2023年傳感器報(bào)告分解

第傳感器報(bào)告分解 南通大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

南通大學(xué)

傳感器與檢測課程設(shè)計(jì)報(bào)告書

課題名稱：電機(jī)軸偏心及振動檢測系統(tǒng)

南通大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告前言

智能家居早已成為現(xiàn)代社會最熱門的話題之一，通過傳感器技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信

技術(shù)等手段實(shí)現(xiàn)對家居電器的智能控制和環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測，使其能夠按照人們的意愿工作運(yùn)行，擺脫實(shí)際距離對人們的的限制。智能化與遠(yuǎn)程控制是智能家居的兩大特點(diǎn)?，F(xiàn)在，從事智能家居研究的機(jī)構(gòu)和個人越來越多，其技術(shù)也越來越成熟。隨著物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)和發(fā)展，它將我們的生活擬人化了，萬物成了人的同類。在這個物物相聯(lián)的世界中，物品能彼此“交流”，無需人的干預(yù)。將這個世界變成一個智能化的世界。智能家居是物聯(lián)網(wǎng)最生活化的主要應(yīng)用之一：窗簾可以自動感知光線而關(guān)閉；空調(diào)變的“懂人心了”，天熱它會把溫度調(diào)低，室內(nèi)潮濕就會自動抽濕；房間里沒人會自動滅掉等等。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用非常廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護(hù)、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。

智能家居控制系統(tǒng)的主要功能包括家庭設(shè)備自動控制和家庭安全防范兩個方面。家庭設(shè)備自動監(jiān)控主要包括電器設(shè)備的集中、遙控、遠(yuǎn)距離異地(通過電話或Internet)的監(jiān)視、控制及數(shù)據(jù)采集。家庭安全防范涉及到室內(nèi)有害氣體監(jiān)測、外來人員非法入侵、室內(nèi)防火監(jiān)控等許多方面。

報(bào)告的亮點(diǎn)

本設(shè)計(jì)報(bào)告的亮點(diǎn)在于均采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)控制，用電位器替代光敏傳感器、氣敏傳感器等，將各個監(jiān)控巧妙地結(jié)合在一起，轉(zhuǎn)換為電位器和按鍵控制整個系統(tǒng)。

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目錄

緒論??????????????????????????1第一章概述???????????????????????11.1設(shè)計(jì)要求及背景???????????????????11.2設(shè)計(jì)目的??????????????????????11.3設(shè)計(jì)原理??????????????????????21.451單片機(jī)介紹???????????????????2第二章家居溫度檢測??????????????????42.1背景?????????????????????????42.2方案比較??????????????????????42.2.1模擬集成溫度傳感器???????????????42.2.2數(shù)字單片智能溫度傳感器?????????????52.3傳感器DS18B20簡介?????????????????62.3.1引腳介紹????????????????????72.3.2DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)???????????????72.4數(shù)碼管顯示??????????????????????102.5測量原理???????????????????????102.6仿真圖????????????????????????11

第三章煤氣泄漏檢測模塊????????????????13

3.1背景???????????????????????133.2電阻氣敏元件簡介???????????????????133.3仿真圖????????????????????????14

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第四章外人闖入檢測模塊?????????????????154.1背景????????????????????????154.2光電開關(guān)簡介?????????????????????154.3光電開關(guān)工作原理??????????????????164.4仿真圖????????????????????????17第五章火災(zāi)煙霧檢測??????????????????195.1背景?????????????????????????195.2煙霧傳感器簡介???????????????????195.3煙霧信號采集?????????????????????205.4測量原理框圖?????????????????????205.5仿真圖????????????????????????22第六章總結(jié)???????????????????????22參考文獻(xiàn)?????????????????????????23附件1?????????????????????????24附件2?????????????????????????31附件3?????????????????????????36附件4?????????????????????????38

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緒論

智能家居控制系統(tǒng)基于檢測技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對住宅內(nèi)的設(shè)施以及環(huán)境質(zhì)量的檢測控制。檢測單元完成對各種過程參數(shù)的測量，并實(shí)現(xiàn)必要的數(shù)據(jù)處理；數(shù)字控制系統(tǒng)通過軟件完成對采集的信號的處理，進(jìn)而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對被控對象的調(diào)節(jié)。在傳統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，使得系統(tǒng)在可靠性、實(shí)時性、環(huán)境適應(yīng)能力等方面得到了很大的提升，并能夠完成多任務(wù)處理功能，對于不同的信號以及干擾能夠做出及時的處理，提高了系統(tǒng)的魯棒性。該技術(shù)不僅在智能家居得到廣泛應(yīng)用，還在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

