数字温度传感器

I摘要数字温度计系统在测量周围环境温度时可以快速地进行测量，并且可以直接得到温度数值结果，对于使用者来说是十分直观的。把此系统应用在快速生成设备上，便可以很快地测量出周围环境温度。它也是一种快速提升装置，能使温度测量效率得到大幅度提高。本文设计了一个小型的数字温度计系统以实现人们对数字温度计的使用需求，要求此系统能够满足使用者日常使用，并且在使用过程中有好的体验感，便要实现数字温度计高度的可靠性和精确性，便于操作。此温度计系统设计是利用了STM32单片机，并且利用DS18B20作为温度传感芯片，此外要实现温度计所需要的功能，还应连接方便显示的数码管以及方便操作的按键部分。系统可以实时观察和监控当前环境温度，确定温度上下限，并在值高于或低于所设温度限度时，警告灯立即闪烁闪烁。系统测试结果表明，该设计的数字显示功能可以达到良好的状态，其过载报警功能也能很好地实现。DS18B20温度传感芯片在设计的可靠性方面得到了提高，同时保证了系统的稳定性，此模块的使用不需要转变信号为数字信号，保持原有的模拟信号即可。温度采集的过程也十分简便，需要用到的导线数目很少，便可以实现温度的采集。除中心模块以外，外围电路的设计也是十分简便的。同时STM32可以提高系统的扩展性。此系统可以应用于其他功能模块，或是与其他功能模块连接使用，从而创建一个更稳定的新型高端系统，比如实现恒温空间控制系统以及超温报警系统等。关键词：数字温度计；STM32；DS18B20温度传感器目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 IAbstract II引言 41总的方案设计 61.1芯片控制系统的选取 71.2温度传感器的选取 81.3系统总体方案 82系统硬件的设计 102.1单片机电路的选定 102.1.1单片机型号的选用 102.1.2单片机的引脚说明 112.1.3最小系统的选择 122.2显示电路设计 142.2.1显示芯片的选择 142.2.2显示系统的工作原理 152.3温度测量系统的设计 172.3.1温度芯片的选取 172.3.2温度传感器系统电路 183系统软件设计 193.1系统开发环境介绍 193.2系统重要函数 193.2.1主函数设计 193.2.2显示函数的设计 213.2.3读取温度和温控报警电路 214总体调试 234.1硬件调试 234.2软件调试 24结论 26参考文献 27引言伴随着当今科学技术的快速发展，我们的生活也迎来了巨大的变化。单片机控制是人类探索研究的重要对象之一,它为人类生活提供的巨大方便也是毋庸置疑的。近年来，单片机的应用领域越来越广，应用在各种行业内，其中包括众多消费品，又或是工业领域内，单片机具有高度的可靠性以及低功耗的特性，也逐步发展到通信终端领域内，并且在该领域内单片机越来越被重视。所以对数字温度计的使用需求也逐年增加，由于人们对现代工作的需求越来越多，科学研究和日常生活都在向智能化体系前进，温度是较为常用的一个物理量，无论是在我们的生活中还是在工业环境中，温度在科学研究中也会被要求保持恒温或改变温度变量，环境因素会导致数据结果发生变化，如此看来，控制温度是很重要的。对于化工业和石油工业来说，测量温度的主要方法是通过温度计进行测量。最近，在数字电路不断更进发展的情况下，测温方式也发生了很大的飞跃，不再是较为机械性地利用人工的方式去采集温度，而是利用数字电路去读取数据，从而在温度的处理过程中变得更为精确。数字电路的出现给人类的生产生活都来了很大的变化，丰富度更高，便捷性更大，也为工业化领域带来了积极性。微机实现温度检测与管理的科学技术结合使用,让温度计应用越来越广泛，在各类传感器中独占鳌头。