CN104251745A - 一种海底温度探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底温度探测系统，包括电源、主机和水下温度传感器阵列；所述的水下温度传感器阵列包括至于海水中的多个数字型温度传感器；各数字型温度传感器位于不同的深度；主机采用单总线三线制方式与水下温度传感器阵列连接；单总线三线制方式是指主机与水下温度传感器阵列采用总线通信，数字型温度传感器从数据线上获取工作电源；主机通过总线发出命令启动水下温度传感器开始测温，以及通过总线读取水下温度传感器采集的温度数据，实现不同深度的海底温度探测。该海底温度探测系统易于实施，测温精度高，抗干扰性能好。

Description

一种海底温度探测系统

技术领域

本发明涉及一种海底温度探测系统。

背景技术

海洋占全球总面积的四分之三，与人类的生存环境息息相关，海水温度作为重要的海洋水温参数，在海洋监测、国防建设和科学研究中都具有特别的意义，为此人们设计了各种形式的海水温度测量仪器。目前，获取海水温度信息的手段多种多样，如卫星、飞机、船舶、浮标、岸基监测站、海上固定平台、志愿船等等。海洋温度测量对于其他海底仪器布置、研究环境的调研等都起着很重要的作用。现有的海水温度测量装置体积大、成本高、不便于携带。长距离传输信号畸变大，抗干扰性差。线缆抗腐蚀性差，元器件长时间在恶劣环境下容易老化、损坏，系统的可靠性较差。因此，有必要设计一种海底温度探测系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种海底温度探测系统，该海底温度探测系统易于实施，测温精度高，抗干扰性能好。

发明的技术解决方案如下：

一种海底温度探测系统，包括电源、主机和水下温度传感器阵列；

所述的水下温度传感器阵列包括至于海水中的多个数字型温度传感器；各数字型温度传感器位于不同的深度；

主机采用单总线三线制方式与水下温度传感器阵列连接；单总线三线制方式是指主机与水下温度传感器阵列采用总线通信，该纵线具有三条导线，分别是数据线DATA、电源线VDD和地线GND；数字型温度传感器从总线上的电源线VDD获取工作电源；

主机通过总线发出命令启动水下温度传感器开始测温，以及通过总线读取水下温度传感器采集的温度数据，实现不同深度的海底温度探测。

所述的水下温度传感器阵列包括16个数字型温度传感器DS18B20，每一个数字型温度传感器DS18B20具有唯一的序列号；16个数字型温度传感器依次布置在0至100米水深的区段；在前50米段，每5米设置一个水下温度传感器，在后50米端即下段，每10米设置一个水下温度传感器。

所述的电源为5V干电池，所述的主机中集成有STM32F103RC芯片。

数据线DATA的端口通过5.0KΩ上拉电阻接STM32F103RC芯片输出3.3V电源。【从而令单总线上挂载的DS18B20数量能够更多，不会因为传感器数量问题而导致供电电压不足】

总线采用集成有三条导线的线缆，该线缆中设有作为加强筋的钢丝；线缆的外层为硅胶层【使用钢丝抗拉并缠裹一层屏蔽网络确保信号传输，外面需要将线缆套上一层绝缘性和防水性好的硅胶线层。】

主机的数据采集方式有两种：

(1)采集单个水下温度传感器的温度数据；

当主机需要对众多在线的水下温度传感器中的某一个进行操作时，首先要对基于DS18B20的48位序列号对该温度传感器发出匹配ROM命令(55H)，之后针对该DS18B20的进行操作，包括启动DS18B20并从该DS18B20读取温度数据；

(2)采集所有水下温度传感器的温度数据。

在DS18B20组成的测温系统中，主机在发出跳过ROM命令之后再发出统一的温度转换启动码44H就可以实现所有DS18B20的统一转换，再经过1s后，逐一读取各DS18B20输出的温度数据，从而得到所有DS18B20的温度数据；完成不同深度海水温度的测量。

所述的海底温度探测系统还包括与主机连接的显示器【用于显示系统当前状态，以及实时显示采集的温度数据】。

本发明使用外接电池供电，并使用低功耗微处理控制芯片STM32搭载数字温度传感器DS18B20。传感器最大所需电流只有1mA。100米长距离传输，为确保传输数据畸变小必须使用数字温度传感器。

STM32最小系统由STM32F103RC芯片、JTA6电源、指示灯、复位电路以及5MHz晶振组成。

本发明以STM32F103系列微控芯片为基础，搭建STM32最小系统，搭配TFT3.0数码液晶显示屏。外接STM32GPIO口PA8为DQ数据接收口，并通过5.0V强上拉一个5.0KΩ电阻，确保单总线上不会因为DS18B20挂载数量问题而导致数据线上电流达不到所需最小值1mA。因为需要100米长距离信号传输，加之海洋条件下复杂环境的影响，所以对于传感器选用的是数字型温度传感器DS18B20。DS18B20测温范围广：-55℃～+125℃，工作电压低：3.0～5.5V/DC，结构简单在使用中不需要任何外围元件，数字信号传输畸变误差小测量结果以9～12位数字量方式串行传送。

