温度传感器报告

1、传感器原理及应用设计 温度传感器介绍及应用设计学校：苏州科技学院专业：电子信息科学与技术学号：1220108207姓名：李洋目录一、温度传感器的介绍一、温度传感器的概述.3 二、温度传感器的分类.3 三、温度传感器的工作原理.4 四、 DS18B20传感器的简介.6 4.1、DS18B20传感器的概述.6 4.2、DS18B20传感器的应用范围.7 4.3、DS18B20传感器的工作原理.7 4.4、DS18B20传感器使用中的注意事项.8 二、 DS18B20传感器的应用设计一、温度检测调节系统.9二、总体方案设计框图.9三、硬件各单元电路实现及仿真10四、软件系统.16五、仿真图17六、总

2、结.17参考文献18附录19一、温度传感器的概述 温度传感器（temperature transducer）是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分品种繁多。温度传感器是最早开发应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器，从十七世纪初人们开始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。 温度传感器是五花八门的各种传感器中最为常用的一种。现代的温度传感器外形非常得小，这样更加让它广泛应

3、用在生产实践的各个领域中，也为人们的生活提供了无数的便利和功能。二、温度传感器的分类 1、 接触式 接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触又称温度计。 1、 非接触式 它的敏感元件与被测对象互不接触又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速瞬变对象的表面温度也可用于测量温度场的温度分布。三、温度传感器的工作原理 1、金属膨胀原理设计的传感器 金属在环境温度变化后会产生一个相应的延伸因此传感器可以以不同方式对这种反应进行信号转换。 2、双金属片式传感器 双金属片由两片不同膨胀系数的金属贴在一起而组成。随着温度变化，材料A比另外一种金属膨胀程度要高引

4、起金属片弯曲。弯曲的曲率可以转换成一个输出信号。2、 双金属杆和金属管传感器随着温度升高，金属管、材料A长度增加而不膨胀钢杆，金属B的长度并不增加，这样由于位置的改变金属管的线性膨胀就可以进行传递。反过来这种线性膨胀可以转换成一个输出信号。3、 液体和气体的变形曲线设计的传感器 在温度变化时液体和气体同样会相应产生体积的变化。多种类型的结构可以把这种膨胀的变化转换成位置的变化。这样产生位置的变化输出电位计、感应偏差、挡流板等等。4、 电阻传感器 金属随着温度变化其电阻值也发生变化。对于不同金属来说温度每变化一度电阻值变化是不同的而电阻值又可以直接作为输出信号。电阻共有两种变化类型正温度系数温度

5、升高 = 阻值增加温度降低 = 阻值减少。负温度系数温度升高 = 阻值减少温度降低 = 阻值增加。5、 热电偶传感器 热电偶由两个不同材料的金属线组成在末端焊接在一起。对这个连接点加热在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围内出现如果精确测量这个电位差再测出不加热部位的环境温度就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体所以称之为热电偶。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1时输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言这

6、个数值大约在540微伏/之间。热电偶传感器有自己的优点和缺陷它灵敏度比较低容易受到环境干扰信号的影响也容易受到前置放大器温度漂移的影响因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性这种细微的测温元件有极高的响应速度可以测量快速变化的过程。四、DS18B20传感器的简介 1、DS18B20传感器的概述 DS18B20数字温度传感器接线方便封装成后可应用于多种场合，如管道式、螺纹式、磁铁吸附式、不锈钢封装式、型号多种多样。有LTM8877、LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观

7、。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温高炉水循环测温、锅炉测温、机房测温、农业大棚测温洁净室测温、弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰体积小、使用方便、封装形式多样、适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。技术性能描述 独特的单线接口方式DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。 测温范围55+125固有测温误差注意：不是分辨率这里之前是错误1。 支持多点组网功能多个DS18B20可以并联在唯一的三线上最多只能并联8个实现多点测温如果数量过多会使供电电源电压过低从而造成信号传输的不稳定。工作电源: 3.05.5V/DC 可以数据线寄生电源

8、 在使用中不需要任何外围元件测量结果以912位数字量方式串行传送 不锈钢保护管直径 6 适用于DN1525, DN40DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温 标准安装螺纹 M10X1, M12X1.5, G1/2”任选 PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。 2、DS18B20传感器的应用范围 2.1、该产品适用于冷冻库、粮仓、储罐、电讯机房、电力机房电缆线槽等测温和控制领域 2.2、轴瓦、缸体、纺机、空调等狭小空间工业设备测温和控制。 2.3、汽车空调、冰箱、冷柜、以及中低温干燥箱等。 2.4、供热/制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制

9、3、DS18B20传感器的工作原理 DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同且温度转换时的延时时间由2s 减为750ms。 4、实际应用中也应注意以下几方面的问题 4.1、较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿。由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送。因此，在对DS1820进行读写编程时必须严格的保证读写时序否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时对 DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。 4.2、在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题容易使人误认为可以挂任意多个 DS18