第一章概述

1.1設(shè)計(jì)要求及背景

隨著人們的生活及其生產(chǎn)水平的不斷提高，對生活環(huán)境的要求就顯的尤為重要,如何讓人們的生活更加舒適和便利的情景下應(yīng)運(yùn)而生出智能家居的概念?；趥鞲衅骷夹g(shù)、自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等技術(shù)的基礎(chǔ)，家庭自動化離人們的距離越來越近，徹底顛覆了原有的家居生活方式。智能家居以實(shí)用性為核心，兼具可靠性、易用性、人性化等特點(diǎn)，全面提升家居生活安全性、便利性、舒適性，并能實(shí)現(xiàn)節(jié)能的居住環(huán)境。

以提高家居生活的安全性、舒適度、人性化為目的，來設(shè)計(jì)一個智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。利用所學(xué)的傳感器與檢測技術(shù)知識，實(shí)現(xiàn)家居溫度、煤氣泄漏、外人闖入、火災(zāi)(煙霧)的檢測（檢測系統(tǒng)主要由傳感器、放大器、采樣/保持、采樣/保持控制電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)碼顯示、數(shù)字鎖存控制電路組成）。

1.2設(shè)計(jì)目的

1、掌握溫度、氣敏、光電開關(guān)等相關(guān)傳感器檢測系統(tǒng)的工作原理；2、掌握智能家居檢測系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法；3、掌握智能家居檢測系統(tǒng)的性能指標(biāo)和調(diào)試方法。

1.3設(shè)計(jì)原理

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通過分析，可確定需設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電路原理框圖如下圖所示：

智能家居系統(tǒng)原理框圖1.451單片機(jī)介紹

由于單片機(jī)技術(shù)在各個領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用，世界上許多集成電路生產(chǎn)廠家相繼推出了各種類型的單片機(jī)。51單片機(jī)以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)及高可靠性和高性能價(jià)格比，迅速占領(lǐng)了工業(yè)測控和自動化工程應(yīng)用的主要市場，成為國內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的主流。

單片機(jī)的誕生標(biāo)志著計(jì)算機(jī)正式形成了通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兩個分支。通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要用于海量高速數(shù)值運(yùn)算，不必兼顧控制功能，其數(shù)據(jù)總線的寬度不斷更新，從8位、16位迅速過渡到32位、64位，并且不斷提高運(yùn)算速度和完善通用操作系統(tǒng)，以突出其高速海量數(shù)值運(yùn)算的能力，在數(shù)據(jù)處理、模擬仿真、人工智能、圖像處理、多媒體、網(wǎng)絡(luò)通信中得到了廣泛應(yīng)用；單片機(jī)作為最典型的嵌入式系統(tǒng)，由于其微小的體積和極低的成本，廣泛應(yīng)用于家用電器、機(jī)器人、儀器儀表、工業(yè)控制單元、辦公自動化設(shè)備以及通信產(chǎn)品中，成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中最重要的智能化工具。因此，單片機(jī)的出現(xiàn)大大促進(jìn)了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，成為近代計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展史上一個重要里程碑。

由于51單片機(jī)集成了幾乎完善的中央處理單元，處理功能強(qiáng)，中央處理單元中集成了方便靈活的專用寄存器，這給我們利用單片機(jī)提供了極大的便利。單片機(jī)把微型計(jì)算機(jī)的主要部件都集成在一塊芯片上，使得數(shù)據(jù)傳送距離大大縮短，運(yùn)行速度

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更快，可靠性更高，抗干擾能力更強(qiáng)。由于屬于芯片化的微型計(jì)算機(jī)，各功能部件在芯片中的布局和結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)化，工作也相對穩(wěn)定。51的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)錢便宜,I/O口多,程序空間大。因此，測控系統(tǒng)中，使用51單片機(jī)是最理想的選擇。單片機(jī)屬于典型的嵌入式系統(tǒng)，所以它是低端控制系統(tǒng)最佳器件。單片機(jī)的開發(fā)環(huán)境要求較低，軟件資源十分豐富，開發(fā)工具和語言也大大簡化。

