课程设计之基于51单片机的数字温度计设计.docx

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课程设计之基于51单片机的数字温度计设计

摘要

温度作为一个常用的物理量在我们的气场生活中起着十分重要的作用，所以对温度计的设计也十分必要。

在此介绍一种智能数字温度计，这种温度计有许多优点，并且它的应用范围非常广泛。

它的主要元件是：

控制器—AT89C2051、温度传感器—DS18B20、数码管—LED和三极管—9012，所以这种温度计不仅设计起来简单并且轻便、便宜，总体来说这种温度计的性价比是很高的。

它的主要原理是利用DS18B20可以很好的转换温度值，并且直接显示温度值，它的性能优于传统的感温元件并且省去了A\D、和模拟开关的设计。

此外AT89C2051体积小并且还可以直接驱动LED，这样大大化简了设计的难度并且降低了成本。

【关键词】智能数字温度计温度

Abstract

Thetemperaturetookacommonlyusedphysicalquantityisplayingtheextremelyvitalroleinoursgasfieldlife,thereforeextremelyisalsoessentialtothethermometerdesign.Inthisintroducedonekindofintelligentnumeralthermometer,thiskindofthermometerhasmanymerits,anditsapplicationscopeisextremelywidespread.Itskeyelementis:

Controller-AT89C2051,temperaturesensor-DS18B20,nixietube-LEDandtriode-9012,notonlythereforethiskindofthermometerdesignssimpleandisfacile,ischeap,generallyspeakingthiskindofthermometerperformance-to-priceratioisveryhigh.ItsmainprincipleisusesDS18B20tobepossibletheverygoodtransformationtemperaturevalue,anddemonstratesthetemperaturevaluedirectly,anditsperformancesurpassedtraditionalthebulbtoomitA\D,andtheanalogswitchdesign.Andinadditionat89C2051volumesmallalsomaydirectdriveLED,andsimplifiedthedesigndifficultytoreducethecostlikethisgreatly.

[Keyword]IntelligenceNumeralThermometerTemperature

绪论

单片机自问世以来，性能不断提高和完善，其资源又能满足很多应用场合的需要，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点，因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算器、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统。

单片机的潜力越来越被人们所重视。

特别是当前用CMOS工艺制成的各种单片机，由于功耗低，使用的温度范围大，抗干扰能力强，能满足一些特殊要求的应用场合，更加扩大了单片机的应用范围，也进一步促使单片机性能的发展。

而现在的单片机在农业上页有了很多的应用。

温度是日常生活、工业、医学、环境保护、化工、石油等领域最常用到的一个物理量。

测量温度的基本方法是使用温度计直接读取温度。

最常见到得测量温度的工具是各种各样的温度计，例如：

水银玻璃温度计，酒精温度计，热电偶或热电阻温度计等。

它们常常以刻度的形式表示温度的高低，人们必须通过读取刻度值的多少来测量温度。

利用单片机和温度传感器构成的电子式智能温度计就可以直接测量温度，得到温度的数字值，既简单方便，有直观准确。

第一章温度传感器的应用及问题

1.1引言

在日常生活及工、农业生产中经常要用到温度的检测及控制。

传统的温度测量元件有热电偶和热电阻，而热电偶和热电阻测出的一般都是电压，再转换成对应温度需要比较多的外部硬件支持，硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高。

1.2传感器

传感器是将感受到的外界信息，按照一定的规律转换成所需的有用信息的装置，它获取的信息可以是各种物理量、化学量和生物量，而转换后的信息也有各种形式。

例如：

光、温度、声、委位移、压力等物理量，可以通过传感器相互转化。

但是通常是将非电量或电量转换成易于处理和传输的电量，有些传感器的这种转换是可逆的，即输入量为电量而输出量为机械量或热工艺量等。

1.3任务与要求

1.3.1本设计课题的目的和意义

这次毕业设计的课题是数字温度测量系统的设计，首先通过调研收集数据进行产品开发，通过分析进行实时优化。

通过本次毕业设计使学生了解和掌握工程设计所应遵循的步骤和程序，毕业设计结束时，参与设计的同学应具有以下的能力：

（一）综合应用的能力。

（二）市场调研能力。

（三）应用参考文献的能力。

（四）电路设计能力。

（六）分析问题的能力。

（七）创新能力。

1.3.2设计任务及指标

1：

设计任务：

利用单片机和数字温度传感器，实现一个能精确测量并显示温度的实际应用系统，为低成本的数字温度测量系统设计提出一种新的解决方案。

并需说明设计方案的构思依据、设计思路、系统原理、设计过程及系统工作流程图。

2：

技术指标：

①系统稳定性高；

②使用四位数码管显示温度值；

③测量精度达0.1℃；

④要求系统具备复位功能；

1.4本章小结

本章主要简单介绍了温度在日常生活中的应用，传感器的定义及本课题设计的目的和意义。

第二章温度传感器的简介

2.1集成温度传感器的介绍

在工农业生产、科学研究过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。

温度是表征物体冷热程度的物理量，是工农业生产过程中一个很重要而普遍的测量参数。

温度的测量及控制对保证产品的质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。

由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位，约占50%.