10、20在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS1820超过8个时就需要解决微处理器的总线驱动问题这一点在进行多点测温系统设计时 要加以注意。 4.3、连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。试验中当采用普通信号电缆传输长度超过50m时读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时正常通讯距离可达150m当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。 4.4、在DS1820测温程序设计中向DS1820发出温度转换命令后程序总要

11、等待DS1820的返回信号一旦 某个DS1820接触不好或断线当程序读该DS1820时将没有返回信号程序进入死循环。这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予 一定的重视。测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线其中一对线接地线与信号线另一组接VCC和地线屏蔽层在源端单点接地。二、DS18B20传感器的应用设计一、温度检测及调节系统二、总体方案设计框图电路设计总体设计方框图如图1 所示，控制器采用单片机AT89C51，驱动12V电机采用三极管控制继电器实现，温度传感器采用DS18B20，用4位LED数码管以串口传送数据实现温度显示，按键可对电机驱动温度进行设定。 图1总体设计框图三、3.1、

12、主控制器 设定AT89C51为中央处理器，它是一种低功耗、高性能的处理器。作为整个控制系统的核心，AT89C51内部已包含了定时器、程序存储器、数据存储器等硬件，其硬件能符合整个控制系统的要求，不需要外接其他存储器芯片和定时器件，方便地构成一个最小系统。整个系统结构紧凑，抗干扰能力强，性价比高。是比较合适的方案。AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 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Flas

13、h存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。 AT89C51是一个低功耗高性能单片机，如AT89C51引脚图，它共有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。图2所示外部晶振采用的12MHz，刚好一个机械周期为1us，方便定时中断。复位电路采用的是上点加按钮复位。按钮按下是RST口为高电平，复位。图2晶振和复位电路3.2、LED显示LED显示器在电路连接上有两种形式：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共

14、阳极型LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称为共阴极型LED显示器。显示器的显示方式有两种：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，是指当显示器显示某个字符时，相应段的发光二极管处于恒定的导通或截止状态，直到需要显示另一个字符为止。在这种工作方式下，LED的亮度高，软件编程也比较容易；但是它占用比较多的I/O资源，常用于现实位数不多的情况。LED显示器动态接口的基本原理是利用人眼的“视觉暂留”效应。接口电路把所有显示器的8个笔端a到h分别并联在一起，构成“字段口”，每个显示器的公共端COM各自独立的受I/O线控制，称“位扫描口”。CPU向字段输出口送出字形码时，所有的显示器都

15、能接受到，但是究竟点亮哪个显示器，取决于此时的位扫描口德输出端接通了哪个LED显示器的公共端。所谓动态，就是利用循环扫描的方式，分时轮流选通各显示器的公共端，使各个显示器轮流导通。当扫描速度达到一定程度时，人眼就分辨不出来了，认为是各个显示器。 本方案中显示电路采用动态扫描4 位共阳极LED 数码管，P0口由上拉电阻提高驱动能力，作为段码输出并作为数码管的驱动。P1 口的低四位作为数码管的位选端。采用动态扫描的方式显示。实验中我们吧第三位选的小数点每次显示都点亮来方便读取温度值。图3显示装置3.3、温度传感器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

16、触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的测量温度范围是-55+125。该温度传感器的输出温度数据可与摄氏度校准，使用查找表或转换规则就可计算温度值。它采用单根信号线，既传输时钟，又传输数据，而且数据传输是双向的，因此具有节省IO口线资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。它可以直接将模拟温度信号转化为数字信号，降低了电路的复杂程度，提高了电路的运行质量。它可以读出环境中的温度，当环境温度不断改变时，传感器的DQ端口就不断返回一个值给显示器。实验中我们设定当上限温度超过80时，传感器就发送一个信号给单片机，单片机就给驱动电机的端口P22一个高电平信号，开启散热电机，同时当温

17、度低于-15时，单片机就给驱动电机的端口P23一个高电平信号，开启加热电机。当设定的温度不变时，调节温度传感器的值使得超过80时，散热电机开启；低于-15时加热电机就开启。其余温度下电机都处于不工作状态。外部电路如下：图4温度传感器3.4、温度调整按键本系统设计三个按键，采用查询方式，P31端口用于进入温度设定按钮，另外两个分别用于设置温度的加和减，均采用软件消抖。当设定按钮按下时，另外2个按钮设置才有效，否则无效。当设定按钮按下时，LED显示为上限温度设定80，接着每按一次加按钮则上限温度值加1，每按一次减按钮则上限温度值减1。再按一下则进入下限温度设定-15，设置同上。这样方便于用户可以根

