基于51单片机的温度检测和报警系统

基于51单片机的温度检测和报警系统内容摘要：

32 传感器的工作原理 传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件国际电工委员会的定义为传感器是测量系统中的一种前置部件它将输入变量转换成可供测量的信号按照 Gopel 等的说法是传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件而传感器系统则是组合有某种信息处理 模拟或数字 能力的系统传感器是传感系统的一个组成部分它是被测量信号输入的第一道关口 23 驱 动 电 路 向传感器提供177。 15V 电源激磁电路中的晶体振荡器产生 400Hz 的方波经过TDA2030 功率放大器即产生交流激磁功率电源通过能源环形变压器 T1 从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到177。 5V 的直流电源该电源做运算放大器 AD822 的工作电源由基准电源 AD589 与双运放 AD822组成的高精度稳压电源产生177。 45V的精密直流电源该电源既作为电桥电源又作为放大器及 VF转换器的工作电源当弹性轴受扭时应变桥检测得到的 mV级的应变信号通过仪表放大器 AD620 放大成 15v177。 1v 的强信号再通过 VF 转换器LM131 变换成频率信号通过信号环形变压器 T2 从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈再经过外壳上的信号处理电路滤波整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号该信号为 TTL 电平既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理由于该旋转变压器动 静环之间只有零点几毫米的间隙加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内形成有效的屏蔽因此具有很强的抗干扰能力 四原理分析 41DS18B20 的主要特性 1 适应电压范围更宽电压范围 30～ 55V 在寄生电源方式下可由数据线供电 2 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 3DS18B20支持多点组网功能多个 DS18B20可以并联在唯一的三线上实现组网多点测温 4DS18B20 在使用中不需要任何外围元件全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内 5 温范围－ 55℃～＋ 125℃在 10～ 85℃时精度为177。 05℃ 6可编程的分辨率为 9～ 12位对应的可分辨温度分别为 05℃ 025℃ 0125℃和00625℃可实现高精度测温 7 在 9 位分辨率时最多在 9375ms 内把温度转换为数字 12 位分辨率时最多在 750ms 内把温度值转换为数字速度更快 8 测量结果直接输出数字温度信号以 一线总线 串行传送给 CPU 同时可传送 CRC 校验码具有极强的抗干扰纠错能力 9 负压特性电源极性接反时芯片不会因发热而烧毁但不能正常工作 42DS18B20 的外形和内部结构 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触发器 TH 和 TL 配置寄存器 DS18B20 的外形及管脚排列如下图 1 DS18B20 引脚定义 1 DQ 为数字信号输入输出端 2 GND 为电源地 3 VDD 为外接供电电源输入端在寄生电源接线方式时接地 43DS18B20 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 DS18B20 测温原理如图 3 所示图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器 1 高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变所产生的信号作为计数器 2的脉冲输入计数器 1和温度寄存器被预置在－ 55℃所对应的一个基数 值计数器 1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数当计数器 1的预置值减到 0 时温度寄存器的值将加 1 计数器 1 的预置将重新被装入计数器 1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数如此循环直到计数器 2 计数到 0 时停止温度寄存器值的累加此时温度寄存器中的数值即为所测温度图 3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性其输出用于修正计数器 1的预置值 44 DS18B20 有 4 个主要的数据部件 1 光刻 ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的它可以看作是该 DS18B20的地址序列码 64 位光刻 ROM 的排列是开始 8 位 28H 是产品类型标号接着的 48位是该 DS18B20 自身的序列号最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码 CRC X8X5X41 光刻 ROM 的作用是使每一个 DS18B20 都各不相同这样就可以实现一根总线上挂接多个 DS18B20 的目的 2DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量以 12 