开发通常要经历三个阶段：(1)携带干扰因素的传统型离散温度计(2)硅半导体集成技术主导的集成传感器，也称为单面集成温度计。(3)智能温度计。这个温度计蕴含了电子科技技术、计算机应用技术和自动检测技术。该温度器有温度传感模块进行温度信号转换，模数转换器进行信号变换，以及信号处理器，并且还包括寄存器进行数据运算以及智能传感器的组件。本文中设计的新型电子温度计在稳定性以及反应时间上比普通的水银温度计要好得多。而且，和普通的水银温度计相比，它的精确程度是可以和水银温度计相匹敌的，甚至于是更加准确的。近年来，DS18B20温度传感芯片越来越流行，在市面上已有的传感器中逐步成为主流。新型温度微处理器和过去的热敏电阻相比，在读取温度数值时更方便直观，在内部处理中没有过多的信号转换步骤，不需过多地将模拟信号转化为数字信号，即转化率大大降低了。数字信号处理比模拟信号处理更好的主要原因在于：一是数字信号处理的经济消费更低，体积更小，耐用性低；二是模拟信号抗干扰性差。并且电路设计也会变得更加复杂，最后，数字温度传感器更容易使用被大众所接受。所以，在此次课题中，优先以单片机STM32F103作为主控制器的温度采取收集与显现展示系统。DS18B20温度传感芯片在整个系统中主要是起到了温度测量的作用。本文大致分为四章进行阐述：第一章阐述了此系统的整体设计目标以及实现此系统的思路过程，以及所用到的设计方法。第二章阐述了此系统的完整的硬件设计部分，包括各种构建块的设计过程和测试结果。并且在此章节内重点介绍了用于测量温度的芯片电路的结构。第三章阐述了此系统的完整的软件设计部分。在双单片机的通信上进行了详细的介绍，并且对环境部分、操作流程和系统信息进行了总结。第四章阐述了硬件部分，包括软件和硬件指标，并对设计问题进行了简要讨论和解决。

215951总的方案设计1.1芯片控制系统的选取数字温度计系统能通过主要控制模块来实现。首先对多方案的各种性能数据进行对比和参考，进而入选了两个设计方案：方案一：对于主控芯片的选择，系统可以选择单片机，它的体积虽然很小，但是构造和功能却很完整。在集成电路中也被作为微机系统。它由运行内存、中央处理器、存储内存、中断控制器、定时器和输入输出六个模块组成。更复杂的微控制器电路是PWM、SPI、AD、IIC等[1]。在工业管理中，单片机功能强大又具有十分稳定的系统特性而闻名于世，已在许多领域得到应用。方案二：对于主控芯片的选择，系统可采用DSP。它是一种独特的元件，可以应用在许地方，它应用于信号的分析、信号的转换、波形的过滤、测试过程、调制以及解调，快速的算法处理中。方便完成开机、芯片的音频编码、有效的读取键盘、液晶屏开机。使用LCD屏幕查看将数字音频信号存储在闪存中的数字编解码器芯片的行为。因此，即使DSP高速运行，控制算法也非常困难。相比之下，单片机系统相对容易控制，更有利的是单片机系统还具高备高可靠性、低成本、低消耗等优点。与DSP相比，单片机的使用相对简单，所以更符合本系统的设计要求。由于必须要顾及到之后功能上的补充发展，所以设计必须选用高质量、低消费的设备。由于单片机性能良好，功能多以及系统测试的便捷性，因此可以很容易地形成一个温度测量系统。该设计使用了单片机作为主控制模块，而随后的功能可以通过此控制模块的高性能来加强，继续功能性扩展。例如温室里的一些温度控制系统的智能送风功能、大型机器的精准性操作功能、工业温度测试和返回系统功能。因此，该设计使用了单片机作为主控制模块。1.2温度传感器的选取温度测量系统首先先对环境温度进行测量，并且把测量结果传递给主控制模块。并且因为周围温度并不是一成不变的，所以该系统所需的温度测量模块需要有更高的稳定性。大致介绍方案如下：方案一：可以使用温度传感器，例如热敏电阻。