目前的單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)只能夠仿真單片機(jī)，卻沒有給用戶提供一個通用的最小系統(tǒng)。由設(shè)計(jì)的要求，只要做很小集成度的最小系統(tǒng)應(yīng)用在一些小的控制單元。其應(yīng)用特點(diǎn)是:

（1）全部I/O口線均可供用戶使用。

（2）內(nèi)部存儲器容量有限（只有4KB地址空間）。（3）應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性

單片機(jī)最小系統(tǒng)圖

單片機(jī)最小系統(tǒng)上圖所示，其中有4個雙向的8位并行I/O端口，分別記作P0、P1、P2、P3，都可以用于數(shù)據(jù)的輸出和輸入，P3口具有第二功能為系統(tǒng)提供一些控制信號。時鐘電路用于產(chǎn)生51單片機(jī)工作所必須的時鐘控制信號，內(nèi)部電路在時鐘信號的控制下，嚴(yán)格地按時序指令工作。

51內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，該高增益反向放大器的輸入

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端為芯片的引腳xTAL1，輸出端為xTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成了一個穩(wěn)定的自激振蕩器。電路中的微調(diào)電容通常選擇為30pF左右，該電容的大小會影響到振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶體的振蕩頻率為12MHz。

第二章家居溫度檢測

2.1背景

隨著人們的生活及其生產(chǎn)水平的不斷提高，對生活環(huán)境的要求就顯的尤為重要,溫度的監(jiān)測控制就是一個典型的例子，因此溫度檢測系統(tǒng)就是現(xiàn)代生產(chǎn)生活中應(yīng)運(yùn)而生的一種智能、快捷、方便可靠的檢測系統(tǒng)。傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測是通過煤油溫度計(jì)或者是水銀溫度計(jì)來實(shí)現(xiàn)的，此外還需要人工讀數(shù)，在讀數(shù)過程中存在讀數(shù)誤差以及偶然誤差，讀數(shù)的精準(zhǔn)度得不到保證。

現(xiàn)代溫度監(jiān)測從單片機(jī)技術(shù)入手，一切向著數(shù)字化控制，智能化控制方向發(fā)展。由單片機(jī)為核心，配合溫度傳感器，以及相關(guān)的外圍電路組成的檢測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)溫度的實(shí)時監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)可以通過數(shù)碼管實(shí)時輸出，讓人們實(shí)時知曉所處環(huán)境溫度的情況。所有的測量操作都可以通過主機(jī)控制軟件來實(shí)現(xiàn)，溫度傳感器得到的測量信號，經(jīng)電路轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過一定的放大經(jīng)過芯片A/D轉(zhuǎn)換送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)軟件分析處理后送顯示裝置。

2.2方案比較

2.2.1模擬集成溫度傳感器

集成傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝而制成的，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器，它是將溫度傳感器集成在一個芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出功能的專用IC。模擬集成溫度傳感器的主要特點(diǎn)是功能單一(僅測量溫度)、測溫誤差小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等，適合遠(yuǎn)距離測溫、控溫，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)，外圍電路簡單。

圖2-1是AD590用于測量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。因?yàn)榱鬟^AD590的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當(dāng)電阻R1和電位器R2的電阻之和為1kΩ時，輸出電壓

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溫度的變化為1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應(yīng)對電路進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的方法為：把AD590放于冰水混合物中，調(diào)整電位器R2，使V0=273.2mV?；蛟谑覝叵?25℃)條件下調(diào)整電位器,使V0=273.2+25=298.2（mV）。但這樣調(diào)整只可保證在0℃或25℃附近有較高精度。

AD590把被測溫度轉(zhuǎn)換為電流再通過放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，輸出數(shù)字量送給單片機(jī)進(jìn)行溫度控制。

圖2.1基于AD590測溫基本應(yīng)用電路

2.2.2數(shù)字單片智能溫度傳感器

智能溫度傳感器(亦稱數(shù)字溫度傳感器)是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動測試技術(shù)(ATE)的結(jié)晶。智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器(CPU)、隨機(jī)存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。智能溫度傳感器的特點(diǎn)是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器(MCU).智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，所采用的總線主要有單線(1-WIRE)總線、I2C總線、SMBUS總線和SPI總線。溫度傳感器作為從機(jī)可通過專用總線接口與主機(jī)進(jìn)行通信。智能溫度控制器是在智能溫度傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的。典型產(chǎn)品有DS18B20,智能溫度

