傳感器及其應(yīng)用課程論文

1、院系：物電院專業(yè)：10級(jí)電子信息工程(2)班學(xué)號(hào)：08101100219姓名：李斌傳感器及其應(yīng)用課程論文 基于51的DS18B20的溫度采集顯示 摘要：隨著時(shí)代的進(jìn)步和發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)普及到我們生活、工作、科研、各個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)成為一種比較成熟的技術(shù)。對(duì)于溫度的測(cè)量方法與裝置的研究就凸顯得非常重要。由單片機(jī)與溫度傳感器構(gòu)成的測(cè)溫系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如糧倉，植物培養(yǎng)室等。本設(shè)計(jì)采用51單片機(jī)和DS18B20 數(shù)字溫度傳感器來進(jìn)行溫度測(cè)量的方法,包括溫度傳感器芯片的選取、單片機(jī)與溫度傳感器接口電路的設(shè)計(jì),以及實(shí)現(xiàn)溫度信息采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖O(shè)計(jì)。DS18B20 數(shù)字溫度傳感器是單總線器件,

2、與51 單片機(jī)組成一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng),具有線路簡(jiǎn)單、體積小等特點(diǎn),而且在一根通信線上,可以掛接很多這樣的測(cè)溫系統(tǒng),十分方便。 傳感器的未來發(fā)展趨勢(shì) 21世紀(jì)是信息科學(xué)與技術(shù)全新發(fā)展的時(shí)代，信息技術(shù)已經(jīng)成為社會(huì)發(fā)展一股新的強(qiáng)大推動(dòng)力。傳感器技術(shù)作為信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，因此受到了國家和社會(huì)各個(gè)行業(yè)的高度重視，并且迅速發(fā)展。在傳感器及其應(yīng)用這門課程中我們了解了各種各樣的傳感器。 傳感器技術(shù)是以傳感器為核心論述其內(nèi)涵、外延的學(xué)科，也是一門涉及測(cè)量技術(shù)、功能材料、微電子技術(shù)、精密與微細(xì)加工技術(shù)、信息處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等相互結(jié)合形成的密集型綜合技術(shù)。當(dāng)今的傳感器是一種能把非電輸入信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出

3、的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器未來的發(fā)展主要朝著以下四個(gè)方面：發(fā)現(xiàn)新效應(yīng)，開發(fā)新材料、新功能；新的效應(yīng)和現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，是新的敏感材料的開發(fā)的重要途徑，而新的敏感材料的開發(fā)是新型傳感器出現(xiàn)的重要基礎(chǔ)。 傳感器的多功能集成化和微型化；所謂集成化就是在同一芯片上，或?qū)⒈姸嗤愋偷膯蝹€(gè)傳感器件集成為一維，二維或三維陣列型傳感器，或?qū)鞲衅骷c調(diào)理、補(bǔ)償?shù)忍幚黼娐芳梢惑w化。微型傳感器是朝著微米/納米技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展，其顯著特征就是體積小、重量很輕，這種傳感器一般應(yīng)用于航空航天，環(huán)境保護(hù)，生物醫(yī)學(xué)和工業(yè)自動(dòng)化等高科技領(lǐng)域。傳感器的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化；傳感器的數(shù)字化提高傳感器本身的多種性

4、能。智能化是指?jìng)鞲衅骶哂幸环N或多種敏感功能，不僅能實(shí)現(xiàn)信息的探測(cè)、處理、邏輯判斷和雙向通訊，而且具有自檢測(cè)、自校正、自補(bǔ)償、自診斷等多功能的器件或裝置。傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種由眾多隨機(jī)分布的一組同類或異類傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)。研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器；利用仿生學(xué)、生物遺傳工程和生物電子學(xué)技術(shù)研究它們的機(jī)理，研究仿生傳感器，也是一個(gè)十分引人注目的方向。(5)傳感器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測(cè)溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。所以學(xué)習(xí)與掌握各種傳感器的應(yīng)用對(duì)于我們電氣工程專業(yè)顯得尤為重要。也是把握科技最新前沿的一條途徑。也就是說

5、，學(xué)會(huì)傳感器的應(yīng)用技術(shù)，好的就業(yè)在等你。DS18B20的引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20內(nèi)部如上圖所示，主要由4部分組成：64 位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作 是該DS18B20的地址序列碼，每個(gè)DS18B20的64位序列號(hào)均不相同。64位ROM的排的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8X5X41）。 ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。 認(rèn)識(shí)DS18B201.DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一種“單總線”溫度傳感器，它采用獨(dú)特的單線接口方式，