热敏电阻随着环境温度的变化会有很大的变化,因此可以有效地直接将环境温度的改变，转变为电能的变化。但是缺点是，在整个测量过程中，对模拟信号的考虑会更多，其可靠性以及抗干扰能力使我们需要考量的一部分内容，并且要更多地关注单片机的操控能力。易造成测试功能点复杂和温度误差大，并不方便采用编程限制温度来控制精度,这样一来温度控制系统设计的难度大大增加。方案二：DS18B20测温芯片可以通过单线协议读取指定时间序列下的温度值。通过特殊的测温技术,将所测量的水温转化为数字信号;DS18B20测温系统可以实现全数字温度转换与输出芯片的单线方式结合，此方法对外围电路来说有非常强大的简化效果，在实现温度采集的过程中不需要用到太多的材料，只需少数的数据线以及电源线就能实现此功能。这上面提到的两种方法都能实现测量温度的功能，通过对比可以发现第二种方法更适合所要设计的系统，在测量温度上更为简便，得到的的温度值相对稳定，因此更适合选择方案2作为温度测量电路。1.3系统总体方案实时数据采集、显示和温度控制对于数字温度计系统至关重要。数据的收集、警报系统和温度展现可化分成三个部分。数据收集是利用单片机经过单线协议的形式，读得芯片的温度数据。当数据收集后，环境温度的一部分就会显示，这样使用者就能立即读取数值。温度报警系数通过按键部分来确定温度阈值，以比较实时环境温度和阈值温度。一旦温度超过阈值，二极管就会进行闪光并且发出警报。本设计的系统方案具体如图1.1所示。图1.1系统设计方案

3502系统硬件的设计2.1单片机电路选定2.1.1单片机型号的选用此次设计的选择过程中，控制器的性价比、稳定性和功率耗能是重要的依据。采用更优的单片机让系统运行的更稳。由于温度测量需要断电保护机制，以防止温度测量的误差过大，当需要中断电源来进行数据的储存时，单片机的内部存储器就可以直接启动了。选择用EEPROM存储器的单片机更好，其具有2K字节。综合上述情况，以下选项可供选择：方案一：采用Stc891作为硬件内核,快闪记忆体,它的中心部分是8051，它由一个8位通用处理器和几个便携式内存模块组成。通过连接端口，把用户代码下载到芯片上，使用mcs—51汇编语言完整兼容一系列单片机,但是它并不能使用ISP的在线编程技能用于集成电路开发,在测试集成电路时,因为出错的更改了编程或者编程中的新功能而必须烧编译器,芯片的多次进入也会对晶片产生一定的伤害。方案二：主要控制模块使用的是stm32f103c8t6单片机。它是一个32位contentm3内核的单片机，和MCS-51比较,STM32单片机有二个优点:一是在程序存储器中使用了闪存,使得程式的编制更为简单;其次,增加了容积更小的晶片,使整套硬件电路容积更小,引脚数约为二十,比MCS-51减小了二倍,也更容易理解。这是主要的监测点。STC89C51微控制器不难开发，但无法达到较高难度处理的需求，对于强复杂性处理就很难实现。STM32微控制器具有低廉的价格，同时具备优质的性能，能满足此系统的设计需求。这就是此系统使用STM32微控制器的原因。2.1.2单片机的引脚说明本设计的主控单元是Stm32f103c8t6的最小系统单元，主引脚说明如表2.1所示。所有引脚都以管脚的形式引出。车载晶体振荡器和复位逻辑由3.3V供电。当芯片焊接到插座上时，更换芯片并将其插入插座是很方便的。一共有48个引脚的STM32F103，它其中的32个引脚都可用于控制，即PA0-15、PB0-15和PC13-15。默认情况下，这些引脚可用作GPIO。它们可以是输入和输出。同时，这些引脚还提供第二功能，如SPI、IIC、AD等。