室内采暖温度检测系统设计Word文件下载.docx
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第一章绪论
1.1引言
热量是一种特殊的商品，而冬季供暖关系到北方千家万户的利益，供暖不好或无法检测供暖是否达到国家标准，就可能因为冬季室内温度低而引发受热方和供热方双方纠纷。
如果供热方不能找到进行室内温度检测的机构或合适的检测设备，即使是由公证部门进行了公证，受热方以公证机构不具备检测室内温度的资格或检测设备不合理也可能将供热方告上法庭。
因此，研制一种能够实时检测室内空气温度并把所得数据存储起来，同时通过专用的软件可以重现室内空气温度状况的仪器就显得十分重要。
2003年起正式实施《室内空气质量标准》以后，室内温度已经成为室内空气质量的一个重要组成部分。
标准中明确规定夏季空调房间室内温度的标准值为22℃～28℃，冬季采暖时室内温度的标准值为16℃～24℃。
达到这个标准的室内温度就是舒适的室内温度。
对于室内温度的检测和检测机构的选择，可以找国家质检总局和认监委认证认可的有资质的室内环境检测单位进行检测，出具盖有“CMA”章的检测报告。
过去人们习惯于通过行政管理部门来管理和控制室内环境温度，国家《室内空气质量标准》发布以后，消费者可以用国家标准来维护自己的室内温度权，目前我国北方有的地区已经把冬季室内温度作为保护消费者权益的内容。
室内温度影响人们生产、生活质量。
冬季室内温度也不宜过高。
冬季室外严寒，人们都希望家里暖和些以抵御寒冷的空气。
然而，取暖并非温度越高越好，国家标准规定为16～24℃。
一般室内温度保持在20至24℃之间为宜，最好不超过28℃。
本文主要研究的是通过Atmega8515单片机控制温度传感器DS18B20对温度数据进行采集，并记录时钟芯片PCF8583实时时间，同时将温度和时间数据存储到大规模存储器X25325之中，上位机通过控制命令可以将温度和时间数据通过串行口传输到系统微机之中，并可以通过专用的软件再现实时温度数据，并通过曲线表示出温度与时间的关系，在曲线上画出温度特征点。
1.2国内外温度检测技术概述
1.2.1温度检测技术简介
一、随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步，目前的温度检测使用的方法种类繁多，应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法[6]：
1.利用物体热胀冷缩原理制成的温度计
利用此原理制成的温度计大致分成三大类。
（1）玻璃温度计，它是利用玻璃感温包内的测温物质（水银、酒精、甲苯、煤油等）受热膨胀、遇冷收缩的原理进行温度测量的；
（2）双金属温度计，它是采用膨胀系数不同的两种金属牢固粘合在上一起制成的双金属片作为感温元件，当温度变化时，一端固定的双金属片，由于两种金属膨胀系数不同而产生弯曲，自由端的位移通过传动机构带动指针指示出相应温度；
（3）压力式温度计，它是由感温物质（氮气、水银、二甲苯、甲苯、甘油和低沸点液体如氯甲烷、氯乙烷等）随温度变化，压力发生相应变化，用弹簧管压力表测出它的压力值，经换算得出被测物质的温度值。
2.利用热电效应技术制成的温度检测元件
利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。
热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件。
热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。
常用的热电偶有以下几种。
（1）镍铬-镍硅，型号为WRN，分度号为K，测温范围0-900℃，短期可测1200℃。
（2）镍铬-康铜，型号为WRK，分度号为F，测温范围0-600℃，短期可测800℃。
（3）铂铑-铂，型号为WRP，分度号为S，在1300℃以下的温度可长期使用，短期可测1600℃。