温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。

不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能做温度传感器的材料相当多。

温度传感器随温度变化而引起物理参数变化的有：

膨胀、电阻、电容、热电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。

温度传感器的发展很快，种类很多，随着生产的发展，新型温度传感器还会不断的涌现。

在此我们用到的集成温度传感器。

2.2温度传感器的发展历史

人们研究温度测量的历史已相当久远，所使用的传感器也种类很多。

近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段：

传统的分立式温度传感器（含敏感元件）；模拟集成温度传感器／控制器；智能温度传感器（即数字温度传感器）。

2.2.1分立式温度传感器

传统的热电偶、热电阻、热敏电阻及半导体温度传感器，均属于分立式温度传感器，传感器本身就是一个完整的、独立的感温元件。

此类传感器通常要配温度变送器，以获得标准的模拟量（电压或电流）输出信号。

使用时还需配上二次仪表，才能完成温度测量及控制功能。

其主要缺点是外围电路比较复杂、测量精度较低、分辨率不高、需进行温度校准（例如非线性校准、温度补偿、传感器标定等），另外它们的体积较大、使用也不够方便。

因此，分立式温度传感器将逐渐被淘汰。

2.2.2模拟集成温度传感器

集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成传感器。

模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC，它属于最简单的一种集成温度传感器。

模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校难。

外围电路简单，它是目前在国内外应用员为普遍的一种集成传感器。

典型产品有AD590、AD592、TMP17、LMl35等。

2.2.3模拟集成温度控制器

模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器，典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。

某些增强型集成温度控制器（例如TC652／653）中还包含了A/D转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处，但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别。

2.2.4智能温度传感器

智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。

智能温度传感器是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶，它也是集成温度传感器领域中最具活力和发展前途的一种新产品。

目前，国际上许多著名的集成电路生产厂家己开发出上百种智能温度传感器产品。

智能温度传感器具有以下三个显著特点：

第一，能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各微控制器（MCU）；第二，能以最简方式构成高性价比、多功能的智能化温度测控系统；第三，它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。

智能温度传感器内部都包含温度传感器、AD转换器、存储器（或寄存器）和接口电路。

有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

2.2.5智能温度控制器

智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。

智能温度控制器适配备种微控制器，构成智能化温控系统：

它们还可以脱离微控制器单独工作，自行构成一个温控仪，既可以工作在连续转换模式，亦可选择单次转换模式。

智能温度传感器／控制器可广泛用于温度测控系绞、计算机及家用电器中。

2.2.6内含温度传感器的专用集成电路

值得重视的是，目前配置有温度传感器的新型专用集成电路也己问世了。

例如，美国MAXIM公司最新研制的MAXl298和MAXl299型5通道12位ADC芯片，片内就集成了精密温度传感器，在—40到85℃范围内的测温精度可达±l℃。

MAXl298／1299的内部结构及外部电路如图2—1所示。

芯片中主要包括七部分；内部温度传感器（用于测量本地温度），远程测温通道（外接2N3904型NPN晶体管，利用其发射结来测量远程温度），多路转换开关（即模拟输入转换器），12位ADC，内部基准电压源，时钟电路和3线串行接口电路。

该串行接口能与SPI总线、QSPI总线及MICROWIRE服总线兼容。

MAXl298和MAXl299具有两种输入方式：

差分输入或单端输入。

作差分输入时可构成3通道温控系统，单端输入时能构成5通道温控系统（不包括本地测温通道）。

当芯片温度或远程被测温度超过最高允许温度时，经过串行接口可输出温度越限报警信号，再通过相应的控制电路起到过热保护作用。

其模拟输入端既可接电压信号，亦可接温度传感器。

图2—1MAX1298／1299的内部结构及外部电路图

2.3智能温度传感器发展的新趋势

进入21世纪之后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。

2.3.1提高测温精度和分辨率

在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨率只能达到1℃。

日前，国外己相继推出多种高精度、高分辨率的智能温度传感器，所用的是9到12位A/D转换器，分辨率一般可达0.5到0.0625℃。

特别是由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨率智能温度传感器，采用13位A/D转换器，能够输出13位二进制数据，其分辨率高达0.03125℃，测温精度为±0.2℃，为实现精密测量温度创造了有利条件。