图2.1STM32封装形式表2.1单片机引脚功能引脚功能PA12普通I/O口，和DS18B20连接PA11普通I/O口输入，和按键连接PA10普通I/O口，和DS18B20连接PA9普通I/O口输出，和LED连接PA8普通I/O口，和ISD4004连接PB13IPU，上拉输入PB12OD，开漏输出2.1.3最小系统的选择在本设计中，当运作时电压达到3.3V，则STM32就能够开始工作。采取使用电压为5V的电源适配器，通过迷你的插线口可以将其运输到系统最小的部位。使用无源晶振应用于晶振电路中。HSE主时钟运用8MHz晶振，而32.768KHz晶振是属于较低频率能够外接的晶振类型，一般适用于系统待机状态、定时状态或者低功率消耗时应用。这两个晶振都是以进入负载的电容而通过单片机，如下图所示。图2.2晶振电路复位是将单片机内每个寄存设施的值更改为初始状态的操作。当单片机工作程序错误而必须初始化时,可以根据复位电路的实际结构需要采用上电或压降按键二种方法来重新启动单片机。当接上电源后,上电自动恢复系统可以利用一个隔断电容的充放电程序,自动完成系统的恢复动作;而在连接电源的条件下,通过压下一个与电阻相连的按键,就可使运行中的单片机程序初始化,其结构如图2.3所示。图2.3复位电路应用SWD进行试验并对电路进行调整，如若采用JLINK调试器的话，总共仅需4根线就能实现在线对该程序进行调试，机理如下。图2.4SWD调试电路下图是STM32单片机对应系统下的电路示意图。图2.5单片机最小系统2.2显示电路设计2.2.1显示芯片的选取为使用户能够知道当时的温度，并准确明了地显示温度数据，数字温度计通过显示系统，能够提供相应的温度数据。该温度数据通常由两个数字组成，没有复杂的显示装置。以下几种装置可以实现：装置一：应用液晶显示器[4]LCD1602为显示装置。LCD1602LCD又称为文本LCD，可知其中32个字母，将其分为两行用来显示阿拉伯数字、英文字母、符号和文字。液晶显示器LCD1602不仅仅是由好几个位图和字符组成的，并且还存在字符间的距离和每一行的距离。所以在显示上无法显示图像信息。为达到正常显示的目的，还需要基于HD44780的控制装置来实现其功能。装置二：应用LED数码管[5]为显示装置。该数码管对于数字和字母的显示具有比较好的效果，最主要原因是因为它购买成本低。由于这个设计的温度显示是由两个数字构成的，因此全部的16位引脚可以直接和单片机相连。对于主要的控制装置的输出口电流不够的情况，最简单方便的方式是通过三极管放大电流，控制数码管。采用液晶显示屏会浪费资源，除此之外实现方法也更加复杂。本设计的功能要求利用LED数码管就可以基本实现了，综合比较下，本系统采用LED数码管更优。2.2.2显示系统的工作原理数码管有共阳极和共阴极的区分。定义每个数码管的正极连接在一起，同时将每个部件的负极与控制端相连就是共阳极。这样得到的控制端为低有效；同理将每个数码管的负极端子连接在一起，每个部件的正极连接到控制端称为共阴极。这样得到的控制端称为高有效。本次的设计是应用了共阳极方式。因为对于单片机的输出端提供的电流太小，导致LED数码管不能正常运转或者导致LED数码管亮度不够。能够采用三极管加大驱动电流[6]这一方式解决这一问题。现在选择c9012PNP型三极管。如图2.6所示。从图中可以看出发射极、底座和集电极分别接VCC、GND和数码管的共同接口。LED数码管的接线示意图如下：图2.6C9012三极管封装图2.7显示部分电路原理图2.3温度测量系统的设计2.3.1温度芯片的选取有关该型号选定的基础温度传感，DS18B20[7]，是一种单线模式的数字温度传感器。该装置是一种适用于宽电压范围、紧凑外形、低成本的新型“隔离装置”。它同时是全球首个可以实现单线和总线相连的温度传感器。