（4）铂铑30—铂铐6，型号为WRR，分度号为B，测温范围300-1600℃，短期可测1800℃。
3.利用热阻效应技术制成的温度计
用此技术制成的温度计大致可分成以下几种。
（1）电阻测温元件，它是利用感温元件（导体）的电阻随温度变化的性质，将电阻的变化值用显示仪表反映出来，从而达到测温的目的。
目前常用的有铂热电阻（分度号为Pt100、Pt10两种）和铜热电阻（分度号有Cu50、Cu100两种）。
（2）导体测温元件，它与热电阻的温阻特性刚好相反，即有很大负温度系数，也就是说温度升高时，其阻值降低。
（3）陶瓷热敏元件，它的实质是利用半导体电阻的正温特性，用半导体陶瓷材料制作而成的热敏元件，常称为PCT或NCT热敏元件。
PCT热敏元件分为突变型及缓变型二类。
突变型PCT元件的温阻特性是当温度达到顶点时，它的阻值突然变大，有限流功能，多数用于保护电器。
缓变型PCT元件的温阻特性基本上随温度升高阻值慢慢增大，起温度补偿作用。
NCT元件特性与PCT元件的突变特性刚好相反，即随温度升高，它的阻值减小。
4.利用热辐射原理制成的高温计
热辐射高温计通常分为两种。
一种是单色辐射高温计，一般称光学高温计；
另一种是全辐射高温计，它的原理是物体受热辐射后，视物体本身的性质，能将其吸收、透过或反射。
而受热物体放出的辐射能的多少，与它的温度有一定的关系。
热辐射式高温计就是根据这种热辐射原理制成
的。
5.利用声学原理进行温度测量
声学发温度检测技术是近年来发展起来的一项新技术，利用该技术，可以对炉内的烟气温度测量值和火焰分布在线检测，判断炉的燃烧状况，进行实时调节和控制声学，温度检测技术的基本原理是通过测量声波传感器间的声波传播时间以最小二乘原理重建温度的测量方法。
6．利用红外测温技术
红外测温技术是通过检测物体表面能量来检测物体温度的。
二、近年来，在温度检测技术领域，多种新的检测原理与技术的开发应用，已经取得了重大进展。
新一代温度检测元件正在不断出现和完善化。
1.晶体管温度检测元件
半导体温度检测元件是具有代表性的温度检测元件。
半导体的电阻温度系数比金属大1~2个数量级，二级管和三极管的PN结电压、电容对温度灵敏度很高。
基于上述测温原理已研制了各种温度检测元件。
2.集成电路温度检测元件
利用硅晶体管基极一发射极间电压与温度关系（即半导体PN结的温度特性）进行温度检测，并把测温、激励、信号处理电路和放大电路集成一体，封装于小型管壳内，即构成了集成电路温度检测元件。
3.核磁共振温度检测器
所谓核磁共振现象是指具有核自旋的物质置于静磁场中时，当与静磁场垂直方向加以电磁波，会发生对某频率电磁的吸收现象。
利用共振吸收频率随温度上升而减少的原理研制成的温度检测器，称为核磁共振温度检测器。
这种检测器精度极高，可以测量出千分之一开尔文，而且输出的频率信号适于数字化运算处理，故是一种性能十分良好的温度检测器。
在常温下，可作理想的标准温度计之用。
4.热噪声温度检测器
它的原理是利用热电阻元件产生的噪声电压与温度的相关性。
其特点是：
（1）输出噪声电压大小与温度是比例关系;
（2）不受压力影响;
（3）感温元件的阻值几乎不影响测量精确度；
所以它是可以直接读出绝对温度值而不受材料和环境条件限制的温度检测器。
5.石英晶体温度检测器
它采用LC或Y型切割的石英晶片的共振频率随温度变化的特性来制作的。
它利用'
uP技术，自动补偿石英晶片的非线性，测量精度较高，一般可检测到0.001℃，所以可作标准检测之用。
6.光纤温度检测器
光纤温度检测器是目前光纤传感器中发展较快的一种，已开发了开关式温度检测器、辐射式温度检测器等多种实用型的品种。
它是利用双折射光纤的传输光信号滞后量随温度变化的原理制成的双折射光纤温度检测器，检测精度在±
1℃以内，测温范围可以从绝对0℃到2000℃。
7.激光温度检测器
激光测温特别适于远程测量和特殊环境下的温度测量，用氮氖激光源的激光作反射计可测得很高的温度，精度达1％；
用激光干涉和散射原理制作的温度检测器可测量更高的温度，上限可达3000℃，专门用于核聚变研究，但在工业上应用还需进一步开发和实验。
