数字式热敏电阻温度计Word文件下载.docx
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该论文主要讲述了用温度传感测温的主要原理、实际硬件电路的设计、软件设计和调试分析。
第一章介绍了温度检测现状和仪器仪表的发展现状。
第二章提出了几种单片机数字温度计的设计方案并作出比较。
第三章讲述了单片机系统硬件电路的设计过程，包括对智能温度传感器DS18B20详细的介绍以及单片机系统的设计，并讲述了仪器的软件设计，给出了软件流程图，整套仪器是由单片机系统控制的，包括LED显示器、通讯接口等。
第四章进行系统调试分析，这将有助于今后对系统的改进，以进一步提高系统的测量精度，并讲述了通过本设计所得的结论和心得体会。
1.2国内外测温状况
随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也不断地进步，目前的温度检测使用的温度计种类繁多、应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法：
（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：
a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；
b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；
c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：
a镍铬-镍硅，型号为WRN，分度号为K，测温范围0-900℃，短期可测1200℃。
b镍铬-康铜，型号为WRK，分度号为F，测温范围0-600℃，短期可测800℃。
c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℃。
d铂锗30-铂锗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：
a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Cu5O，Cu100两种）。
b导体测温元件，它与热电阻的温阻特性刚好相反，即有很大副温度系数，也就是说温度升高时，其阻值降低。
他们的关系为：
式中RT－在温度T（K）时的电阻值；
RT0－在温度T0（K）时的电阻值；
e－自然对数的底；
B－常数，其值与半导体材料的成分和制作方法有关。
c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PCI，或NCI热敏元件。
PCT热敏元件分为突变型和缓变型两类。
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PCI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。
NCI元件特性与PGT元件的突变特性刚好相反，即随温度升高，它的阻值减小[1]。
（4）利用热辐射原理制成的高温计
辐射测温在近年相对其他的测温领域显得活跃些，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
声学法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。
1.3温度检测技术介绍
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。
基于上述测温原理己研制了各种温度检测元件[2]。
（2）集成电路温度检测元件
利用硅晶体管基极－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。
目前，国内外也进行了生产。
（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：
a输出噪声电压大小与温度是比例关系；
b不受压力影响；
c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µ
P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）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。
用氦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。
（7）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℃。
（8）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，因而稳定性好得多。
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[3]。
（9）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控装置之间的数字式、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，通常不应使用各有不同输出的温度计，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。
第二章数字式热敏电阻温度计的设计方案
2.1方案一
系统的硬件电路包括微控制器部分（主机），温度检测，人机对话（键盘/显示）三个主要部分。
系统结构框图和硬件原理图分别如图2-1和图2-2所示。
图2-1方案
（一）系统结构框图
