基于51單片機的溫度檢測和報警系統(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 32 傳感器的工作原理 傳感器是一種能把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件國際電工委員會的定義為傳感器是測量系統中的一種前置部件它將輸入變量轉換成可供測量的信號按照 Gopel 等的說法是傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件而傳感器系統則是組合有某種信息處理 模擬或數字 能力的系統傳感器是傳感系統的一個組成部分它是被測量信號輸入的第一道關口 23 驅 動 電 路 向傳感器提供177。 15V 電源激磁電路中的晶體振蕩器產生 400Hz 的方波經過TDA2030 功率放大器即產生交流激磁功率電源通過能源環形變壓器 T1 從靜止的初級線圈傳遞至旋轉的次級線圈得到的交流電源通過軸上的整流濾波電路得到177。 5V 的直流電源該電源做運算放大器 AD822 的工作電源由基準電源 AD589 與雙運放 AD822組成的高精度穩壓電源產生177。 45V的精密直流電源該電源既作為電橋電源又作為放大器及 VF轉換器的工作電源當彈性軸受扭時應變橋檢測得到的 mV級的應變信號通過儀表放大器 AD620 放大成 15v177。 1v 的強信號再通過 VF 轉換器LM131 變換成頻率信號通過信號環形變壓器 T2 從旋轉的初級線圈傳遞至靜止次級線圈再經過外殼上的信號處理電路濾波整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號該信號為 TTL 電平既可提供給專用二次儀表或頻率計顯示也可直接送計算機處理由于該旋轉變壓器動 靜環之間只有零點幾毫米的間隙加之傳感器軸上部分都密封在金屬外殼之內形成有效的屏蔽因此具有很強的抗干擾能力 四原理分析 41DS18B20 的主要特性 1 適應電壓范圍更寬電壓范圍 30～ 55V 在寄生電源方式下可由數據線供電 2 獨特的單線 接口方式 DS18B20 在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與 DS18B20 的雙向通訊 3DS18B20支持多點組網功能多個 DS18B20可以并聯在唯一的三線上實現組網多點測溫 4DS18B20 在使用中不需要任何外圍元件全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內 5 溫范圍－ 55℃～＋ 125℃在 10～ 85℃時精度為177。 05℃ 6可編程的分辨率為 9～ 12位對應的可分辨溫度分別為 05℃ 025℃ 0125℃和00625℃可實現高精度測溫 7 在 9 位分辨率時最多在 9375ms 內把溫度轉換為數字 12 位分辨率時最多在 750ms 內把溫度值轉換為數字速度更快 8 測量結果直接輸出數字溫度信號以 一線總線 串行傳送給 CPU 同時可傳送 CRC 校驗碼具有極強的抗干擾糾錯能力 9 負壓特性電源極性接反時芯片不會因發熱而燒毀但不能正常工作 42DS18B20 的外形和內部結構 DS18B20 內部結構主要由四部分組成 64 位光刻 ROM 溫度傳感器非揮發的溫度報警觸發器 TH 和 TL 配置寄存器 DS18B20 的外形及管腳排列如下圖 1 DS18B20 引腳定義 1 DQ 為數字信號輸入輸出端 2 GND 為電源地 3 VDD 為外接供電電源輸入端在寄生電源接線方式時接地 43DS18B20 工作原理 DS18B20的讀寫時序和測溫原理與 DS1820相同只是得到的溫度值的位數因分辨率不同而不同且溫度轉換時的延時時間由 2s 減為 750ms DS18B20 測溫原理如圖 3 所示圖中低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度影響很小用于產生固定頻率的脈沖信號送給計數器 1 高溫度系數晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變所產生的信號作為計數器 2的脈沖輸入計數器 1和溫度寄存器被預置在－ 55℃所對應的一個基數 值計數器 1對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數當計數器 1的預置值減到 0 時溫度寄存器的值將加 1 計數器 1 的預置將重新被裝入計數器 1重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數如此循環直到計數器 2 計數到 0 時停止溫度寄存器值的累加此時溫度寄存器中的數值即為所測溫度圖 3中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性其輸出用于修正計數器 1的預置值 44 DS18B20 有 4 個主要的數據部件 1 光刻 ROM 中的 64 位序列號是出廠前被光刻好的它可以看作是該 DS18B20的地址序列碼 64 位光刻 ROM 的排列是開始 8 位 28H 是產品類型標號接著的 48位是該 DS18B20 自身的序列號最后 8 位是前面 56 位的循環冗余校驗碼 CRC X8X5X41 光刻 ROM 的作用是使每一個 DS18B20 都各不相同這樣就可以實現一根總線上掛接多個 DS18B20 的目的 2DS18B20 中的溫度傳感器可完成對溫度的測量以 12 位轉化為例用 16 位符號擴展的二進制補碼讀數形式提供以 00625℃ LSB 形式表達其中 S 為符號位 這是 12 位轉化后得到的 12 位數據存儲在 18B20 的兩個 8 比特的 RAM 中二進制中的前面 5位是符號位如果測得的溫度大于 0這 5位為 0只 要將測到的數值乘于 00625即可得到實際溫度如果溫度小于 0這 