基于pc机的多通道温度采集系统设计

基于pc机的多通道温度采集系统设计内容摘要：

M A X 7 5 0C 1C 2 (a) 上电复位电路 (b) 手动复位电路 (c) 自动复位电路 图 复位电路 手 动 复位电 路 是上电复位与 手 动 复位相结合的方 案 ，如 图 (b)所 示。 上电复位过 程与 图 (a)所 示 相 似。 手 动 复位时，按下复位按 钮 ，电容 C通 过 1kΩ电 阻 迅 速 放电，使 RST端迅 速 变 为高电 平 ，复位按 钮松 开 后，电容通 过 R和内 部下 拉 电 阻放 电，逐渐 使 RST端恢 复为低电 平。 自动 复位电 路 如 图 (c)所 示 [11]。 利 用 “ 看 门 狗 ” 芯片 MAX750 内部的定时器的计时和 清零 来实现。 当 单片机 正 常工作时， 始终会 执行 CPL 取 反 指令，使定时器的计时到一定时间 清零 ，从 而保 证 系统 正 常运行，不执行复位功能。 当 单片机 软件“ 跑飞 ” ， 即 工作不 正 常时， “ 看 门 狗 ” 芯片内部的定时器计时 就 会 产 生溢 出，从 而 使系统 自动 复位， 恢 复 正 常工作。 利 用 自动 复位电 路 ，可以实现 无 人 执勤 ，一 般 在 环境 比 较恶劣 的情况下使用。 温度采集系统 在传统的模拟信号远距离温度测 量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题 [12]，才能够达到较高基于 PC 机的多通道温度采集系统设计 14 的测量精度。 另外一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。 因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案，新型数字温度传感 DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。 美国 Dallas半导体公司的数字化温度传感器 DS1820是世界上第一片支持 “ 一线总线 ” 接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ ONB0ARD）专利技术。 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。 一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。 现在，新一代的 DS18B20体积更小、更经济、更灵活。 使你可以充分发挥“一线总线”的优点。 目前 DS18B20批量采购价格仅 10元左右。 同 DS1820一样， DS18B20也支持 “ 一线总线 ” 接口，测量温度范围为 55176。 C～ +125176。 C， 在 10～ +85176。 C 范围内，精 度为177。 176。 C。 DS1822的精度较差为 177。 2176。 C。 现场温度直接以 “ 一线总线 ” 的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。 适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。 与前一代产品不同，新的产品支持 3V～ 的电压范围，使系统设计更灵活、方便。 而且新一代产品更便宜，体积更小。 DS18B20可以程序设定 9～ 12位的分辨率，精度为 177。 176。 C。 可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。 分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在 EEPROM 中，掉电后依然保存。 DS18B20的 性能是新一代产品中最好的。 性能价格比也非常出色。 DS1822与 DS18B20软件兼容，是 DS18B20的简化版本。 省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的 EEPROM，精度降低为 177。 2176。 C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。 继 “ 一线总线 ” 的早期产品后， DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。 DS18B20和 DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。 其 主要特性 有： (1) 适应电压范围更宽，电压范围： ～ ，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。 (3) DS18B20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。 (4) DS18B20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 邵阳学院毕业设计（论文） 15 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。 ℃。 (6) 可编程的分辨率为 9～ 12 位，对应的可分辨温度分别为 ℃ 、 ℃ 、℃ 和 ℃ ，可实现高精度测温。 (7) 在 9位分辨率时最多在 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。 DS18B20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。 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）。 DS18B20工作原理 温 度 灵 敏 元 件低 温 触 发 器 T L配 置 寄 存 器高 温 触 发 器 T H高 速缓 存存 储 器存 储 器 和 控 制 器8 位 C R C 生 成 器6 4位R O M和单线接口电源检测V D 1V D 2CV D DD Q 图 DS18B20 结构框图 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 测温基于 PC 机的多通道温度采集系统设计 16 原理如图 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 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。 低 温 度 系 数 晶 振高 温 度 系 数 晶 振斜 率 累 加 器预 置计 数 器 1计 数 器 2温 度 寄 存 器比 较减 小到 0减 小到 0预 置停 止加 1L S B置 位 / 清 除 图 DS18B20 测温原理 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 DS18B2 0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 = X8+X5+X4+1）。 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。 (2) DS18B20中的温度传感器 [13]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 ℃ /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 DS18B20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，只要将测到的数邵阳学院毕业设计（论文） 17 值乘 以 ；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 即可得到实际温度。 例如 +125℃ 的数字输出 07D0H, + ℃ 的数字输出为 0191H， ℃ 的数字输出为 FF6FH， 55℃ 的数字输出为 FC90 H。 表 DS18B20温度值格式表 LS Byte bit 7 bit 6 bit 5 bit 4 bit 3 bit 2 bit 1 bit 0 32 2 12 02 12 22 32 42 MS Byte bit 15 bit 14 bit 13 bit12 bit 11 bit 10 bit 9 bit 8 S S S S S 62 52 42 表 温度转换表 Temperature Digital Output (Binary) Digital Output (Hex) +125 C 0000 0111 1101 0000 07D0h +85 C 0000 0101 0101 0000 0550h + C 0000 0001 1001 0001 0191h + C 0000 0000 1010 0010 00A2h + C 0000 0000 0000 1000 0008h 0 C 0000 0000 0000 0000 0000h C 1111 1111 1111 1000 FFF8h C 1111 1111 0101 1110 FF5Eh C 1111 1110 0110 1111 FE6Fh 55 C 1111 1100 1001 0000 FC90h （ 3） 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 TH、 TL和结构寄存器。 （ 4） 配置寄存器。 该字该字节各位的意义如 表。 表 配置寄存器结构 TM R1 R0 1 1 1 1 1 低五位一直都是 “ 1” ， TM 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用基于 PC 机的多通道温度采集系统设计 18 来设置分辨率，如 表。 表 温度分辨率设置表 R1 R0 分辨率 温度最大转换时间 0 0 9 位 0 1 10 位 1 0 11 位 375ms 1 1 12 位 750ms 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。 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 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。 第九个字节是冗余检验字节。 表 DS18B20 暂寄存器分布 寄存器内容 字节地址 温度值低位 (LS Byte) 0 温度值高位（ MS Byte） 1 高温限值（ TH） 2 低温限值（ TL） 3 配置寄存器 4 保留 5 保留 6 保留 7 CRC 校验值 8 根据 DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制 DS18B20完成温度转换必须邵阳学院毕业设计（论文） 19 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。 DS18B20的测温 电路 DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。 下面就是 DS18B20几个不同应用方式下的测温电路图。 (1) DS18B20寄生电源供电方式。 如下面图 ，在寄生电源供电方式下， DS18B20从单线信号线上汲取能量：在信号线 DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。 独特的寄生电源方式有三个好处： ① 进行远距离测温时，无需本地电源。 ② 可以在没有常规电源的条件下读取 ROM。 ③ 电路更加简洁，仅用一根 I/O口实现测温。 要想使 DS18B20进行精确的温度转换， I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个 DS18B20在温度转换期间工作电流达到 1mA，当几个温度传感器挂在同一根 I/O线上进行多点测温时，只靠 的能量， 会造成无法转换温度或温度误差极大。 因此，图 温情况下使用，不适宜采用电池供电系统中。 并且工作电源 VCC必须保证在 5V。