温度检测部分采用传统的热敏电阻，热敏电阻的阻值随环境温度变化而变化，变送器将电阻信号转换成与温度成正比的电压信号，经A/D转换器将其转换为单片机可识别得二进制数字量，单片机主要控制LED显示器显示正确的温度值，LED显示器实现显示功能。
图2-2方案
（一）系统硬件原理图
2.2方案二
本方案与方案一的区别主要是在温度检测部分利用了一款新型的温度检测芯片DS18B20，这个芯片大大简化了温度检测模块的设计，它无需A/D转换，可直接将测得的温度值以二进制形式输出。
该方案的原理框图和硬件原理图如图2-3和图2-4所示：
LED
显示器
80C51
单片机
温度传感器
DS18B20
图2-3方案
（二）系统结构框图
DS18B20是美国达拉斯半导体公司生产的新型温度检测器件，它是单片结构，无需外加A/D即可输出数字量，通讯采用单线制，同时该通讯线还可兼作电源线，即具有寄生电源模式。
它具有体积小、精度易保证、无需标定等特点，特别适合与单片机合用构成智能温度检测及控制系统。
图2-4方案
（二）系统硬件原理图
2.3方案比较与选择
方案
（一）与方案
（二）的主要区别在温度检测部分，方案
（一）是采用热敏电阻检测温度，然后利用A/D转换器将温度模拟量转换为二进制数供单片机处理。
方案
（二）主要利用DS18B20这块芯片进行温度检测，并将采集到的模拟量转换为单片机识别的二进制数。
方案
（一）与方案
（二）相比，它最大的特点就是它能检测的温度范围很大，热敏电阻的性能决定了整个设计的所能检测的温度范围。
方案
（二）的温度检测范围已经由系统中的DS18B20的特性所决定，它能检测的温度范围为-55℃到120℃，虽然其温度检测范围很窄，但已足够满足一般测量需要，从整体上来看方案
（二）比方案
（一）更简单，因为我们方案
（二）是利用现有的智能温度传感芯片DS18B20，他无需A/D转换，直接输出数字量。
所以本设计中所使用的温度测量电路是方案
（二）的电路。
第三章设计原理与结构
3.1DS18B20结构及工作原理
温度传感器之所以考虑选择单线数字器件DS18B20，是在经过多方面比较和考虑后决定的，主要有以下几方面的原因：
系统成本：
由于计算机技术和微电子技术的发展，新型大规模集成电路功能越来越强大，体积越来越小，而价格也越来越低。
一支DS18B20的体积与普通三极管相差无几，价格只有十元人民币左右。
系统复杂度：
由于DS18B20是单总线器件，一条总线上可以挂接多个DS18B20，因此，与模拟传感器相比，可以大大减少接线的数量，而且不需要A/D转换器，降低系统的复杂度。
系统的调试和维护，由于引线的减少，使得系统接口大为简化，给系统的调试带来方便；
同时，由于DS18B20是全数字元器件，故障率很低，抗干扰性强。
图3-1介绍了DS18B20的引脚和外观，表3-1则对DS18B20各引脚进行了单独介绍。
图3-1DS18B20引脚图
表3-1DS18B20引脚说明
引脚
符号
说明
1
GND
接地
2
DQ
单线运用的数据输入/输出引脚漏极开路
3
VDD
可选VDD引脚的两种供电方式
DS18B20有两种供电方式可供选择，即数据总线供电方式和外部供电方式。
采取数据总线供电方式可以节省一根导线，但是完成温度测量的时间较长；
采取外部供电方式会多用一根于供电导线，好处是可以更快的得到温度测量的结果[6]。
DS18B20内部结构框图如图3-2所示：
图3-2DS18B20内部结构框图
1）特点描述
采用单总线技术，与单片机通讯只要一根I/O线。
通过比较系列号可以在一根线上挂接多个DS18B20；
低压供电，电源范围从3V～5.5V，也可以直接从数据线上窃取电源；
测温范围-55℃～125℃摄氏度；
数据位可编程9-12位，转换12位温度时间为750ms（最大）；
用户可自设定预警上下限温度；
报警搜索命令可识别和寻址那个器件的温度至超出预定值。
DS18B20的另一特点是无外线电源工作能力。
当总线为高时，稳定电源的提供是通过单线上的上拉电阻实现的，总线信号“高”也控制内部电容（Cpp），当总线为低时由电容为器件供电。
从单线总线上获得电源的方法被称之为“寄生电源”。
DS18B20也可以通过外部供电从VDD获得电源。
DS18B20工作过程中的协议如下
（1）初始化；
（2）ROM操作命令；
（3）存储器操作命令；
（4）处理数据；
2）64位激光ROM码
每一个DS18B20都有一个64位码（见表3-2）存在ROM中。
ROM码的低8位含有DS18B20的单线产品系列编码：
28H。
接下来的48位包含了唯一的系列号。
高8位包含有一个循环冗余校验字节，它是根据ROM码的前56位计算得到的。
表3-264位激光ROM码
8位CRC
48位序列号
8位系列编码（10H）
MSBLSBMSBLSBMSBLSB
3）温度测量
DS18B20的存储器如表3-3所示，存储器由一个高速暂存便笺式RAM和一个非易失性E2PRAM组成，后者存储上限温度和下限温度的值，还有触发器TH和TL。
暂存存储器有助于在进行一线通信时，确保数据的完整性。
数据首先写入暂存存储器，并在那里被读回。
当数据校验之后。
执行复制暂存存储器的命令，将数据传送到非易失性存储器E2PRAM中，这一过程确保了更改存储器时数据的完整性。
表3-3DS18B20存储器映像表
存储器
位
温度LSB
温度MSB
TH用户字节1
TL用户字节2
4
配置寄存器
5
保留
6
7
8
CRC
9
非易失性存储器
暂存存贮器是按8位字节存储器来组织的，前两个字节包含温度信息；
第3和第4个字节分别是TH和TL的易失性拷贝，且在每一次上电复位时被刷新；
第5个字节为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率；
6，7，8的三个字节没有使用，但是在读回时它们呈现为逻辑全1；
第9个字节读出前面8个字节的CRC码，用来校验数据，从而保证通信数据的正确性[7]。