6、僅需要一個(gè)端口引腳來發(fā)送或接收信息，在MCU和DS18B20之間僅需一條數(shù)據(jù)線。2.每個(gè)DS18B20都有一個(gè)唯一的ROM序列號(hào)，所以可以將多只DS18B20同時(shí)連在一根單總線上，進(jìn)行簡(jiǎn)單的多點(diǎn)分布應(yīng)用。3.DS18B20極為小巧，大小和一個(gè)普通的三極管相當(dāng)，所以在溫度測(cè)量方面有著比較廣泛的應(yīng)用，包括溫度控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費(fèi)電子，溫度計(jì)已經(jīng)其他的一下熱感測(cè)系統(tǒng)。4.DS18B20內(nèi)部有三個(gè)主要數(shù)字部件：64位激光ROM，溫度傳感器，非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL。5.DS18B20可以采用寄生電源方式工作，從單總線上汲取能量，在信號(hào)線處于高電平期間把能量?jī)?chǔ)存在內(nèi)部電容里，在信號(hào)線處于低電平期

7、間小號(hào)電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源充電，DS18B20也可以用外部電源35.5V電源供電。為什么使用DS18B20 DS18B20 單線數(shù)字溫度傳感器，即“一線器件”，其具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)： 1 .采用單總線的接口方式 與微處理器連接時(shí) 僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。 單總線具有經(jīng)濟(jì)性好，抗干擾能力強(qiáng)，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。  2 .測(cè)量溫度范圍寬，測(cè)量精度高 DS18B20 的測(cè)量范圍為 -55 + 125 ； 在 -10+ 85°C 范圍內(nèi)，精

8、度為 ± 0.5°C 。  3 .在使用中不需要任何外圍元件。  4 .持多點(diǎn)組網(wǎng)功能 多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在惟一的單線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。  5 .供電方式靈活 DS18B20 可以通過內(nèi)部寄生電路從數(shù)據(jù)線上獲取電源。因此，當(dāng)數(shù)據(jù)線上的時(shí)序滿足一定的要求時(shí)，可以不接外部電源，從而 使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。  6 .測(cè)量參數(shù)可配置 DS18B20 的測(cè)量分辨率可通過程序設(shè)定 912 位。  7 .負(fù)壓特性電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 8 .掉電保護(hù)功能 DS18B20 內(nèi)部含有 E

9、EPROM ，在系統(tǒng)掉電以后，它仍可保存分辨率及報(bào)警溫度的設(shè)定值。 DS18B20 具有體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)、可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍，適合于構(gòu)建自己的經(jīng)濟(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)，因此也就被設(shè)計(jì)者們所青睞。 注：?jiǎn)慰偩€特點(diǎn)單總線即只有一根數(shù)據(jù)線，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換，控制都由這根線完成。單總線通常要求外接一個(gè)約為 4.7K10K 的上拉電阻，這樣，當(dāng)總線閑置時(shí)其狀態(tài)為高電平。何為單總線 單總線即只有一根數(shù)據(jù)線，簡(jiǎn)單地說就是在一根線上傳輸0和1，完成系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換，控制都由這根線完成。單總線通常要求外接一個(gè)約為 4.7K10K 的上拉電阻，這樣，當(dāng)總線閑置時(shí)其狀態(tài)為高電平。DS18B2

10、0與單片機(jī)的連接方法如圖：DS18B20的ROM操作命令DS18B20依靠一個(gè)單總線端口通信，必須先建立ROM操作協(xié)議，才能進(jìn)行存儲(chǔ)器和控制操作。因此主機(jī)（MCU）必須首先提供下面5個(gè)ROM操作命令之一：1.讀出ROM，代碼為33H，用于讀出DS18B20的序列號(hào)，即64位激光ROM代碼。2.匹配ROM，代碼為55H，用于識(shí)別（或選中）某一特定的DS18B20進(jìn)行操作。3.搜索ROM，代碼為F0H，用于確定總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)以及所有節(jié)點(diǎn)的序列號(hào)。4.跳過ROM，代碼為CCH，命令發(fā)出后系統(tǒng)將對(duì)所有DS18B20進(jìn)行操作，通常用于啟動(dòng)所有DS18B20轉(zhuǎn)換之前，或系統(tǒng)中僅有一個(gè)DS18B20時(shí)。5.