8.微波温度检测器
采用微波测温可以达到快速测量高温的目的。
它是利用在不同温度下，温度与控制电压成线性关系的原理制成的。
这种检测器的灵敏度为250kHZ/℃,精度为1％左右，检测范围为20~1400℃。
9.纯贵金属热电偶的研究
由两种纯金属组成的热电偶，因其材料均匀性远优于合金材料，因而稳定性很好。
在铂铑合金热电偶（S、R型）的不确定度已很难提高之后，人们开始寻找由纯贵金属组成的热电偶，以代替S和R型热电偶，作为传递的标准。
10.信息技术时代自动化系统中的温度检测仪表
现代的工业过程自动化系统是现场总线控制系统，它是信息技术进入工业自动化后出现的新一代的自动控制系统。
现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。
所有的现场仪表（温度检测仪表是其中一种）均接到现场总线上。
在这样的系统中，通常不应使用各种不同输出的温度计，必须将输出转变成统一的电信号，这样“温度计”就变成了“温度变送器”。
在现场总线控制系统中的温度变送器主要是热电偶变送器和热电阻变送器，也有辐射温度变送器。
1.2.2温度检测技术的发展
生产管理一体化、网络化是当今工业自动化控制领域的大趋势，要实现这些功能，必须借助于工业计算机、现场网络及开放的工业数据库。
利用先进技术手段监测各种复杂生产环境的被控参数（如温度、流量及压力等），使生产和管理一体化，可以有效地提高生产和管理的自动化水平。
温度追踪测量（也可以称作是温度分布测定技术）是一种利用微机来实现数据采集、数据通讯传输和数据分析处理的一门新技术，是在生产过程中记录和说明热加工产品与空气温度关系的技术，追踪测量得到的数据被显示为图表或数字。
这个过程最简单的形式就是它可以告诉生产者所生产的产品的温度、保持这个温度有多长时间以及在什么时间达到了什么温度。
通过分析数据，生产人员可以保证产品达到最好的质量、解决产品存在问题、优化生产工艺路线及节约能耗。
无论是在电子产品的生产、食品加工、其它工业生产，还是在医疗器械生产方面，只要在生产过程中温度是重要的控制指标，温度检测（也称追踪）技术就具有非常广阔的应用前景。
（1）国内外温度检测技术动向
1.扩展检测范围
现在工业上通用的温度检测范围为-200~3000℃，而今后要求能测量超高温与超低温。
尤其是液化气体的极低温度检测更为迫切，如10K以下的温度检测是当前重点研究课题。
2.扩大测温对象
温度检测技术将会由点测温发展到线、面，甚至立体的测量。
应用范围己经从工业领域延伸到环境保护、家用电器、汽车工业及航天工业领域。
3.发展新型产品
利用以前的检测技术生产出适应于不同场合、不同工况要求的新型产品，以满足用户需要。
同时利用新的检测技术制造出新的产品。
4.适应特殊环境下的测温
对许多场合中的温度检测器有特殊要求，如防硫、防爆、耐磨等性能要求；
又如移动物体和高速旋转物体的测温、钢水的连续测温、火焰温度检测等。
5.显示数字化
温度仪表向数字化方向发展。
其最大优点是直观、无读数误差、分辨率高、测量误差小，因而有广阔的销售市场。
6.标定自动化
应用计算机技术，快速、准确、自动地标定温度检测器。
（2）国内外温度检测发展趋势
根据上述要求，国内外温度仪表制造商将向以下几方面发展：
1.继续生产量大面广的传统的温度检测元件，如:
热电偶、热电阻、热敏电阻等。
2.加强新原理、新材料、新加工工艺的开发。
如近来已经开发的炭化硅薄膜热敏电阻温度检测器，厚膜、薄膜铂电阻温度检测器，硅单晶热敏电阻温度检测器等。
3.向智能化、集成化、适用化方向发展。
新产品不仅要具有检测功能，又要具有判断和指令等多功能，采用微机向智能化方向发展，向机电一体化方向发展。
第二章系统总体设计方案
2.1系统设计要求
采用温度传感器对温度进行采集，实时记录温度值并记录当时采集温度的实时时间，将温度和时间数据存储到大规模存储器之中，通过串行口可以将温度和时间数据传输到系统微机之中，并可以通过专用的软件再现实时温度数据，并通过曲线表示出温度与时间的关系，在曲线上画出温度特征点。