DS18B20通过使用在板on-board温度测量专利技术来测量温度，温度测量电路的方框图见下图3-3所示：
图3-3温度测量电路
DS18B20通过门开通期间内，低温度系数振荡器经历的时钟周期个数计数来测量温度。
同时门开通期由高温度系数振荡器决定，计数器预置对应于-55℃的基数。
如果在门开通期结束前计数器达到零，那么温度寄存器仍被预置到-55℃的数值。
同时计数器用斜率累加器电路所决定的值进行预置。
为了对遵循抛物线规律的振荡器温度特性进行补偿，这种电路是必需的。
时钟再次使计数器计值，至它达到零。
如果门开通时仍未结束，那么此过程再次重复。
斜率累加器用于补偿振荡器温度特性的非线性，以产生高分辨率的温度测量。
通过改变温度每升高一度计数器必须经历的计数个数，来实行补偿。
因此为了获得所需的分辨率，计数器的数值以及在给定温度处每一摄氏度的计数个数（斜率累加器的值）都必须事先知道。
当DS18B20接收到温度转换命令之后，开始启动转换。
转化完成后的温度值以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。
单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在前，高位在后，数据格式以0.625℃/LSB形式表示。
温度值格式如表3-4所示：
当符号位S=0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制数转化为十进制数；
当符号为S=1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算其对应的十进制数。
表3-5说明了输出数据与测量温度的关系[8]：
表3-4温度值格式表
Bit7
Bit6
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
23
22
21
20
2-1
2-2
2-3
2-4
Bit15
Bit14
Bit13
Bit12
Bit11
Bit10
Bit9
Bit8
S
26
25
24
表3-5模数转换对应值
温度
数字输出（二进制）
十六进制表示
125℃
0000001111010000
07D0H
85℃
0000010101010000
0550
25.0625℃
0000000110010001
0191H
10.125℃
0000000010100010
00A2H
0.5℃
0000000000001000
0008H
0℃
0000000000000000
0000H
-0.5℃
1111111111111000
FFF8H
-10.125℃
1111111101011110
FF5EH
-25.0625℃
1111111001101111
FE5FH
-55℃
1111111110010010
FC90H
DS18B20完成温度转换后，把测得的温度值与RAM中的TH和TL内容作比较，若T>
TH或T<
TL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发的报警搜索命令作出响应，因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。
4）CRC的产生
总线上的主机可以根据ROM的前56位计算出CRC的值，并把它与存贮在DS18B20内的CRC值进行比较，以判断ROM的数据是否已被主机正确地接收。
CRC的等效多项式函数为：
CRC=x8+x5+x4+1
DS18B20也利用与上述相同的多项式函数，产生一个8位CRC值并把此值提供给总线的主机，以确认数据字节的传送。
在使用CRC来确认数据传送的每一种情况中，总线主机必须使用上面给出的多项式函数计算CRC的值，并把计算所得的值或者与DS18B20中的8位CRC值比较，或者与DS18B20中计算得到的8位CRC值比较。
CRC值的比较和是否继续操作都由总线主机来决定。
当存储在DS18B20内或由DS18B20计算得到的CRC值与总线主机产生的值不相符合时，在DS18B20内没有电路来阻止命令序列的继续执行。
总线CRC可以使用如图3-4所示的一个移位寄存器和异或（XOR）门组成的多项式产生器来产生。
图3-4单线CRC编码
3.2单片机介绍
目前，单片机的种类很多，MCS-518位单片机系列、MCS-9616位单片机系列，还出现了32位单片机。
位数越高，运算速度越快。
由于Intel公司的这种MCS系列的经典体系结构、极好的兼容性和其最彻底的技术开放政策，许多电器商、半导体商（如：
ATMEL,PHLIPS,ANANOGDEVICES,DALLAS等）以MCS系列单片机的基本内核为内核开发了众多芯片。
其中，以MCS-51系列系统结构为核心的单片机更是品种繁多，统称为8051和80C51（CHMOS工艺）。
本系统在数据处理上速度要求不是很高，8位单片机即可。
因此，选用MCS-51系列单片机。
考虑到功耗问题（如：
8051功耗为630mw，而80C51为120mw），本系统选用CHMOS工艺的芯片。
又因本系统需要处理数量较大的数据，程序占用空间也较大，而对定时器计数器和中断源的数量要求不多。
结合现有的单片机开发系统（伟福仿真器E6000），本系统选用80C51系列单片机。
下面对I/O并行口进行说明：
P0口：
P0口是一个漏极开路的8位双向I/O端口，每位能驱动8个LS型TTL负载。
共有8条引脚，有两种不同功能。
第一种是8031不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，用于传送CPU的输入输出数据。
这时，输出数据可以得到锁存，不需要外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性：
第二种是8031
升级会员 