11、報(bào)警搜索，代碼為ECH，主要用于鑒別和定位系統(tǒng)中超出程序設(shè)定的報(bào)警溫度界限的節(jié)點(diǎn)。DS18B20存儲(chǔ)器操作命令1.溫度轉(zhuǎn)換，代碼為44H，用于啟動(dòng)DS18B20進(jìn)行溫度測(cè)量，溫度轉(zhuǎn)換命令被執(zhí)行后DS18B20保持等待狀態(tài)。如果主機(jī)在這條命令之后跟著發(fā)出讀時(shí)間隙，而DS18B20又忙于做溫度轉(zhuǎn)換的話，DS18B20將在總線上輸出“0”，若溫度轉(zhuǎn)換完成，則輸出“1”。2.讀暫存器，代碼為BEH，用于讀取暫存器中的內(nèi)容，從字節(jié)0開始最多可以讀取9個(gè)字節(jié)，如果不想讀完所有字節(jié)，主機(jī)可以在任何時(shí)間發(fā)出復(fù)位命令來終止讀取。3.寫暫存器，代碼為4EH,用于將數(shù)據(jù)寫入到DS18B20暫存器的地址2和地址3（T

12、H和TL字節(jié)）?？梢栽谌魏螘r(shí)刻發(fā)出復(fù)位命令來終止寫入。4.復(fù)制暫存器，代碼為48H，用于將暫存器的內(nèi)容復(fù)制到DS18B20的非易失性E2RAM，即把溫度報(bào)警觸發(fā)字節(jié)存入到非易失性存儲(chǔ)器里。5.重讀E2RAM，代碼為B8H，用于將存儲(chǔ)在非易失性E2RAM中的內(nèi)容重新讀入到暫存器中。6.讀電源，代碼為B4H，用于將DS18B20的供電方式信號(hào)發(fā)送到主機(jī)。若在這條命令發(fā)出之后發(fā)出讀時(shí)間隙，DS18B20將返回它的供電方式：“0”=寄生電源，“1”=外部電源。DS18B20的寫時(shí)隙寫時(shí)隙：當(dāng)主機(jī)把數(shù)據(jù)線從邏輯高電平拉到邏輯低電平的時(shí)候，寫時(shí)間隙開始。有兩種寫時(shí)間隙：寫1的時(shí)間隙和寫0時(shí)間隙。所有寫時(shí)間

13、隙必須最少持續(xù)60us,包括兩個(gè)寫周期間至少1us的恢復(fù)時(shí)間。DQ引腳上的電平變低后，DS18B20在一個(gè)15us到60us的時(shí)間窗口內(nèi)對(duì)DQ引腳采樣。如果DQ引腳是高電平，就是寫1，如果DQ引腳是低電平，就是寫0。主機(jī)要生成一個(gè)寫1時(shí)間隙，必須把數(shù)據(jù)線拉到低電平然后釋放，在寫時(shí)間隙開始后的15us內(nèi)允許數(shù)據(jù)線拉到高電平。主機(jī)要生成一個(gè)寫0時(shí)間隙，必須把數(shù)據(jù)線拉到低電平并保持60us。DS18B20的讀時(shí)隙讀時(shí)隙：從DS18B20讀取數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)生產(chǎn)讀時(shí)間隙。當(dāng)主機(jī)把數(shù)據(jù)線從邏輯高電平拉到邏輯低電平時(shí)，讀時(shí)間隙開始。數(shù)據(jù)線必須保持至少1us；從DS18B20輸出的數(shù)據(jù)在讀時(shí)間隙的下降沿出現(xiàn)后1

14、5us內(nèi)有效。因此，主機(jī)在讀時(shí)間隙開始后必須停止把DQ引腳驅(qū)動(dòng)為低電平15us，以讀取I/O腳狀態(tài)。在讀時(shí)間隙的結(jié)尾，DQ引腳將被外部上拉電阻拉到高電平。所有讀時(shí)間隙最少必須60us，包括兩個(gè)讀周期時(shí)間和至少1us的恢復(fù)時(shí)間。DS18B20的工作時(shí)序 DS18B20的一線工作協(xié)議流程是：初始化ROM操作指令存儲(chǔ)器操作指令數(shù)據(jù)傳輸。 其工作時(shí)序包括：1.初始化時(shí)序；2.寫時(shí)序；3.讀時(shí)序。（1）初始化時(shí)序主機(jī)首先發(fā)出一個(gè)480960微秒的低電平脈沖，然后釋放總線變?yōu)楦唠娖?，并在隨后的480微秒時(shí)間內(nèi)對(duì)總線進(jìn)行檢測(cè)，如果有低電平出現(xiàn)說明總線上有器件已做出應(yīng)答。若無低電平出現(xiàn)一直都是高電平說明總線上