要完成以上的功能，需完成以下功能电路：
1、用于检测温度的DS18B20与Atmega8515的接口电路；
2、用于定时的实时时钟PCF8583与Atmega8515的接口电路；
3、用于存储的X25325与Atmega8515的接口电路；
4、用于控制的键盘接口电路；
5、用语显示温度的数码显示接口电路；
6、用于数据传输的MAX232与Atmega8515的接口电路；
7、通过键盘可以设定PCF8583的初始时间；
8、运用VB编制上位机数据处理及显示程序，上位机通过命令可
以控制下位机将X25325内部的数据传输到上位机之中。
2.2系统总体方案
本方案是以Atmega8515单片机为核心，通过DS18B20对温度信号进行采集，并存储到X25325之中，同时在采集温度数据的同时存储实时时间，通过上位机命令控制下位机将X25325之中的数据通过MAX232将数据传输到系统微机之中，系统微机之中通过专用的软件对数据进行处理并显示出来，系统的总体设计框图如图2.1所示：
图2.1系统总体框图
第三章系统硬件电路设计
3.1Atmega8515单片机最小系统
3.1.1Atmega8515简介
在二十世纪九十年代初，ATMEL公司推出全新的精简指令集单片机，简称AVR其具有高性能、低功耗、非易失性存储器、数字集成电路、E2PROM电可擦除技术、闪速存储技术等优秀品质。
与其相比，采用复杂指令集的单片机在效率、速率在指令格式上都比较简洁，更适和在嵌入式系统中使用。
近几年来，随着AVR单片机不断改进并持续推出新的品种现以形成系列产品。
其性价比更高在国内外都有广阔的前景。
Atmega8515具有以下特点：
⑴8K字节FLASH，256/512字节E2PROM，256/512字节SRAM；
⑵32个通用I/O口，32个通用工作寄存器；
⑶具有比较模式的灵活的定时器/计数器；
⑷内外中断源可编程的UART；
⑸可编程的看门狗定时器；
⑹SPI口以及两种可通过软件选择的省电模式工作于空闲模式。
工作于省电模式时，CPU将停止运行，而寄存器、定时器/计数器、看门狗和中断系统继续工作，掉电模式时振荡器停止工作，所有功能都被禁止，而寄存器内容得到保留，只有外部中断或硬件复位才可以退出此状态[4]。
Atmega8515是以ATMEL的高密度非易失性内存技术生产的，片内FLASH可以通过ISP接口或通用编程器多次编程。
通过将增强的RISC8位CPU与FLASH集成在一个芯片内，该器件为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案，具有一整套的编程和系统开发工具宏汇编调试/仿真器在线仿真。
在AVR单片机中，用32个通用寄存器代替累加器，从而避免了传统的累加器和存储器之间的数据传送造成的瓶颈现象。
在AVR单片机中，在前一条指令执行的时候就取出现行的指令，然后以一个周期执行指令。
在其它的CISC以及类似的RISC结构中，外部振荡器的时钟被分频降低到传统的内部执行周期，这种分频最大达12倍。
AVR单片机使用一个时钟周期执行一条指令，在8位单片机中它是第一种真正的RISC单片机。
AVR单片机具有良好的性能价格比。
由于AVR单片机是采用Harvard结构的，故它们的地址总线和数据总线是分开的。
3.1.2AVR单片机引脚说明
Atmega8515引脚与MCS-51系列单片机8X51/8X52的引脚兼容，仅复位电平不同，AVR低电平复位，MCS-51高电平复位，这给用AVR单片机替代MCS-51单片机硬件电路带来了方便[4]，其引脚图如图3.1所示。
图3.1Atmega8515引脚图
⑴VCC：
为供电引脚，连接到正电源。
⑵GND：
为接地引脚，连接到电源地。
⑶A口（PA7~PA0）：
A口为一个8位双向I/O口，每一引脚内部都有上拉电阻。
A输出口的缓冲器可以吸收20mA的电流，因而能直接驱动LED显示器。