由多个芯片组成的该装置能够通过同级接口实现简单的电路存储，并具有多点温度传感、逻辑电路、布线和扩展功能。传输电力的方法是通过外部电源，供电方式见图2.8[8]。DS18B20控制面板连接到VDD引脚。在这种情况下，不需要将电缆拉紧/拉出，电源将不充足，因此开关的精度是可变的。同时，理论上DS18B20可以与多个传感器联动，组成多温度计系统。图2.8外部电源方式供电系统使用外部电源。一是为未来多节点系统的扩展做准备，二是保证足够的性能和传输精度，运行稳定可靠和强大的锁定功能。2.3.2温度传感器系统电路DS18B20供电3V~5.5V，STM32供电3.3V，和3.3V的IO支持控制器一样的，STM32大部分IO口不支持5V驱动电压。但是DS18B20可以直接接共享单片机IO口。在一个简单的电路图中，都是用3.3V控制，如下图。图2.9温度传感器电路DS18B20的3号端接入3.3V的电源，2号端口经过电源与单片机连接，1号端口与电源地线相连。

3系统软件设计3.1系统开发环境介绍该系统是通过KeilMDKμVision5[9]实现的。它是一种能够开发KeilARM的集成型的控制装置，尤其可以作为ARMCortex-M微型球机的必备工具。Mdkarm包括keilc编译器、宏转换器、编辑器、实时源等。KeilMDKµVision5是ARMC/C++、ARM9等并且是全球范围内最先进显示芯片的带领者。比如：ST和一些重要的迷你控制装置的零件。3.2主要系统功能3.2.1主要功能研究默认情况下，所有集成应用程序都使用main()作为程序访问点。主要作用的首要部分是将外围装置进行开启，接着开始对任务进行完成。该设计中，数字LED和一些主要部件以及启动按钮，为时钟源消耗、中断、GPIO分配等需要，启动常开。然后对DS18B20设备进行初始配置并执行基线调查。如图3.1所示，表决操作先读取温度值，再读取键值，调整上下温度范围，再调整电流的控制系统。图3.1系统流程图3.2.2显示函数的设计共阳极和共阴极将8度数码管的显示系统分离开，不同之处在于出口孔效率低或效率高，而控制孔反之，可各正常。显示控件提供三种接口涵数，分别为引脚初始、低、高温的显示符号如下所示：voidc8ledInit(void);voidupdateChar0(u8numb);voidupdateChar1(u8numb);只能在显示的接口处输入0-15的数值，如果输入16那么就会使数码管无法运转，。位于函数当中，输入参数的LED显示值由预制映射的数组决定的，标有GPIO-WriteBit函数和对应的PIN。初始参数主要是LED接入口的GPIO值，使其以强推的模式进行输出。3.2.3读取温度和温控报警电路应用单线连接并且拥有简易结构、对于通信的要求比较繁琐的热传感器要数DS18B20。通常可将该热传感器划分为两个周期，且两个周期是循环出现的：初始化第一个周期，接着是ROM跳转指令，接着等待500秒变更为温度和性能。之后便接着重置后面一个循环。此时，ROM指令跳转，操作指令在RAM中运行，读取数据如图3.2所示。图3.2流程图及时获悉温度后，然后将温度在LED数码管上进行显示，同时能够通过闪烁灯指示温度是否在设定的范围内，如果超过了设定范围，显示器就会闪烁。