为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。

以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27μs、9μs。

2.3.2不断增加测试功能

新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。

例如，DSl629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。

DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的EPROM存储器，可存储用户的短信息。

DSl629则在片内集成了32字节的静态存储器（RAM）。

另外，智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。

智能温度传感器都具有多种工作模式可供选择，主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式，有的还增加了低温极限扩展模式，操作非常简便。

对某些智能温度传感器而言，主机（外部微处理器或单片机）还可通过相应的寄存器来设定其A/D转换速率（典型产品为MAX6654），分辨率及最大转换时间（典型产品为DSl624）。

智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。

典型产品有DSl620、DS1623、TCN75、LM76、MAX6625。

智能温度控制器适配各种微控制器，构成智能化温控系统：

它们还可以脱离微控制器单独工作，自行构成一个温控仪，既可以工作在连续转换模式，亦可选择单次转换模式。

2.3.3总线技术的标准化与规范化

与此同时，智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化。

目前所采用的总线主要有单线（1—Wire）总线、I2C总线、SMBμs和SPI总线。

第一种属于一线串行总线，第二、三种属于二线串行总线，第四种则为三线串行总线。

上述温度传感器作为从机，可通过专用总线接口与主机进行通信，由于它们的总线接口符合标准化、规范化设计，使用户操作起来更加简便。

2.3.4可靠性及安全性设计

传统的A／D转换器大多采用积分式或逐次比较式转换技术，其缺点是噪声容限低，抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差，分辨率较低、成本较高，线性度也不够理想。

为了提高传感器的抗干扰能力，新型智能温度传感器（例如TMP03／04、LM74、LM83）。

普遍采用了高性能的∑—?

式A/D转换器，它能以很高的采样速率和很低的采样分辨率将模拟信号转换成数字信号，再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术，来提高有效分辨率。

∑—?

式A/D转换器不仅能滤除量化噪声，而且对外因元件的精度要求低；由于采用了数字反馈方式，因此比较器的失调电压及零点漂移都不会影响温度的转换精度。

这种智能温度传感器兼有抑制串模干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。

为了避免当温控系统受到噪声干扰时出现误动作现象，在AD7416／7417/7817、LM75／76、MAX6625／6626等智能温度传感器芯片内部，都设置一个可编程的“故障排队（faultqueue）”计数器，专门用来设定允许被测温度值超过温度上、下限的次数。

仅当被测温度连续超过上限或低于下限的次数达到或超过所设定的次数n（n=1至4）时，才能触发中断端。

若故障次数不满足上述条件或故障不是连续发生的，故障计数器就复位而不会触发中断端。

这就意味着假如设定n＝3时，那么偶然受到一次或两次唤声干扰，都不会影响温控系统的正常工作。

LM76型智能温度传感器增加了温度窗口比较器，非常适合设计一个符合ACPI（AdvanceConfigurationandPowerInterface，即“先进配置与电源接口”）规范的温控系统。

这种系统具有完善的过热保护功能，可用来监控笔记本电脑和服务器中CPU及主电路的温度。

微处理器最高可承受的工作温度规定为TH，台式计算机一般为75℃，高档笔记本电脑的专用CPU可达100℃。

一旦CPU或主电路的温度超出所设定的上、下限时，INT端立即使主机产生中断，再通过电源控制器发出信号，迅速将主电源关断起到保护作用。

此外，当温度超过CPU的极限温度时，严重超温报警输出端（T_CRIT_T入）也能直接关断主电源，并且该端还可以通过独立的硬件关断电源来切断主电源，以防主电源控制失灵。

上述三重安全件保护措施已成为国际上设计温控系统的新观念。

为防止因人体静电放电（ESD）而损坏芯片，一些智能温度传感器还增加了ESD保护电路，一般可承受1000到4000V的静电放电电压。

通常是将人体等效于由100pF电容和1.2KΩ电阻串联而成的电路模型，当人体放电时，TCN75型智能温度传感器的串行接口端、中断/比较器信号输出端和地址输入端均可承受1000V的静电放电电压，LM83型智能温度传感器则可承受4000V的静电放电电压。

最新开发的智能温度传感器（例如MAX6654、LM83）还增加了传感器故障检测功能，能自动检测外部晶体管温度传感器（亦称远程传感器）的开路或短路故障。

MAX6654还具有选择“寄生阻抗抵消”（ParasiticResistanceCancellation，英文缩写为PRC）模式，能抵消远程传感器引线阻抗所引起的测温误差，即使引线阻抗达到100Ω，也不会影响测量精度。

