发布时间 : 星期四 文章基于FPGA的病房环境监测系统-精品更新完毕开始阅读c6fbd3ab0b4c2e3f56276384
内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
单条连线解决了控制、通信和供电等问题, 能大大降低系统成本, 简化设计。
DS18B20是基于单总线的数字式传感器，测温范围是-55～+125℃，可将温度值转化为9～12位的数字量。并且DS18B20具有温度告警功能，用户可设置高温、低温报警，温度掉电不丢失。外部系统对DS18B20 的各种操作必须按顺序进行，操作顺序为：初始化，ROM 操作命令，存储器操作命令，处理数据。每条命令有不同代码，在总线上传送时，从器件根据接收的命令代码完成相应的操作。
1.DS18B20 的主要特性：
(1) 单总线接口方式：与微处理器连接时仅需要一条信号线即可实现双向通讯； (2) 使用中无需外部器件，可以利用数据线或外部电源提供电能，供电电压范围3.3-5.5V；
(3) 直接读出数字量，工作可靠,精度高，且通过编程可实现9～12 位分辨率读出温度数据，转换12的温度数据最大仅需要750ms；
(4) 温度测量范围- 55℃～+125℃， - 10℃～+85℃之间测量精度可达±0.5℃； (5) 可设定非易失的报警上下限值，一旦测量温度超过此设定值,即可给出报警标志；
(6) 每片DS18B20上有唯一的64bit 识别码，可轻松组建分布式温度测量测量网络。 2.DS18B20 的操作顺序：
为了保证数据的可靠传输，任一时刻1- Wire总线上只能有一个控制信号或数据。进行数据通信时应符合1-Wire总线协议，访问DS18B20的操作顺序遵循以下3步：第1 步，初始化；第2 步，ROM 命令；第3步，DS18B20功能命令。
(1) 初始化
基于1-Wire总线上的所有传输过程都是以初始化开始的，主机发出复位脉冲， 从机响应应答脉冲。应答脉冲使主机知道，总线上有从机设备，且准备就绪。
(2) ROM 命令
在主机检测到应答脉冲后，就可以发出ROM 命令。这些命令与各个从机设备的惟一64位ROM代码相关，允许主机在1-Wire总线上连接多个从机设备时， 指定操作某个从机设备。这些命令还允许主机能够检测到总线上有多少个从机设备以及其设备类型，或者有没有设备处于报警状态。共有5 种ROM 命令, 他们分别是：读ROM，搜索ROM，匹配ROM，跳过ROM，报警搜索。对于只有一个温度传感器的单点系统，跳过ROM(SKIP ROM) 命令特别有用，主机不必发送64位序列号，从而节约了大量时间。对于1-Wire总
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线的多点系统，通常先把每一个温度传感器DS18B20的64位序列号测出，要访问某一个从属节点时，发送匹配ROM命令(MATCH ROM)，然后发送64位序列号，这时可以对指定的从属节点进行操作。
(3) DS18B20 功能命令
在主机发出ROM命令，以访问某个指定的DS18B20后，接着就可以发出DS18B20支持的某个功能命令。这些命令允许主机写入或读出DS18B20暂存器、启动温度转换以及判断从机的供电方式。DS18B20 的功能命令有：温度转换、写暂存器、读暂存器、拷贝暂存器、恢复E2PROM、读取电源供电方式。
主机发出温度转换命令后，DS18B20采集温度并进行A/D 转换，结果保存在暂存器的字节0和字节1。
3.DS18B20的信号时序：
所有的1-Wire总线器件要求采用严格的信号时序，以保证数据的完整性。DS18B20共有6种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0 和读1。所有这些信号，除了应答脉冲以外，都由主机发出同步信号。并且发送所有的命令和数据都是字节的低位在前。
(1) 复位脉冲和应答脉冲
1-Wire总线上的所有通信都是以初始化序列开始。主机输出低电平，保持低电平时间至少480μs，以产生复位脉冲。接着主机释放总线，4.7KΩ上拉电阻将1-Wire总线拉高，延时15～60μs ，并进入接收模式(Rx)。接着DS18B20拉低总线60～240μs，以产生低电平应答脉冲，若为低电平，再延时480μs。
(2) 写时隙
写时隙包括写0时隙和写1时隙。所有写时隙至少需要60μs，且在2次独立的写时隙之间至少需要1μs的恢复时间，两种写时隙均起始于主机拉低总线。写1 时隙：主机输出低电平，延时2μs，然后释放总线，延时60μs。写0时隙：主机输出低电平，延时60μs，然后释放总线，延时2μs。
(3) 读时隙
1-Wire总线器件仅在主机发出读时隙时，才向主机传输数据，所以在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时隙，以便从机能够传输数据。所有读时隙至少需要60μs，且在2 次独立的读时隙之间至少需要1μs的恢复时间。每个读时隙都由主机发起，至少拉低总线1μs。主机在读时隙期间必须释放总线，并且在时隙起始后的15μs之内采样总
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线状态。典型的读时隙过程为：主机输出低电平延时2μs，然后主机转入输入模式延时12μs，然后读取1-Wire总线当前的电平, 然后延时50μs。 4.2.2.2 湿度传感器的选型
传统的湿度检测由湿度检测电路、湿度信号放大电路和高精度稳压电源电路组成。湿度检测电路由湿敏电阻RH等组成。湿度信号放大电路由运放组建的电路组成。稳压电源电路为湿度检测电路提供稳压电源。这样组建的电路结构复杂，测量系统的稳定性和可靠性都比较低，而且必须要经过调试才能使用。数字式的温湿度传感器DHT11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
病房环境中的湿度测量，要求精度不是很高。系统设计的测湿范围是20～90％RH,精度为±5%RH。此外，温湿度传感器DHT11还可以测量温度，测量的温度范围时0～50℃,精度为±2℃。从使用的方便和精度上考虑，系统使用数字式的温湿度传感器DHT11来完成湿度的测量的同时完成对温度的测量。
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上。
1. DHT11的特性
DHT11的特性：(1)相对湿度和温度测量；(2)全部校准，数字输出；(3)卓越的长期稳定性；(4)无需额外部件；(5)超长的信号传输距离；(6)超低能耗；(7)4引脚安装；(8)完全互换。
2.DHT11与FPGA的通讯
DATA用于FPGA与DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间4ms左右，数据分小数部分和整数部分，具体格式在下面说明，当前小数部分用于以后扩展，现读出为零。操作流程如下：
一次完整的数据传输为40bit，高位先出。数据格式：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据”所得
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结果的末8位。
用户发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。从模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集，采集数据后转换到低速模式。
DHT11传感器的通讯过程如图4.2所示。
图4.2 DHT11的传感器的通讯过程
总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应，主机把总线拉低必须大于18毫秒，保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束，然后发送80μs低电平响应信号。主机发送开始信号结束后，延时等待20～40μs后，读取DHT11的响应信号，主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高。DHT11的初始化示意图如图4.3所示。
图4.3 DHT11的初始化示意图
总线为低电平，说明DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后，再把总线拉高80μs，准备发送数据，每一bit数据都以50μs低电平时隙开始，高电平的长短定了数据位是0还是1。格式见下面图示.如果读取响应信号为高电平，则DHT11没有响应，
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