD22105 和 MAX6509。某些增强型集成温度控制器(例如 TC652/653) 中还包含了 A/D 转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。但它自 成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别。

第三阶段是智能温度传感器。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D 转换器、信号处 理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随 机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关 的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试 功能的，当然，其智能化程度也取决于软件的开发水平。

1.2 温度传感器的发展趋势

进入 21 世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全 性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。

1.3 传感器温度计的设计背景

温度控制在工业自动化控制中占有非常重要的地位，单片机系统的开发给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，自动化、智能化均离不开单片机的应用。将单片机控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制系统存在的严重滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和精度，随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术得到了迅速发展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。

1.4 传感器在温控系统中的应用

温度是最常见的被控制参数之一,开发出性能较好的温度控制系统对于测控技术的发展具有很大的意义。本文设计了一个温度控制系统,选用D S18B20智能温度传感器作为检测元件,提供温度数字信号,简化控制电路,采用凌阳十六位单片机SPC E061A作为控制器,实现温度控制。1系统结构传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件。热敏电阻成本低,但需要后续信号处理电路,且其可靠性相对较差,测量温度的准确度低,检测系统的精度差。而随着硬件集成度的提高,新型的数字传感器应运而生,其中美国D ALLAS公司最新推出的D S18B20数字式温度传感器采用“一线总线”的技术,即C PU只需一根端口线就能与诸多D S18B20通信,其转换速度快,转换精度高,与微处理器的接口简单,给硬件设计工作带来了极大的方便,最大限度节省了通讯线数量,使得系统布线更方便,成本更低。凌阳十六位单片机——SPC E061A,自带语音播放函数,芯片内置在线仿真编程接口,可方便实现在线调试,用其来实现温度控制,可大大加快系统的开发与调试速度,并具有控制方便、简单、灵活等特点。

1.5 设计的目标任务

在本次设计中，整个系统以STC89C52为核心。温度传感器DS18B20完成环境温度装换功能，以LED接收温度数值并显示出来。当温度高于38C或温度低于5C时，蜂鸣器发声，发光管闪烁报警。其主要研究内容包括两方面，一是对系统硬件部分的设计，包括温度采集电路和显示电路；二是对系统软件部分的设计，应用C语言实现温度的采集与显示，该系统能够同时对多个点的温度进行测量和进行显示。

第 2 章 数字温度传感器原理

2.1 DS18B20 的简介及测温原理

DS18B20是DALLAS公司的最新单线数字温度传感器，它体积小、经济。是世界上第一片支持“一只总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济等特点，是用户可以轻松的组件传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。它的温度测量范围为-55~+125°C。它的传输方式大大提高了抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量。支持3.3~5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便、体积小、便宜。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。 DS18B20的性能特点如下： （1）.只要求一个端口即可实现通信；

（2）.在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号；

（3）.实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温； （4）.测量温度范围在－55。C到＋125。C之间； （5）.数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择； （6）.内部有温度上、下限告警设置。

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。DS18B20的管脚排列、各种封装形式如图 2.1 所示。其中，DQ 为数据输入/输出引脚，也可用作开漏单总线接口引脚，当被用在寄生电源工作方式下，可以向器件提供电源；GND为地信号；VDD为可选择的电源引脚，当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。DS18B20内部结构如图2.1、2.2所示：

温度传感器DS18B20的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如下图所示：

Byte0 Byte1 Byte2 Byte3 Byte4 Byte5 Byte6 Byte7

其中，前2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。

当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前、高位在后，数据格式以0.0625℃/LSB形式表示。温度值格式如表2.2所示：

这是12位转化后得到的12位数据，存储在DS18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。格式中，S表示位。对应的温度计算：当符号位S=0时，表示测得的温度植为正值，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，表示测得的温度植为负值，先将补码变换为原码，再计算十进制值。例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。 DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较，若T>TH或T

图2.1 传感器电路

每一片DSl8B20在其ROM中都存有其唯一的64地址位序列号，在出厂前已写入片内ROM中。主机在进入操作程序前必须用读ROM(33H)命令将该DSl8B20的序列号读出。程序可以先跳过ROM，启动所有DSl8B20进行温度变换，之后通过匹配ROM，再逐一地读回每个DSl8B20的温度数据。DS18B20的测温原理如图所示。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，最终的测温原理图如下图所示：