5位為 1測到的數值需要取反加1 再乘于 00625 即可得到實際溫度 例如 125℃的數字輸出為 07D0H250625℃的數字輸出為 0191H250625℃的數字輸出為 FF6FH55℃的數字輸出為 FC90H 3DS18B20 溫度傳感器的存儲器 DS18B20 溫度傳感器的內部存儲器包括一個高速暫存 RAM 和一個非易失性的可電擦除的 EEPRAM 后者存放高溫度和低溫度觸發器 THTL 和結構寄存器 4 配置寄存器 該字節各位的意義如下 低五位一直都是 1TM是測試模式位用于設置 DS18B20在工作模式還是在測試模式在 DS18B20出廠時該位被設置為 0用戶不要去改動 R1和 R0用來設置分辨率如下表所示 DS18B20 出廠時被設置為 12 位 45 高速暫存存儲器 高速暫存存儲器由 9個字節組成其分配如表 5所示當溫度轉換命令發布后經轉換所得的溫度值以二字節補碼形式存放在高速暫存存儲器的第 0和第 1個字節單片機可通過單線接口讀到該數據讀取時低位在前高位在后數據格式如表 1 所示對應的溫度計算當符號位 S 0 時直接將二進制位轉換為十進制當 S 1 時先將補碼變為 原碼再計算十進制值表 2 是對應 的一部分溫度值第九個字節是冗余檢驗字節 根據 DS18B20 的通訊協議主機單片機控制 DS18B20 完成溫度轉換必須經過三個步驟每一次讀寫之前都要對DS18B20 進行復位操作復位成功后發送一條 ROM 指令最后發送 RAM 指令這樣才能對 DS18B20 進行預定的操作復位要求主 CPU 將數據線下拉 500 微秒然后釋放當DS18B20 收到信號后等待 16～ 60 微秒左右后發出 60～ 240 微秒的存在低脈沖主CPU 收到此信號表示復位成功 五系統硬件設計 51 硬件電路圖 圖 4 52 原理圖 53 DS18B20 集成溫度傳感器的結構及原理 結構 DS18B20溫度傳感器的內部存儲器包括一個高速暫存 RAM和一個非易失性的可電擦除的 E2RAM 后者存放高溫度和低溫度觸發器 THTL 和結構寄存器 暫存存儲器包含了 8 個連續字節前兩個字節是測得的溫度信息第一個字節的內容是溫度的低八位第二個字節是溫度的高八位第三個和第四個字節是 THTL的易失性拷貝第五個字節是結構寄存器的易失性拷貝這三個字節的內容在每一次上電復位時被刷新第六七八個字節用于內部計算第九個字節是冗余檢驗 字節 根據 DS18B20 的通訊協議主機控制 DS18B20 完成溫度轉換必須經過三個步驟每一次讀寫之前都要對 DS18B20進行復位復位成功后發送一條 ROM指令最后發送 RAM 指令這樣才能對 DS18B20 進行預定的操作復位要求主 CPU 將數據線下拉500 微秒然后釋放 DS18B20 收到信號后等待 16～ 60 微秒左右后發出 60～ 240 微秒的存在低脈沖主 CPU 收到此信號表示復位成功 DS1820 使用中注意事項 DS1820 雖然具有測溫系統簡單測溫精度高連接方便占用口線少等優點但在實際應用中也應注意以下幾方面的 問題 1 較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償由于 DS1820 與微處理器間采用串行數據傳送因此在對 DS1820 進行讀寫編程時必須嚴格的保證讀寫時序否則將無法讀取測溫結果在使用 PLMC 等高級語言進行系統程序設計時對DS1820 操作部分最好采用匯編語言實現 2 在 DS1820 的有關資料中均未提及單總線上所掛 DS1820 數量問題容易使人誤認為可以掛任意多個 DS1820 在實際應用中并非如此當單總線上所掛DS1820 超過 8 個時就需要解決微處理器的總線驅動問題這一點在進行多點測溫系統設計時要加以注意 3 連接 DS1820 的總線電纜是有長度限制的試驗中當采用普通信號電纜傳輸長度超過 50m 時讀取的測溫數據將發生錯誤當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時正常通訊距離可達 150m 當采用每米絞合次數更多的雙絞線帶屏蔽電纜時正常通訊距離進一步加長這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產生畸變造成的因此在用 DS1820 進行長距離測溫系統設計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題 4 在 DS1820 測溫程序設計中向 DS1820 發出溫度轉換命令后程序總要等待 DS1820 的返回信號一旦某個 DS1820 接觸不好 或斷線當程序讀該 DS1820 時將沒有返回信號程序進入死循環這一點在進行 DS1820 硬件連接和軟件設計時也要給予一定的重視 測溫電纜線建議采用屏蔽 4 芯雙絞線其中一對線接地線與信號線另一組接VCC 和地線屏蔽層在源端單點接地 54DS18B20 原理 在生產實踐中對溫度的多點監測有時需要同時檢測多至數百個測溫點 D S18B20 是美國 D A L L A S 半導體公司繼 D S1820 之后最新推出的一種改進型智能溫度傳感器與傳統的熱敏電阻相比他能夠直接讀出被測溫度并且可根據實際要求通過簡單的編程實現 9～ 12 位的數字值讀 數方式可以分別在 9375ms 和750ms 內完成 9 位和 12 位的數字量并且從 DS18B20 讀出的信息或寫入 D S18B20的信息僅需要一根口線 單線接口 讀寫溫度變換功率來源于數據總線總線本身也可以向所掛接的 D S18B20 供電而無需額外電源 559S51 系列單片機的內部結構 主要由以下部分組成 CPURAMROM 四個并行 IO 口 1 個串行口 2個 16 位定時器計數器中斷系統特殊功能寄存器 9S51 的工作原理 構建 CPU 的基石是晶體管可以看成是微型電子開關代表兩種狀態 ON 開 和OFF 關 這一開一關 兩種狀態正好與二進制中的基礎狀態 0 和 1 對應 CPU