15、無器件應(yīng)答。做為從器件的DS18B20在一上電后就一直在檢測(cè)總線上是否有480960微秒的低電平出現(xiàn)，如果有，在總線轉(zhuǎn)為高電平后等待1560微秒后將總線電平拉低60240微秒做出響應(yīng)存在脈沖，告訴主機(jī)本器件已做好準(zhǔn)備。若沒有檢測(cè)到就一直在檢測(cè)等待。 （2）寫和讀操作接下來就是主機(jī)發(fā)出各種操作命令，但各種操作命令都是向DS18B20寫0和寫1組成的命令字節(jié)，接收數(shù)據(jù)時(shí)也是從DS18B20讀取0或1的過程。因此首先要搞清主機(jī)是如何進(jìn)行寫0、寫1、讀0和讀1的。寫周期最少為60微秒，最長(zhǎng)不超過120微秒。寫周期一開始做為主機(jī)先把總線拉低1微秒表示寫周期開始。隨后若主機(jī)想寫0，則繼續(xù)拉低電平最少60微

16、秒直至寫周期結(jié)束，然后釋放總線為高電平。若主機(jī)想寫1，在一開始拉低總線電平1微秒后就釋放總線為高電平，一直到寫周期結(jié)束。而做為從機(jī)的DS18B20則在檢測(cè)到總線被拉底后等待15微秒然后從15us到45us開始對(duì)總線采樣，在采樣期內(nèi)總線為高電平則為1，若采樣期內(nèi)總線為低電平則為0。對(duì)于讀數(shù)據(jù)操作時(shí)序也分為讀0時(shí)序和讀1時(shí)序兩個(gè)過程。讀時(shí)隙是從主機(jī)把單總線拉低之后，在1微秒之后就得釋放單總線為高電平，以讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。DS18B20在檢測(cè)到總線被拉低1微秒后，便開始送出數(shù)據(jù)，若是要送出0就把總線拉為低電平直到讀周期結(jié)束。若要送出1則釋放總線為高電平。主機(jī)在一開始拉低總線1微秒

17、后釋放總線，然后在包括前面的拉低總線電平1微秒在內(nèi)的15微秒時(shí)間內(nèi)完成對(duì)總線進(jìn)行采樣檢測(cè)，采樣期內(nèi)總線為低電平則確認(rèn)為0。采樣期內(nèi)總線為高電平則確認(rèn)為1。完成一個(gè)讀時(shí)序過程，至少需要60us才能完成DS18B20 單線通信功能是分時(shí)完成的，他有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，如果出現(xiàn)序列混亂， 1-WIRE 器件將不響應(yīng)主機(jī)，因此讀寫時(shí)序很重要。系統(tǒng)對(duì) DS18B20 的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。根據(jù) DS18B20 的協(xié)議規(guī)定，微控制器控制 DS18B20 完成溫度的轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過以下 4 個(gè)步驟 ：每次讀寫前對(duì) DS18B20 進(jìn)行復(fù)位初始化。復(fù)位要求主 CPU 將數(shù)據(jù)線下拉 500us ，然后釋放， DS1

18、8B20 收到信號(hào)后等待 16us60us 左右，然后發(fā)出 60us240us 的存在低脈沖，主 CPU 收到此信號(hào)后表示復(fù)位成功。發(fā)送一條 ROM 指令DS18B20的指令集 （）發(fā)送存儲(chǔ)器指令 DS18B20 的存儲(chǔ)器指令集 現(xiàn)在我們要做的是讓DS18B20進(jìn)行一次溫度的轉(zhuǎn)換，那具體的操作就是：1、主機(jī)先作個(gè)復(fù)位操作，2、主機(jī)再寫跳過ROM的操作（CCH）命令，3、然后主機(jī)接著寫個(gè)轉(zhuǎn)換溫度的操作命令，后面釋放總線至少一秒，讓DS18B20完成轉(zhuǎn)換的操作。在這里要注意的是每個(gè)命令字節(jié)在寫的時(shí)候都是低字節(jié)先寫，例如CCH的二進(jìn)制為11001100，在寫到總線上時(shí)要從低位開始寫，寫的順序是“0、