当A口被用于输入且内部上拉被触发时，如果外部被拉低，则会输出电流。
⑷B口（PB7~PB0）：
B口为一个8位双向I/O口，每一个引脚内都有上拉电阻。
B口的输出缓冲器可以吸收20mA的电流。
当B口被用于输入且内部上拉被触发时，如果外部被拉低，则会输出电流。
B口也提供后面列出的AT90系列单片机许多特殊功能。
⑸C口（PC7~PC0）：
C口为一个8位双向I/O口，每一个引脚内都有上拉电阻。
C口的输出缓冲器可以吸收20mA的电流。
当C口被用于输入且内部上拉被触发时，如果外部被拉低。
⑹D口（PD7~PD0）：
D口为带有内部拉高的8位I/O口。
D口的输出缓冲器可以吸收20Ma的电流。
当D口被用于输入且内部上拉被触发时，如果外部被拉低，则会输出电流。
D口也提供后面列出的AT90系列单片机许多特殊功能。
⑺RESET：
RESET为复位输入。
当晶振运行时，引脚上一个周期的低电平可对器件进行复位。
⑻XTAL1：
XTAL1为晶振反向放大器的输入端和内部时钟操作电路的输入端。
⑼XTAL2：
XTAL2为晶振反向放大器的输出端。
⑽ICP：
ICP是定时器/计数器1的输入捕获功能的输入引脚。
⑾OCIB：
OCIB是定时器/计数器1的输出比较功能B的输出引脚。
⑿ALE：
ALE是使用外部存储器时的地址锁存触发端。
ALE选通门被用于在第一个访问周期中将低位地址锁存到地址锁存器中，而PD0~PD7在第二个访问周期中被用作数据。
3.1.3Atmeg8515最小系统
Atmeg8515最小系统如图3.2所示，其中K1、K2和K3为上拉电阻，ST为8MHz的晶振。
在本系统设计中，Atmeg8515微控制器的引脚功能分配如下：
⑴PA0~PA7为数码管的段码驱动端；
⑵PC0~PC5为数码管的位码驱动端；
⑶RXD、TXD为串行数据接收端和发送端；
⑷PD2~PD7为键盘输入端；
⑸PB0、PB1为PCF8583控制端；
⑹PB2为DS18B20控制端；
⑺PB4~PB7为X25325控制端。
图3.2Atmega8515最小系统
3.2显示电路
常用的显示器有LCD和LED显示器，系统中选用LED显示器。
LED器件是一种发光二极管显示器，其特点如下：
（1）LED显示器具备稳定、高速、简单的系统；
（2）LED显示结构简单、性能稳定；
（3）LED显示应用在成熟的生产技术上。
发光二极管组成的显示器是单片机应用产品中最常用的廉价输出设备，八段发光二极管结构如图3.3所示。
发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器，阴极连在一起的称为共阴极显示器。
1位显示器有8个发光二极管组成，其中7个发光二极管a~g控制7个笔段的亮或暗，另一个控制一个小数点的亮和暗，这种笔画式的八段显示器能显示的字符少。
字符的形象有些失真，但控制方便，使用简单。
图3.3八段发光二极管外型
图3.4共阴极数码管
图3.5共阳极数码管
显示器的显示方法有静态和动态两种方法。
显示器位数较少时，采用静态显示的方法是合适的。
当位数较多时，用静态显示所需的I/O太多，一般采用动态显示方法，所以在系统中我们采用动态显示。
此类数码管的工作特点是：
⑴数码管片选端为低电平时，对应位的数码管才有可能亮；
⑵每次只能有一个片选端为低电平，即只能动态移位显示相应的数据；
⑶单片机控制数码管显示相应数字要用查表子程序来实现。
显示器接口电路如图3.6所示，其中PA0~PA7、PC0~PC5为单片机
图3.6显示器接口电路
的I/O口，数码管从左到右依次为LED0~LED5。
3.3键盘接口电路
常用的键盘连接方式有独立式键盘和矩阵式键盘，本系统选用独立式键盘。
系统中独立式键盘直接与Atmega8515的PD2～PD7口相连接，接口电路如图3.7所示。
S0用于改变键盘功能，当S0按下奇数次时，S1~S4修改的是时、分、秒缓
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