温度测量显示电路设计.doc

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第一章概述

1.1设计内容

以设计为主完成一个温度范围为0-50℃的温度测量显示电路的设计与制作。

1、主要设计内容：

（1）系统原理框图设计与分析（包括传感器的选择与确定）。

（2）系统方案设计、比较及选定（给出两种以上的方案比较）。

（3）系统原理图设计（包含测量电路、放大电路、A/D转换及显示电 路等）。

（4）确定原理图中元器件参数（给出测量电路、放大电路计算公式 与数据）。

2、运用protel软件绘出系统原理电路图（鼓励能完成印刷电路板图 的绘制）。

1.2设计要求

1）确定并分析系统设计要求；

2）进行系统的方案设计；

3）要绘制原理框图，绘制原理电路

4）要有必要的计算及元件选择说明

5）如果采用单片机，必需绘制软件流程图

6）写说明书

7）答辩

所设计的方案能满足题目要求并实现相应的功能，所编写的设计说明书应语句通顺，用词准确，层次清楚，条理分明，重点突出。

第2章硬件电路设计

2.1传感器的选择与确定

2.1.1方案一：

热敏电阻

该方案采用热敏电阻，热敏电阻价格比较便宜、灵敏度比较好，在实际应用的时候线性度较差，另外调试比较困难。

不适合使用。

故不使用热敏电阻。

2.2.2方案二：

AD590

该方案采用AD590。

AD590拥有良好的线性关系，灵敏度较高、使用简单方便。

但是这种传感器的价格比其他的两种都贵很多。

故不选用。

2.2.3方案三：

DS18B20数字温度传感器

DS18B20是美国DALLAS半导体公司智能温度传感器，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。

他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面拥有很大优势，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。

经过上述三种方案的论证比较，综合考虑成本、性能等因素，最终选取方案三。

2.2系统方案的设计

2.2.1方案一

该方案利用AVR单片机对输入信号进行模数转换输出数字信号控制数码管显示温度值。

并且可以通过编写程序对输入信号进行分段线性化处理，使得测量精度大大提高，而且该电路无须外接译码器，结构简单。

工作框图如图2.2.1图所示：

负温度系数热敏电阻

数码管显示

ATmega8AVR单片机

A/D线性化译码的显示

电压

电桥放大电路

电阻

编码

图2.2.1AVR单片机系统框图

2.2.2方案二

该方案以AT89S52为控制器，采用DS18B20温度传感器检测温度信号，利用红外遥控设置温度测量的上下限数值，并通过LCD液晶显示。

工作框图如图2.2.2所示：

AT89C52单片机

LCD液晶显示

编码

数字量

DS18B20温度传感器

调温限

红外线调控

图2.2.2AT89C52单片机系统框图

经过综合考虑，方案二成本比方案一低且测量温度方便简单，故此次数字温度计课程设计选取方案二。

第3章软件设计

本系统由温度传感器DS18B20、AT89c52、LCD液晶显示电路、软件构成。

DS18B20输出表示摄氏温度的数字量，然后用52单片机进行数据处理、译码、显示、报警等.

系统框图如下图3.0所示：

AT89C52单片机

DS18B20传感器

数码管显示

图3.0系统框图

3.1微控制器原理

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

其主要特性是与MCS-51兼容、4K字节可编程、FLASH存储器寿命1000、写/擦循环·数据保留时间：

10年、全静态工作：

0Hz-24MH、三级程序存储器锁定、128×8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路

单片机引脚图如下图3.1所示：

图3.1AT89C52引脚图

3.2DS18B20传感器原理

DS18B20是数字温度传感器，该产品采用美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

　　独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

　　测温范围－55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃。

　　支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。

　　工作电源:

3~5V/DC

　　在使用中不需要任何外围元件

　　测量结果以9~12位数字量方式串行传送

　　不锈钢保护管直径Φ6

　　适用于DN15~25,DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温

　　标准安装螺纹M10X1,M12X1.5,G1/2”任选

　　PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。

温度传感器可编程的分辨率为9~12位温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒用户可定义的非易失性温度报警设置应用范围包括恒温控制，工业系统，消费电子产品温度计，或任何热敏感系统

3.3测温原理

DS18B20低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。

当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。

计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。

减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

此外，用斜率累加器补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。

3.4温度数值分析

利用的单片机的一个IO口，读取DS18B20的温度高位，温度低位。

由上面的分析可知：

温度高位的高5位的符号位、低3位是整数部分的高四位（整数部分的最高位永远为0），温度低温的高四位为整数部分的低四位，温度地位的低四位是小数部分用以下公式计算：

整数部分＝温度低位/16＋温度高位×16

小数部分十分位＝（温度低位&0x0f）×10/16

由于DS18B30的集成度很高，使得设计的原理还是比较简单，设计的关键是了解DS18B20的时序，准确地获得温度高位和温度低位。

第4章电路制作与调试

4.1硬件制作与调试

本次设计应用Protel绘制电路原理图，生成PCB图，然后焊接电路元件，最后用程序调试系统功能。

硬件电路主要由单片机最小系统、DS18B20为核心的传感器电路、液晶显示电路、报警电路、红外遥控电路和供电电路组成。

单片机最小系统：

提供一个上电复位高电平，和12MHZ时钟振荡。

DS18B20传感器电路：

加电即可工作，DATA端加4.7K电阻作上拉电阻保证有足够大的灌拉电流。

液晶显示电路：

报警电路：

利用5V蜂鸣器作报警提示。

供电电路：

利用7805组成线性稳压电源为整个系统供电。

具体电路连接见附录SCH电路原理图，硬件接线正确，单片机能构正常工作，硬件调试成功。

4.2主程序流程图

温度显示小于0度，亮黄灯报警

温度显示大于50度，亮红灯报警

红外线远程控制，改变温度上下限值。

主程序流程图如下图4.2.1所示:

开始

读取温度

Y

黄灯报警

小于0度

N

N

Y

红灯报警

大于50度

N

改变上下温限

遥控信号

数值送显

4.2.1主程序流程图

开始

发DS18B20复位命令

发跳过ROM命令

发温度转换开始命令

结束

4.2.2DS18B20工作流程图

开始

复位DS18B20，等待大于480us

发送避开ROM信息指令，延时等待转换完成

发送转换命令，开始转换

开始读取温度，保存，发送读取指令

，

温度进制处理，化为十进制

结束

图4.2.3温度读取流程图

总结

一周的课程设计结束了，在这次的课程设计中我学到了很多东西，也检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。

看到课题的开始，不知从何入手，可是只要一步一步去做时，就会发现没有想象中的难度。

在课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．

最后谢谢我们的指导老师徐谦老师，谢谢他的指导还有同学们的合作，团队协作做出来的作品，每一部分都不可或缺，既要分工又要合作，这样才能有更佳的效果。

参考文献

[1]测控电路（第2版），张国雄，机械工业出版社.2006。

[2]模拟电子技术基础（第2版），童诗白，高等教育出版社.1988。

[3]测试技术基础（第1版），韩峰，机械工业出版社.1998。

[4]传感器原理及应用（第2版），王化祥，天津大学出版社.1999。

附录

一、程序

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