本发明的线缆使用单总线三线制方式，分别为DATA、VDD、GND，使得多个DS18B20能够通过一条总线实现数字信号传输。DS18B20可以采取寄生电源供电方式与外部电源供电。DS18B20具有负压特性，当电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。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。但此种方法在挂载数量过多时，会使得线上供电电流不足这一问题变得尖锐。因此，本发明使用外部5.0V直接给单总线电源输入端VDD供电，GND引脚接地。因为海底水压、PH值等影响，所以要求线缆必须能够承受住1.5MPa压力，防水性好，抗腐蚀性强。故使用硅胶信号线包裹在最外层。内部则需要添加一根钢丝确保线缆的抗拉能力，并缠裹一层屏蔽网络确保信号传输。在线缆最末端留出数据、电源、地线供STM32接口连接使用。为了实现低功耗的要求，本系统使用外接+5.0V干电池供电。并通过AMS1117高效线性稳压器，用于交换式电源5V至3.3V线性稳压器。由此，通过外部电源+5.0V便可既给STM32供电，又可以为DS18B20测温缆提供电源。电池供电很好了保证了系统的低功耗特性与小体积。

DS18B20的内部有64位的ROM单元，和9字节的暂存器单元(即暂存寄存器)。64位ROM包含了，DS18B20唯一的序列号(唯一的名字)。正是由于它独特的唯一序列号使得单总线数据传输成为了可能。主机在进入操作程序前必须逐一接入DS18B20用读ROM(33H)命令将该l 820的序列号读出并登录。

当主机需要对众多在线DS18B20的某一个进行操作时，首先要发出匹配ROM命令(55H)，紧接着主机提供64位序列(包括该DS18B20的48位序列号)，之后的操作就是针对该DS18B20的；

而所谓跳过ROM命令即表示之后的操作是对所有DS18B20的；框图中先有跳过ROM即是启动所有DS18B20进行温度变换之后通过匹配ROM再逐一地读回每个DS18B20的温度数据，在DS18B20组成的测温系统中主机在发出跳过ROM命令之后再发出统一的温度转换启动码44H就可以实现所有DS18B20的统一转换，再经过1s后，就可以用很少的时间去逐一读取。

【若指令成功地使DS18B20完成温度测量，数据存储在DS18B20的存储器(即暂存寄存器)中。测量结果将被放置在DS18B20内存中，并可以通过命令读取出来。】

DS18B20的儿个时序如下：

1、复位时序：单片机拉低总线480us～950us，然后释放总线(拉高电平)。这时DS18B20会拉低信号，大约60～240us表示应答。DS18B20拉低电平的60～240us之间，单片机读取总线的电平，如果是低电平，那么表示复位成功。DS18B20拉低电平60～240us之后，会释放总线。

2、写逻辑0：单片机拉低电平大约10～15us。单片机持续拉低电平大约20～45us的时间。释放总线。

3、写逻辑1：单片机拉低电平大约10～15us。单片机拉高电平大约20～45us的时间。释放总线。

4、读逻辑0：在读取的时候单片机拉低电平大约1us。单片机释放总线，然后读取总线电平。这时候DS18B20会拉低电平。读取电平过后，延迟大约40～45微秒。

5、读逻辑1：在读取的时候单片机拉低电平大约1us。单片机释放总线，然后读取总线电平。这时候DS18B20会拉高电平。读取电平过后，延迟大约40～45微秒。

DS18B20暂存寄存器分布表

DS18B20的测温原理：用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。计数器被预置到对应于-55℃的一个值。如果计数器在门周期结束前到达0，则温度寄存器(同样被预置到-55℃)的值增加，表明所测温度大于-55℃。

同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。然后计数器又开始计数直到0，如果门周期仍未结束，将重复这一过程。斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性，以期在测温时获得比较高的分辨力。这是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数的的值来实现的。因此，要想获得所需的分辨力，必须同时知道在给定温度下计数器的值和每一度的计数值。

有益效果：

本发明的海底温度探测系统，具有低功耗、水下部分抗压能力强(1.5MPa)、信号传输抗干扰性强、能够长距离传输(100M)、线缆抗腐蚀性强、防水性好等优点。本探测系统功耗低，体积小，成本低廉，测量精度较高，能在复杂恶劣的环境下工作。测温范围广：-55℃至+125℃。DSDS18B20通过一个单总线接口发送或接收信息，因此在中央微处理器和DSDS18B20之间仅需一条总线。用于读写和温度转换的电源可以从总线获得。系统通过三线制总线：数据线、电源线和地线便能够完成测量任务。因而结构简单，易于实施，

附图说明

图1为海底温度探测系统框图。

图2为0至100米温度探测缆传感器分布图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

图1说明了整个系统的组成架构。主要包括DS18B20温度探测缆、STM32带数码液晶显示屏的最小系统以及外接+5V电池电源。

图2说明了在0至100米深海底16个DS18B20挂载在单总线上的具体位置。

一种海底温度探测系统，包括电源、主机和水下温度传感器阵列；

所述的水下温度传感器阵列包括至于海水中的多个数字型温度传感器；各数字型温度传感器位于不同的深度；

主机采用单总线三线制方式与水下温度传感器阵列连接；单总线三线制方式是指主机与水下温度传感器阵列采用总线通信，该纵线具有三条导线，分别是数据线DATA、电源线VDD和地线GND；数字型温度传感器从总线上的电源线VDD获取工作电源；