4系统调试4.1硬件调试在焊接的过程中，首先要检查的是系统是否有断路或者短路的情况出现，尤其是电源是否短路，检查无误后方可打开电源，阅读说明书，看是否有设计和焊接错误。将机箱与程序计划进行比较很重要，首先检查每个设备的位置以及在碰撞过程中是否会发热。那么，就只能用数字万用表等设备来测量短路、短路、目测焊接，把数字万用表加到一个大文件里进行是否短路、短路的测试检查。通过万用表检查的话，一定要先把蜂鸣档打开，红黑表笔短路，万用表会发出声音。根据这些原理，它可以用于识别。短路、开路和虚焊。如果确定笔是接在导线的一端还有另一端，则蜂鸣器发出的是正常声音，若不是接在导线两端，那么发出的声音是不正常的。硬件如果没有异常的话就可以使用，不过要时刻留意电流的数值，如果电流值过高，则电路板短路。可以手触碰芯片，如果温度升高得太高，这也意味着有问题。修复系统硬件问题：(1)DS18B20过热初次使用后发现DS18B20芯片很烫。发现原理图点和仪器程序存在问题。用户可能混淆1脚和3脚。因此，在从草图绘制时，务必检查好接线口的所处位置。(2)两点测量温度的间距过短在刚开始对温度进行测量时，之间的间距过短，这显然超出了项目的预期。经验证后发现，用于连接DS18B20的电缆长度是有一定限度的，要是用米为单位多次断裂，则连接距离会很长。由此，采取DS18B20温度传感器当作远程测量系统时，必须充分考虑与分布式体积和总线限制的兼容性。4.2软件调试该系统的软件的开发是借助于Keil5集成的工具，该工具可以实现与JLINKARM修复工具的连接，经由SWD端口轻松提取系统软件。SWD调试口是一个串行线调试口。习见的JTAG每个大概有20个引脚。多个PIN设备的存在自然会导致更繁琐的PCB布线。而SWD调试口的运行只要用4个引脚孔：GND、3.3V、SWIO、SWCLK。该程序可以加载到带有SWD调试口的驱动程序中进行调试。可能会出现以下情况：(1)DS18B20的端口传输故障。单片机的话，直接通过把接线口设定为1就可以记录该部位的信息，但是如果STM32单片机是双口的，是不能用的。最初，DS18B20并不知道以前的类型是双向的，可以通过调整GPIO的方向才可以解决，但如今只要知道怎样修改电路，而不需要复杂地调整方向就可以快速地处理该问题。(2)DS18B20基于返回信号的缺陷。在DS18B20测量系统的行针步线当中，某种程序会有向该测试系统传递调整温度的命令，那么测试系统就会等待DS18B20信号的返回。要是DS18B20中存在连接错误或异常断开连接，则在读取DS18B20时不会检测到返回信号，系统将一直持续。所以在调整试验之前就一定要对硬件部位的连接进行仔细查看。图4.1软件调试成功图

结论通过试验结果,本设计基本实现了工程设计的需求,当然在设计中由于上下阀位的设定较为繁琐,在原先结构的基础上也可能比较简单。本文针对各种温度计不能准确显示温度的现象提供了有效的解决方法，应用这种系统程序就可以实现温度的准确读取，数字温度信息是最适合工业设计的应用程序。有利于改善行业。该装置由控制装置、单独作用的开关装置、STM32F103芯片以及周围的电路构成DS18B20传感器，该传感器还是一个连接到MCU的“单总线”处理器部分。单片机可以每隔100ms获取一次温度数据，再由LED数码管显示出来。另外使用者还能比较报警信号后确定MCU产生的最高以及温度最低值。单独的按钮不仅可以对温度的大小数值进行调节，两个按钮的不同组合使用还可以实现其他的用途，比如对数值的增减进行调节、热量温度显示，诸如此类。通过一些后期操作可以获得全部的特定功能，例如对温度的实时控制和显示、能够调节温度区间的单独按键、报警温度显示的性能等功能。并且这种系统在温度较高时可靠性更值得信赖，同时拥有处理强大故障的功能，能够让使用者了解当时的准确温度数值。参考文献[1]邵志刚.基于单片机的数字示波器的设计[J].数字技术与应用,2015,12(05)：88-89[2]林海波.基于单片机STC89C52的串联型移位步进控制器的设计[J].电气自动化,2018,2(1)：95-97[3]邹建基.基于Zigbee技术的危化品车辆监测无线传感