18、据实际情况做调整。设定按钮为低电平有效，为保证按钮不受干扰，特意给端口P31、P32、P33加上拉电阻，确保通常一般情况下为高电平。图5 按键电路3.5、驱动电路驱动电路采用三极管的导通截止来控制继电器的通断驱动电机运转。当环境温度超过80时，温度传感器给单片机一个返回值，单片机P22端口输出一个高电平，导通三极管，从而使继电器导通，把12V电压加在电机两端，使得电机转动。为防止电压电流突变过大，引起电路器件的损坏，在继电器和电机两端加反向的续流二极管。图6 驱动电路四、软件系统1、主程序流程图五、 仿真图（附录一）六、 总结 最初，先查阅资料，主要是DS18B20温度传感器的资料，连接其内部

19、结构以及测温程序；接着设计模块电路，再到整体电路。意识到要去多做东西，学到的东西就会多起来。从最初的写程序只会照着书上抄，或者从网络上获取资料，然后完成任务。经过查阅，我学会了些程序的规矩，模块化设计程序，预处理、定义参数、子程序、主函数、中断服务程序，并且程序的注释必须加上。以前拿到题目就马上开始写程序，并没有对整体构思，经过这阶段的实训，让我们明白了些流程框图的重要性，也慢慢学会了怎么去考虑问题及整体的构架。最大的问题就是没有把握好时间，没有从整体上安排全体实践的进度，导致到了最后阶段工作没有很好的完成。还是会继续完成好没做到位的工作，总之，作为电子专业的学生，我们一定要能够静得下心来。只

20、有静下心，才能学到些有用的东西。参考文献1 沈小丰，余琼蓉电子线路试验模拟电路试验M北京：清华大学出版社，199933-372 戈素贞电子技术基础与应用J电子工业出版社，1999，(01)：71-723 陈永真 全国大学生电子设计竞赛试题精解选J电子工业出版社，1996，18(5)：33-354 程汉湘，武小梅：电力电子技术（第二版），科学出版社5 王兆安，黄俊：电力电子技术（第四版），北京机械工业出版社6 唐颖，程菊花，任条娟：单片机原理与应用及C51程序设计，北京大学出版社附录一：仿真图附录二：仿真程序#include <reg51.h>#define uchar unsign

21、ed#define uint unsigned int/=sbit P20=P20;sbit P21=P21;sbit P22=P22;sbit P23=P23;sbit DQ =P30; sbit P31=P31;sbit P32=P32;sbit P33=P33;uchar cnt,flog,s0,s1,s2,keycnt;signed int n,t,wd;maxwd=80,minwd=-15;unsigned char code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/显示数值0.9、-unsigned char

22、 code b=0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10; /显示数值及位小数点/= void time0_int() interrupt 1 /定时器中断 TH0=(65536-5000)/256;TL0=(65536-5000)%256; cnt+; if(cnt>=10) cnt=0; wd=ReadTemperature(); void Delay_DS18B20(int num) while(num-) ; /*ds18b20初始化函数*/void Init_DS18B20(void) unsigned char x=0

23、; DQ = 1; /DQ复位 ds18b20通信端口 Delay_DS18B20(2); /稍做延时 DQ = 0; /单片机将DQ拉低 Delay_DS18B20(80); /精确延时，大于480us DQ = 1; /拉高总线 Delay_DS18B20(4); x = DQ; Delay_DS18B20(20);/*ds18b20读一个字节*/unsigned char ReadOneChar(void) uchar i=0; uchar dat = 0; for (i=8;i>0;i-) DQ = 0; / 高电平拉成低电平时读周期开始 dat>>=1; DQ =

24、1; / 给脉冲信号 if(DQ) dat|=0x80; Delay_DS18B20(4); return(dat);/*ds18b20写一个字节*/void WriteOneChar(uchar dat) unsigned char i=0; for (i=8; i>0; i-) DQ = 0;/从高电平拉至低电平时,写周期的开始 DQ = dat&0x01;/数据的最低位先写入 Delay_DS18B20(5); DQ = 1; dat>>=1; /从最低位到最高位传入 /*读取ds18b20温度*/signed int ReadTemperature(void)

25、 unsigned char a=0; unsigned char b=0; Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); /跳过读序号列号的操作 WriteOneChar(0x44); /启动温度转换 Delay_DS18B20(200); Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); /跳过读序号列号的操作 WriteOneChar(0xBE); /读取温度寄存器 Delay_DS18B20(200); a=ReadOneChar(); / 读取温度值低位 b=ReadOneChar(); / 读取温度值高位 t=b; t<<

26、=8; t=t|a; /两字节合成一个整型变量。 if(t<0x0fff) flog=0; else t=t+1; flog=1; t=t*0.625; /放大10倍输出并四舍五入 return(t);/=void timer0_int() /定时器初始化 TMOD=0X01; /方式1,16位定时 TH0=(65536-5000)/256; /装初值，每隔5ms中断一次 TL0=(65536-5000)%256; ET0=1; TR0=1; EA=1; void xianshi() if(n>=0) switch(cnt%4) case 0:P1=0x01;P0=tablen/1000; break; case 1:P1=0x02;