主机通过总线发出命令启动水下温度传感器开始测温，以及通过总线读取水下温度传感器采集的温度数据，实现不同深度的海底温度探测。

所述的水下温度传感器阵列包括16个数字型温度传感器DS18B20，每一个数字型温度传感器DS18B20具有唯一的序列号；16个数字型温度传感器依次布置在0至100米水深的区段；在前50米段，每5米设置一个水下温度传感器，在后50米端即下段，每10米设置一个水下温度传感器。

所述的电源为5V干电池，所述的主机中集成有STM32F103RC芯片。

数据线DATA的端口通过5.0KΩ上拉电阻接STM32F103RC芯片输出3.3V电源。【从而令单总线上挂载的DS18B20数量能够更多，不会因为传感器数量问题而导致供电电压不足】

总线采用集成有三条导线的线缆，该线缆中设有作为加强筋的钢丝；线缆的外层为硅胶层【使用钢丝抗拉并缠裹一层屏蔽网络确保信号传输，外面需要将线缆套上一层绝缘性和防水性好的硅胶线层。】

主机的数据采集方式有两种：

(1)采集单个水下温度传感器的温度数据；

当主机需要对众多在线的水下温度传感器中的某一个进行操作时，首先要对基于DS18B20的48位序列号对该温度传感器发出匹配ROM命令(55H)，之后针对该DS18B20的进行操作，包括启动DS18B20并从该DS18B20读取温度数据；

(2)采集所有水下温度传感器的温度数据。

在DS18B20组成的测温系统中，主机在发出跳过ROM命令之后再发出统一的温度转换启动码44H就可以实现所有DS18B20的统一转换，再经过1s后，逐一读取各DS18B20输出的温度数据，从而得到所有DS18B20的温度数据；完成不同深度海水温度的测量。

所述的海底温度探测系统还包括与主机连接的显示器【用于显示系统当前状态，以及实时显示采集的温度数据】。

先将外接+5.0V供电电池与STM32系统板上的外接电源供电段VCC、GND焊接好。接着将单总线末端的DATA数据线、VDD电源线、GND地线分别与STM32系统板上的PA8强上拉GPIO口、VDD5.0V口、GND口焊接，确保导线与STM32系统板焊接牢固。然后将焊接口使用皮油管套好绝缘。使用一台小绞盘将探测缆盘好便于使用时的收放。

Claims (7)

1.一种海底温度探测系统，其特征在于，包括电源、主机和水下温度传感器阵列；

所述的水下温度传感器阵列包括至于海水中的多个数字型温度传感器；各数字型温度传感器位于不同的深度；

主机采用单总线三线制方式与水下温度传感器阵列连接；单总线三线制方式是指主机与水下温度传感器阵列采用总线通信，该纵线具有三条导线，分别是数据线DATA、电源线VDD和地线GND；数字型温度传感器从总线上的电源线VDD获取工作电源；

主机通过总线发出命令启动水下温度传感器开始测温，以及通过总线读取水下温度传感器采集的温度数据，实现不同深度的海底温度探测。

2.根据权利要求1所述的海底温度探测系统，其特征在于，所述的水下温度传感器阵列包括16个数字型温度传感器DS18B20，每一个数字型温度传感器DS18B20具有唯一的序列号；16个数字型温度传感器依次布置在0至100米水深的区段；在前50米段，每5米设置一个水下温度传感器，在后50米端即下段，每10米设置一个水下温度传感器。

3.根据权利要求2所述的海底温度探测系统，其特征在于，所述的电源为5V干电池，所述的主机中集成有STM32F103RC芯片。

4.根据权利要求3所述的海底温度探测系统，其特征在于，数据线DATA的端口通过5.0KΩ上拉电阻接STM32F103RC芯片输出3.3V电源。

5.根据权利要求4所述的海底温度探测系统，其特征在于，总线采用集成有三条导线的线缆，该线缆中设有作为加强筋的钢丝；线缆的外层为硅胶层。

6.根据权利要求2-5任一项所述的海底温度探测系统，其特征在于，主机的数据采集方式有两种：

(1)采集单个水下温度传感器的温度数据；

当主机需要对众多在线的水下温度传感器中的某一个进行操作时，首先要对基于DS18B20的48位序列号对该温度传感器发出匹配ROM命令(55H)，之后针对该DS18B20的进行操作，包括启动DS18B20并从该DS18B20读取温度数据；

(2)采集所有水下温度传感器的温度数据。

在DS18B20组成的测温系统中，主机在发出跳过ROM命令之后再发出统一的温度转换启动码44H就可以实现所有DS18B20的统一转换，再经过1s后，逐一读取各DS18B20输出的温度数据，从而得到所有DS18B20的温度数据；完成不同深度海水温度的测量。

7.根据权利要求6所述的海底温度探测系统，其特征在于，还包括与主机连接的显示器。