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控制器適配各種微控制器,構(gòu)成智能化溫控系統(tǒng)；它們還可以脫離微控制器單獨(dú)工作,自行構(gòu)成一個溫控儀。DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器,具有3引腳TO－92小體積封裝形式;溫度測量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度,測溫分辨率可達(dá)0.0625℃,被測溫度用符號擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出，其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生;多個DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信,占用微處理器的端口較少,可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。同DS1820一樣，DS18B20也支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃范圍內(nèi),精度為0.5℃。DS18B20的精度較差為±0.2℃?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持3V~5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。

新一代的“DS1820”體積更小、更經(jīng)濟(jì)、更靈活。使您可以充分發(fā)揮“一線總線”的長處。DS18B20、DS1822“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器。

由于DS18B20將溫度傳感器、信號放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、接口全部集成于一芯片，與單片機(jī)連接簡單、方便，與AD590相比是更新一代的溫度傳感器，所以溫度傳感器采用DS18B20。

2.3傳感器DS18B20簡介

利用DS-18B20數(shù)字溫度傳感器，對室內(nèi)溫度進(jìn)行檢測。該傳感器獨(dú)特的一線接口，只需要一條口線通信多點(diǎn)能力，簡化了分布式溫度傳感應(yīng)用無需外部元件可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為3.0V至5.5V無需備用電源測量溫度范圍為-55°C至+125℃。華氏相當(dāng)于是-67到257華氏度-10°C至+85°C范圍內(nèi)精度為±0.5°C。

2.3.1引腳介紹

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DS18B20

引腳定義如上圖：123

(1)GND為電源地；DS18B20引腳圖(2)DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；

(3)VCC為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。

2.3.2DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示。

DS18B20

內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

DS18B20有4個主要的數(shù)據(jù)部件：

①64位激光ROM。64位激光ROM從高位到低位依次為8位CRC、48位序列號和8位家族代碼(28H)組成。②溫度靈敏元件。

③非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL?？赏ㄟ^軟件寫入用戶報(bào)警上下限值。

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④配置寄存器。配置寄存器為高速暫存存儲器中的第五個字節(jié)。DS18B20在0工作時按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)精度的數(shù)值，其各位定義如下圖所示。TMR1R011111LSB

MSBDS18B20配置寄存器結(jié)構(gòu)圖

其中，TM：測試模式標(biāo)志位，出廠時被寫入0，不能改變；R0、R1：溫度計(jì)分辨率設(shè)置位，其對應(yīng)四種分辨率如下表所列，出廠時R0、R1置為缺省值：R0=1，R1=1（即12位分辨率），用戶可根據(jù)需要改寫配置寄存器以獲得合適的分辨率。

配置寄存器與分辨率關(guān)系表：R00011R10101溫度計(jì)分辨率/bit9101112最大轉(zhuǎn)換時間/us93.75187.53757502.高速暫存存儲器

高速暫存存儲器由9個字節(jié)組成，其分配如下圖所示。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存儲器的第0和第1個字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如圖所示。對應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號位S=0時，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S=1時，先將補(bǔ)碼變?yōu)樵a，再計(jì)算十進(jìn)制值。溫度低位溫度高位THTL配置保留保留保留8位CRCMSB

LSB

DS18B20存儲器映像圖

溫度值格式圖DS18B20溫度數(shù)據(jù)表：232221202-12-22-32-4

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MSBS

SSSS2625LSB243.典型對應(yīng)的溫度值表:

+125+25.0625+10.125+0.50-0.5-10.125-25.062500000111110100000000000110010001000000001010001000000000000010000000000000000000111111111111100011111111010111101111111001101111111111001001000007D0H0191H00A2H0008H0000HFFF8HFF5EHFE6FHFC90H溫度/℃二進(jìn)制表示十六進(jìn)制表示

-552.4數(shù)碼管顯示

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2.5測量原理

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(shù)因分辨

率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由2s減為750ms。DS18B20測溫原理如圖所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。DS18B20測溫原理框圖

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在外部電源供電方式下，DS18B20工作電源由VDD引腳接入，此時I/O線不需要

強(qiáng)上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個DS18B20傳感器，組成多點(diǎn)測溫系統(tǒng)。注意：在外部供電的方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空，否則不能轉(zhuǎn)換溫度，讀取的溫度總是85℃。

2.6仿真圖

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當(dāng)溫度低于20℃或者超過36℃時，藍(lán)燈亮自動報(bào)警。（軟件實(shí)現(xiàn)程序見附件1）

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第三章