测温原理图

2.2 STC89C52的简介

STC89C52是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可编程的Flash只读程序存储器，兼容标准8051指令系统及引脚，并集成了 Flash 程序存储器，既可在线编程(ISP)，也可用传统方法进行编程，因此，低价位STC89C52单片机可应用于许多高性价比的场合，可灵活应用于各种控制领域，对于简单的测温系统已经足够。单片机STC89C52具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。 各引脚图如2.2.1 所示：

3.1温度采集电路

2.3 系统设计方案

硬件电路图如下图所示：

温度采集电路如下图所示：

图2.2.1

第 3 章 系统电路的设计

采用技术成熟、操作简单、精确度高的数字温度传感器DS18B20，根据它的特点和测

显示测得的温度，当温度高于38C或温度低于5C时，蜂鸣器发声，发光管闪烁报警。系统

温原理，很容易就能直接读取被测温度值并进行转换，这样就可以满足设计要求。通过LED

温度采集电路

测温电路主要由数字温度传感器DS18B20构成，DS18B20使用外部电源Vcc故其3脚接Vcc，I/O2脚通过信号线与单片机相连。测量电路完成温度的测量，将测得的温度以二进制数据形式反馈给单片机进行处理。

3.2晶振电路

单片机XIAL1和XIAL2分别接30PF的电容，中间再并个12MHZ的晶振，形成单片机的晶振电路如图所示

.

3.3数字显示电路

3.4蜂鸣器报警及发光报警电路

3.5单片机复位电路

3.6滤波电路

蜂鸣电路

发光电路

复位电路

第4章 系统的软件设计

4.1 系统软件设计整体思路

本装置的软件包括主程序、读出温度子程序、复位应答子程序、写入子程序、以及有 关DS18B20的程序（初始化子程序、写程序和读程序）。

4.2 系统软件设计的一般原则

在单片机应用开发中代码使用效率、单片机的抗干扰性以及软件可靠性是实际工程设 计的重点。单片机应用软件系统设计包括功能模块划分、程序流程确立、模块接口设计以及程序 代码编写。我们依据系统的功能要求，将整体软件系统分割成若干个独立的程序模块。这 些程序模块可以是几条语句的集合、功能函数或程序文件。随后，根据个程序模块的实现 功能写出流程，一般需要写出具体的实现功能描述。程序代码通常采用汇编语言或高级语言（C语言）编写。

本课题采用C语言编程，在此必须注意以下问题： （1）提高程序代码效率

必须熟悉当前使用的C语言编译器，试验每条C语言编译以后对应的汇编语言的语句 行数，这样就可以很明确的知道代码效率。

（2）减少程序错误 我们在编写程序时，要注重考虑如下方面。

[1]物理参数 [2]资源参数 [3]应用参数 [4]过程参数 （3）单片机的抗干扰性

防止干扰最有效的方法是去除干扰源、隔离干扰路径。单片机干扰最常见的现象就是 复位，导致程序运行异常。设计系统是一般需要添加一个“看门狗”监控模块，在系统出 现不可逆转的干扰时，监控模块将重启系统，并从断点处继续执行。 （4）系统的可靠性

[1]要测试单片机软件功能的完善性。 [2]上电、掉电测试。 [3]系统耗损测试。

4.3系统软件设计的一般步骤

系统进行软件设计时，先要对本课题硬件有一个熟练的掌握，知道系统的组成，数据 的传输，信号是如何被控制的，以及信号的显示。然后进行软件设计时，先搞清楚各个部 分的子程序及他们的流程图，然后进行 C 语言编程，最后将它们的系统编程.

4.4 温度转换命令子程序

温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等转换的完成。温度转换命令子程序流程图如下图所示：

读温度流程图

4.5 程序流程图

系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。 4.5．1 主程序

主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程如图下图所示：

主程序流程图 读温度流程图

第 5 章 结 论

数字温度计的显示方式很多，本课题通过分析对比各种不同的温度传感器，选定DS18B20，这种单总线数字温度传感器的通信方式比较独特，软件编写要求的比较新颖，特点突出。用其构建的系统有很多 优点：硬件连线简单，省去了使用模拟传感器要进行放大、A/D转换等工作，由于它的级 联功能，一条总线可挂接多个传感器测量不同位置的温度，根据DS18B20唯一的序号识别 不同传感器在各自位置的温度，温度数据采用4位LED显示屏显示。本设计的特点是构成系统的硬件器件少，操作简单，数据处理功能强。