19、0、1、1、0、0、1、1”。整個(gè)操作的總線狀態(tài)如下圖：讀取RAM內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)。同樣，這個(gè)操作也要接照三個(gè)步驟。1、主機(jī)發(fā)出復(fù)位操作并接收DS18B20的應(yīng)答（存在）脈沖。2、主機(jī)發(fā)出跳過對(duì)ROM操作的命令（CCH）。3、主機(jī)發(fā)出讀取RAM的命令（BEH），隨后主機(jī)依次讀取DS18B20發(fā)出的從第0一第8，共九個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。如果只想讀取溫度數(shù)據(jù)，那在讀完第0和第1個(gè)數(shù)據(jù)后就不再理會(huì)后面DS18B20發(fā)出的數(shù)據(jù)即可。同樣讀取數(shù)據(jù)也是低位在前的。整個(gè)操作的總線狀態(tài)如下圖： 在這里說明一下，第二步跳過對(duì)ROM操作的命令是在總線上只有一個(gè)器件時(shí)，為節(jié)省時(shí)間而簡(jiǎn)化的操作，若總線上不止一個(gè)器件，那么跳過R

20、OM操作命令將會(huì)使幾器件同時(shí)響應(yīng)，這樣就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突。C程序?qū)崿F(xiàn) 注： 本程序采用STC公司的STC89C52單片機(jī)，海翔開發(fā)已板驗(yàn)證。#include<reg52.h> /包含頭文件，一般情況不需要改動(dòng)，頭文件包含特殊功能寄存器的定義#define uchar unsigned char#define uint unsigned int;/*/* 定義端口 */*/ sbit DQ=P37; /ds18b20 端口/*/* 全局變量 */*/uint temp;uchar flag_get,count,num,minute,second;uchar code tab=0x3f,

21、0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f; /7段數(shù)碼管段碼表共陽uchar str6;/*/* 函數(shù)聲明 */*/void delay1(uchar MS); /延時(shí)函數(shù)unsigned int ReadTemperature(void); /讀取溫度void Init_DS18B20(void); /初始化unsigned char ReadOneChar(void); /讀一個(gè)字節(jié)void WriteOneChar(unsigned char dat); /寫一個(gè)字節(jié)void delay(unsigned int i); /延時(shí)函數(shù)/*/*

22、 主函數(shù) */*/main()unsigned char TempH,TempL;TMOD|=0x01; /定時(shí)器設(shè)置初始化TH0=0xef;TL0=0xf0;IE=0x82;TR0=1;P2=0x00; count=0;while(1) str5=0x39; /顯示C符號(hào)，代表攝氏度 str1=tabTempH/100; /十位溫度 str2=tab(TempH%100)/10; /十位溫度 str3=tab(TempH%100)%10|0x80; /個(gè)位溫度,帶小數(shù)點(diǎn) str4=tabTempL; if(flag_get=1) /定時(shí)讀取當(dāng)前溫度 temp=ReadTemperature(

23、); if(temp&0x8000) str0=0x40;/負(fù)號(hào)標(biāo)志 temp=temp; / 取反加1 temp +=1; else str0=0; TempH=temp>>4; TempL=temp&0x0F; TempL=TempL*6/10;/小數(shù)近似處理 flag_get=0; /*/* 定時(shí)器中斷 */*/void tim(void) interrupt 1 using 1/中斷，用于數(shù)碼管掃描和溫度檢測(cè)間隔TH0=0xef;/定時(shí)器重裝值TL0=0xf0;num+;if (num=50) num=0; flag_get=1;/標(biāo)志位有效 second+

24、; if(second>=60) second=0; minute+; count+;if(count=1) P2=0; P0=str0; /數(shù)碼管掃描if(count=2) P2=1; P0=str1;if(count=3) P2=2; P0=str2; if(count=4) P2=3; P0=str3; if(count=5) P2=4; P0=str4; if(count=6) P2=5; P0=str5; count=0;/*/* 延時(shí)函數(shù) */*/void delay(unsigned int i)/延時(shí)函數(shù) while(i-);/*/* DS18B20初始化 */*/void Init_DS18B20(void) unsigned char x=0; DQ = 1; /DQ復(fù)位 delay(8); /稍做延時(shí) DQ = 0; /單片機(jī)將