位转化为例用 16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供以 00625℃ LSB 形式表达其中 S 为符号位 这是 12 位转化后得到的 12 位数据存储在 18B20 的两个 8 比特的 RAM 中二进制中的前面 5位是符号位如果测得的温度大于 0这 5位为 0只 要将测到的数值乘于 00625即可得到实际温度如果温度小于 0这 5位为 1测到的数值需要取反加1 再乘于 00625 即可得到实际温度 例如 125℃的数字输出为 07D0H250625℃的数字输出为 0191H250625℃的数字输出为 FF6FH55℃的数字输出为 FC90H 3DS18B20 温度传感器的存储器 DS18B20 温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存 RAM 和一个非易失性的可电擦除的 EEPRAM 后者存放高温度和低温度触发器 THTL 和结构寄存器 4 配置寄存器 该字节各位的意义如下 低五位一直都是 1TM是测试模式位用于设置 DS18B20在工作模式还是在测试模式在 DS18B20出厂时该位被设置为 0用户不要去改动 R1和 R0用来设置分辨率如下表所示 DS18B20 出厂时被设置为 12 位 45 高速暂存存储器 高速暂存存储器由 9个字节组成其分配如表 5所示当温度转换命令发布后经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第 0和第 1个字节单片机可通过单线接口读到该数据读取时低位在前高位在后数据格式如表 1 所示对应的温度计算当符号位 S 0 时直接将二进制位转换为十进制当 S 1 时先将补码变为 原码再计算十进制值表 2 是对应 的一部分温度值第九个字节是冗余检验字节 根据 DS18B20 的通讯协议主机单片机控制 DS18B20 完成温度转换必须经过三个步骤每一次读写之前都要对DS18B20 进行复位操作复位成功后发送一条 ROM 指令最后发送 RAM 指令这样才能对 DS18B20 进行预定的操作复位要求主 CPU 将数据线下拉 500 微秒然后释放当DS18B20 收到信号后等待 16～ 60 微秒左右后发出 60～ 240 微秒的存在低脉冲主CPU 收到此信号表示复位成功 五系统硬件设计 51 硬件电路图 图 4 52 原理图 53 DS18B20 集成温度传感器的结构及原理 结构 DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存 RAM和一个非易失性的可电擦除的 E2RAM 后者存放高温度和低温度触发器 THTL 和结构寄存器 暂存存储器包含了 8 个连续字节前两个字节是测得的温度信息第一个字节的内容是温度的低八位第二个字节是温度的高八位第三个和第四个字节是 THTL的易失性拷贝第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新第六七八个字节用于内部计算第九个字节是冗余检验 字节 根据 DS18B20 的通讯协议主机控制 DS18B20 完成温度转换必须经过三个步骤每一次读写之前都要对 DS18B20进行复位复位成功后发送一条 ROM指令最后发送 RAM 指令这样才能对 DS18B20 进行预定的操作复位要求主 CPU 将数据线下拉500 微秒然后释放 DS18B20 收到信号后等待 16～ 60 微秒左右后发出 60～ 240 微秒的存在低脉冲主 CPU 收到此信号表示复位成功 DS1820 使用中注意事项 DS1820 虽然具有测温系统简单测温精度高连接方便占用口线少等优点但在实际应用中也应注意以下几方面的 问题 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 PLMC 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 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 DS1820 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 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 在 DS1820 测温程序设计中向 DS1820 发出温度转换命令后程序总要等待 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 54DS18B20 原理 在生产实践中对温度的多点监测有时需要同时检测多至数百个测温点 D S18B20 是美国 D A L L A S 半导体公司继 D S1820 之后最新推出的一种改进型智能温度传感器与传统的热敏电阻相比他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现 9～ 12 位的数字值读 数方式可以分别在 9375ms 和750ms 内完成 9 位和 12 位的数字量并且从 DS18B20 读出的信息或写入 D S18B20的信息仅需要一根口线 单线接口 读写温度变换功率来源于数据总线总线本身也可以向所挂接的 D S18B20 供电而无需额外电源 559S51 系列单片机的内部结构 主要由以下部分组成 CPURAMROM 四个并行 IO 口 1 个串行口 2个 16 位定时器计数器中断系统特殊功能寄存器 9S51 的工作原理 构建 CPU 的基石是晶体管可以看成是微型电子开关代表两种状态 ON 开 和OFF 关 这一开一关 两种状态正好与二进制中的基础状态 0 和 1 对应 CPU。