​DS18B20温度传感器测温系统的研究与设计

发表时间: 2019-03-30 11:49:55

作者: 福州英诺电子科技有限公司

温度传感器测温系统的研究与设计

温度是用来表征物体的冷热程度的, 其不仅与我们的日常生活息息相关, 如家用电器和其他日常生活用品。并且还影响着各行各业, 如工业生产、环境监测、医疗等。随着科学技术的不断进步与发展, 检测温度的方法也变得多种多样且由单点测量发展为多点测量。

温度传感器的三个主要发展阶段:

1.1 模拟集成温度传感器

因为传感器由硅半导体制成, 所以被称为硅传感器。此种传感器外围电路简单无需进行非线性校准, 一般用于远距离测温、控温, 是使用率较高的一种传感器, 有AD590、AD592等多种典型产品。

1.2 模拟集成温度控制器

此控制器自成系统, 运转时不被CPU控制, 包含温控开关、可编程温度控制器等模块。一些增强型版还包括了数/模转换器以及不可更改的程序。

1.3 智能温度传感器

智能温度传感器是经过多种技术发展得到的结晶, 可输出温度数据和相关的控制量。其内部包含多种传感器、转换器、信号处理器、存储器以及接口电路。有些增强型产品功能更为强大。因其是在硬件的基础上利用软件编程来实现测试功能, 所以软件的开发水平影响着其智能化程度。


利用单片机设计一个可应用于不同环境同时进行多点温度测量的系统。该系统不仅可同时对多个点的温度进行采集测量, 而且可以通过显示屏进行实时温度显示并可由语音系统实时报温。

目前温度传感器主要分为模拟和数字两类, 由于模拟传感器与微处理器有接口不匹配的弊端, 因此大部分多点测温系统选择数字传感器, 极大地方便了设计。由美国Dallas半导体公司生产的DS18B20[3]数字温度传感器具有独特的单总线接口, 实现与微处理器的通信仅需一个I/0端口;在-10~+85℃范围内测量精度为0.5℃;用户可编程设定9~12位的分辨率。DS18B20的以上优点使其适用于设计高精度、多点测温系统。

温度测量的方案有哪些

温度测量的方案有多种, 可选择采用模拟集成传感器或智能型传感器。一般选用计算机或单片机作为控制系统。

温控器测量方案设计

方案一采用的是一个I/O口连接一个DS18B20的方法, 这种方案在一定程度上可极大地简化编程难度, 缩短设计周期, 在以上的基础上也可确保系统的稳定性, 方案一的框图如图1所示。


 

方案二

仅需一个单片机I/0口就可连接三个DS18B20, 这种方案可有效地节约单片机I/O口资源。如图2所示。




3.2 方案的比较与选择

方案一和方案二的区别主要体现在占用I/O口数目上, 方案一占用的I/O端口比方案二多, 但是它在软件编程上简化了很多。

由于本文设计的系统功能简单、I/O端口资源多, 因此选用方案一。

4 硬件设计

4.1 系统硬件设计

图3为单片机最小系统接线图。



单片机最小系统

温控器显示屏电路设计

LCD1602显示电路 

LCD1602是一种可用来显示字母、数字、符号的液晶模块。

温控器语音芯片设计

温控器三点测温电路采取模块化杜邦线连接


DS18B20温度传感器是单总线型的, 并且选用一个I/O口挂接一个DS18B20的连接方式, 极大地简化了了程序的编写, 若需电源可外接电源供电。

温控器软件设计

软件开发工具的选择

Keil C51是由美国Keil Software公司开发的51系列兼容单片机C语言软件编程系统, Keil C51中有足够的库函数和调试工具, 且语句通俗易懂。C语言在大型软件的开发时更能体现其优势, 所以本系统采用C语言来编程控制。系统软件设计的一般原则

温控器误差分析

误差产生

当外界温度超过80度后, 容易超过温度传感器的量程范围, 造成准确度不精确, 因此我们要在一定的温度范围测量。DS18B20具有广阔的工作电压其范围为3.0V-5.5V, 无需备用电源。且在测量的范围为-55℃—+125℃ (-67℉~257℉) 此范围内测量精度为±0.5℃。若采取传输长度超过50m的电缆传送普通信号, 温度由于读取的测温数据发生错误而不能准确测量。并且电源如果不稳定也有可能影响测量数值的精确性。

温控器降低误差有什么方法

在一定的温度下测量, 焊接方面要结实, 采取外部供电的方式给DS18B20供电;传输方面, 双绞线带屏蔽电缆的通讯距离可达150m。若将总线电缆改为带屏蔽式双绞线电缆, 其正常通讯距离会得到进一步的拉长, 并且最好采用屏蔽式4芯双绞线。设计好稳压电源, 以保证供电正常。


DS18B20数字温度传感器优点和缺点

具有独特的单总线通信方式, 可软件编程, 快捷便利。设计的系统采用一个I/O口连接一个DS18B20并且串联三个传感器的方式, 明显地减少了系统的电缆数。并且现场温度以“一线总线”的数字方式被传送, 系统的稳定性和抗干扰性也得到了提高。

然而通过调试成型系统发现DS18B20还有一些缺点, 比如若简单地连接硬件就需要编写繁琐的程序, 并且其灵敏度不够高, 变化快速的温度无法及时显示出其变化。它适用于对周围环境温度精确度要求不高的情况下, 不适合应用于要求实时性强、温度跨度大的测温方式。


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