|
|
引言
随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。
为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了红外抄表系统。文中把传感器理论与单片机实际应用有机结合，详细地讲述了利用温度传感器DS18B20测量环境温度，以及实现红外数据传输的过程。http://www.16sheji8.cn/
本设计应用性比较强，只要对电路部分稍加改装，就可以实现抄读其它的数字仪表设备：如数字电度表，数字水表等等。设计后的系统具有操作方便，控制灵活等优点。
其主要功能和指标如下：
1、利用温度传感器（DS18B20）测量某一点环境温度；
2、测量范围为－55℃～＋99℃，精度为±0.5℃；
3、用4位数码管进行显示实际温度值显示；
4、手持端通过红外发射管发射测温信号；
5、测温端通过红外发射管发送到手持端；
6、手持端可以随时查看指定待测物体的温度值。
设计的核心是环境温度的测量以及红外数据的发射和接收，和温度的显示。文中对每个部分功能、实现过程作了详细地介绍。
1 方案选择
该系统主要由温度测量和数据采集和发送三部分组成。下面列举两种实现方案：
方案一：温度检测可以使用低温热偶或铂电阻，数据采集部分则使用带有A/D通道的单片机。考虑到一般的A/D输入通道都只能接收大信号，所以还要设计相应的放大电路。而模拟信号在长距离传输过程中，抗电磁干扰是令人伤脑筋的问题。此方案的软件简单，但硬件复杂，且检测点数追加时，各敏感元件参数的不一致性，都将会导致误差的产生，难以完全清除，而且成本会有较大增长幅度。
方案二：使用单片机和数字式单总线温度传感器构成。其具有下列特点：①具有高的测量精度和分辨率，测量范围大；②抗干扰能力强，稳定性好；③信号易于处理、传送和自动控制；④便于动态及多路测量，读数直观；⑤安装方便，维护简单，工作可靠性高。单总线温度传感器可以采用DALLAS公司生产的DS18B20系列，这类温度传感器直接输出数字信号，且多路温度传感器可以挂在1条总线上，共同占用单片机的1个I/O口即可实现。在提升单片机I/O口驱动能力的前提下，理论上可以任意扩充检测的温度点数。http://www.16sheji8.cn/
比较两个方案后可以发现，方案二更适合于用作本系统的实施方案。尽管方案二不需要A/D，但考虑到系统扩充等因素，单片机可以选用AT98C2051。
2 硬件部分
采用方案二的硬件设计比较简单，系统构成如图1所示。
图 1温度测试系统和手持接收系统组成框图
2.1 DS18B20介绍
DALLAS公司的DS18B20单总线数字传感器工作温度范围是-55℃～125℃，在-30℃～85℃范围内温度测量精度为±0.5℃；具有温度报警功能，用户可设置最高和最低报警温度，且设置值掉电不丢失；采用DALLAS公司特有的单总线通信协议，只用一条数据线就可实现与MCU的通信；此外，DS18B20能够直接从数据线获得电源，无需外部电池供电。
DS18B20通过使用在板（on_board）温度测量专利技术来测量温度。其温度测量电路是通过计数时钟周期来实现的，DS18B20有两个温度系数振荡器，温度测量时对高温度系数振荡器产生的门开同期内，低温度系数振荡器经历的时钟周期的个数进行计数而得到的。
DS18B20数字温度传感器提供9位（二进制）温度读数，指示器件温度，所以无需A/D转换。信息经过单线接口送入DS18B20 或从DS18B20送出，因此从主机CPU到DS18B20仅需一条线连接，而且DS18B20的电源可由数据线本身提供（相对于外部电源，转换时间要延长）。因此每一个DS18B20在出厂时已经给定了唯一的序号因此从理论上说任意多个DS18B20可以连接在一条单线总线上。DS18B20的测量范围从-55℃到+125℃，增量为0.5℃（最高精度可达0.1℃），转换速度小于1s（典型值）。http://www.16sheji8.cn/
而在本遥测系统中采用外部电源供电温度测量工作方式，其中电阻R是上拉电阻，使得单线总线的空闲状态是高电平。它与CPU（AT89C51）的接法如图2。
图 2 DS18B20与单片机的连接
由于DS18B20只有一根数据线。因此它和主机（单片机）通信是需要串行通信，而AT89C51有两个串行端口，所以可以不用软件来模拟实现。经过单线接口访问DC18B20必须遵循如下协议：初始化、ROM操作命令、存储器操作命令和控制操作。要使传感器工作，一切处理均从序列开始。
主机发送（Tx）--复位脉冲（最短为480μs的低电平信号）。接着主机便释放此线并进入接收方式（Rx）。总线经过4.7K的上拉电阻被拉至高电平状态。在检测到I/O引脚上的上升沿之后，DS18B20等待15-60μs,并且接着发送脉冲（60-240μs的低电平信号）。然后以存在复位脉冲表示DS18B20已经准备好发送或接收，然后给出正确的ROM命令和存储操作命令的数据。DS18B20通过使用时间片来读出和写入数据，时间片用于处理数据位和进行何种指定操作的命令。它有写时间片和读时间片两种。http://www.16sheji8.cn/
写时间片：当主机把数据线从逻辑高电平拉至逻辑低电平时，产生写时间片。有两种类型的写时间片：写1时间片和写0时间片。所有时间片必须有60微秒的持续期，在各写周期之间必须有最短为1微秒的恢复时间。