通过本次的数字温度计的设计实践，不仅让我们的专业知识得到巩固，更让我们学会了如何与人相处，这在我们小组分工协作以及购买元件的时候都显得非常的重要。在这次设计中我这主要负责元器件的采购和部分的焊接工作，它增强了我们实际动手操作的能力和对事物的判断能力。当然在设计中我们也遇到了一些麻烦，发现了许多自身的不足，更多方面是来源于知识本身的不足，因此，在今后的生活和学习中，我们要更加努力的学习科学文化知识，不断丰富和完善自我。

致谢语

光阴似箭，转眼间，我们的这次设计也接近尾声，在这次富有挑战性的设计中，让我收获了许多，在吴老师的督促和指导下，在小组成员的共同努力下，我们小组设计的数字显示温度计完成了。非常感谢我们的授课兼指导教师吴老师，是您弥补了我们传感知识的不足，教会了我们如何去与人相处，让我们在实践中获得知识，增加我们的社会阅历，让我们在今后工作中少走弯路。当然这次实践中还要感谢我的同学和朋友们，谢谢你们给我的帮助和支持。最后在向我们的吴老师说声谢谢，谢谢您悉心的指导，谢谢您，吴老师！

参考文献

［1］黄贤斌 .传感器原理与应用(第二版). 高等教育出版社/电子科技大学出版社 ［2］何金田.传感器原理与应用课程设计指南.哈尔滨工业大学出版社 ［3］马家辰.MCS-51 单片机原理及接口技术.哈尔滨工业大学出版社, 1997

［4］胡汉才.单片机原理与应用.清华大学出版社

［5］周继明 .传感技术与应用.中南大学出版社

DS18B20 digital thermometer

Shao Xin Fang

Chongqing three gorges university school of mechanical engineering major in mechanical design manufacturing and automation level 2010 wanzhou chongqing 404000

ABSTRACT ：The smmary mainly introduces the working principle of the

temperature sensor DS18B20 digital, is given based on DS18B20 and AT89C51 of software and hardware design scheme of digital thermometer, along with the progress of the society and the development of industrial technology, people pay more and more attention to the temperature factor, a lot of products strict in temperature range, and is common on the market at present the temperature of the testing instrument is mostly single point measurement, at the same time temperature information is not timely, the shortcomings of accuracy is not enough, therefore the design based on digital thermometer DS18B20 is very necessary, it is easy to reading, temperature measuring range, temperature measurement precision, digital display, wide application range, etc. KEY WORDS： measurement Single chip microcomputer STC89C52 The temperature sensor DS18B20 digital thermometer

附录

所需元器件： 序号

1 2 3 4 5

名称 按钮 按钮 按钮 瓷片电容 瓷片电容

参数 SET DEC ADD 30p 30p

编号 K1 K2 K3 C2 C3

作用 设定功能 减一 加一

单片机振荡 单片机振荡

6 瓷片电容 7 单片机 8 电解电容 9 电解电容 10 电路板 11 电源插座 12 电源开关 13 电阻 14 电阻 15 电阻 16 电阻 17 电阻 18 电阻 19 电阻 20 电阻 21 电阻 22 发光管 23 蜂鸣器 24 晶振 25 三极管 26 三极管 27 三极管 28 三极管 29 三极管

30 四位共阳数码管31 温度传感器 104P STC89C52 10uF 470UF 9X7 DC SWITCH 4.7K 4.7K 4.7K 2K 10K 2K 4.7K 470X8 4.7K ALAM SPEAKER 12MHz 8550/9012 8550/9012 8550/9012 8550/9012 8550/9012 4-LED DS18B20 C5 高频滤波 U1 CPU

C1 开机复位 C4 电源滤波 P1 S1

R10 Q2基极偏置 R11 Q3基极偏置 R12 Q4基极偏置 R13 发光管限流 R14 开机复位 R15 Q5基极偏置 R16 传感器偏置 R1--R8 数码管限流 R9 Q1基极偏置 D2 发光报警 LS1 发声报警 Y1 单片机振荡 Q1 数码管驱动 Q2 数码管驱动 Q3 数码管驱动 Q4 数码管驱动 Q5 蜂鸣器驱动管U3 显示温度 U2