远程传感器引线可采用普通双绞线或者带屏蔽层的双绞线。

2.3.5开发虚拟温度传感器和网络温度传感器

（1）虚拟传感器

自20世纪90年代以来，一种全新模念的“虚拟仪器”正获得愈来愈广泛的应用。

虚拟仪器（VI）是测量仪器、计算机和软件这三者的有机结合。

它将仪器硬件（例如数字采集系统、A/D、D/A装唤器、数字I/O）、计算机资源（如微处理器、存储器、显示器）、软件（如传感器标定、软面板、图形界面、数据处理、信息交换等）有机的结合起来，构成软硬结合、实虚共体的新一代电子测量仪器。

与此同时，“虚拟传感器”的概念也被人们所接受，这种传感器是基于计算机平台并且完全通过软件开发而成的。

利用软件来建立传感器模型、标定参数及标定模型，以实现最佳性能指标。

美国B﹠K公司最近已开发出一种基于软件设置的TEDS型虚拟传感器，其主要特点是每只传感器都有唯一的产品序列号并且附带一张软盘，软盘上存储着对该传感器进行标定的有关数据。

使用时，传感器通过数据采集接垒计算机，首先从计算机输入该传感器的产品序列号，再从软盘上读出有关数据，然后自动完成对传感器的检查、传感器参数的读取，传感器设置和记录工作。

此外，专供开发虚拟传感器产品的软件工具也已经面市了。

这样在以后的产品设计过程中对元件选择可以均衡各种性能的要求来决定。

（2）网络温度传感器

网络温度传感器是包含数据传感器、网络接口和处理单元的新一代智能传感器。

这里讲的网络已经不限于传感器总线，还应包括现场总线、局域网和因特网。

数字传感器首先将被测温度转换成数字量，在传送给微控制器作数据处理，最后将测量结果传输给网络，以便实现各传感器之间、传感器与执行器之间，传感器与系统之间的数据交换及资源共享。

一个分布式智能温度传感器系统是通过网络将每个传感器节点、控制节点和中央控制器联系起来的。

其中传感器节点用来实现温度测量并将数据传输给网络上的其它节点。

控制节点则根据从网络读取的温度数据来确定合适的控制方式。

以满足对温度控制的需要。

传感器节点和控制节点不仅互相独立，节点的数量可根据实际需要而定，而且能做到“即插即用”（Plug﹠Play）,在更换传感器节点时，也无需对传感器进行标定和校准，这样就极大的方便了用户。

2.3.6研制单片测温系统

单片系统（SystemOnChip）是21世纪一项新科技产品，它是在芯片上集成一个系统或子系统，其集成度将高达10的八次方到十的九次方元件/片，这将给IC产业及IC应用带来划时代的进步。

最近，ADI公司已在单片系统芯片的研究上取得了突破性进展，开发出精密数据采集系统级芯片（SOC）。

它把微控制器051/8052、高精度数—模/模数转换器（DAC/ADC），闪速存储器（FlashMemory）、随机存取存储器（RAM）及通信电路等集成单一芯片上，可广泛用于工业控制。

仪器仪表和通信等领域。

2.4本章小结

本章主要叙述了传感器的发展历史和智能温度传感器的发展趋势。

第三章智能温度传感器与单片机

3.1智能温度传感器的产品分类

智能温度传感器采用了数字化技术，能以数据形式输出被测温度值。

其测温误差小、分辨率高、抗干扰能力强、能远程传输数据、用户可设定上、下限，具有越限自动报警功能并且带串行总线接口，适配各种微控制器。

按照串行总线划分有单线总线（1—Wire）、二线总线（含SMBUS、I2C总线）三线总线（含SPI总线）几种类型。

典型产品有DS18B20（单线总线）、LM75（I2C总线）和LM75（SPI总线）。

多通道智能温度传感器除具有内置温度传感器之外，还专门增加了若干个远程测温通道，通过在总线上接多片同种型号的芯片，很容易将通道扩展到几十路，这就为研制多路温度测控系统创造了便利条件。

多通道智能温度传感器的典型产品有MAX1668、AD7417、AD7817、MAX1805和LM83。

3.2智能温度传感器典型产品的技术指标

智能温度传感器典型产品的技术指标，详见表3—1

表3-1智能温度传感器典型产品的技术指标

3.3单片机AT89C2051的简介

单片机AT89C2051具有低电压供电和小体积等特点,两个端口刚好满足电路系统的设计需要,很适合便携式产品的设计使用,系统可用二节电池供电.AT89C2051提供如下的标准功能：

2KB闪速存贮器，128B内部RAM，15根I/O口引线，两个16位定时器/计数器，一个五向量两极中断结构，一个全双工串行口，一个精密模拟比较器以及片内振荡器和时钟电路。

此外，AT89C2051采用可降到0频率的静态逻辑操作设计，并支持两种可选的软件节电工作方式，即空闲方式和掉电方式。

在空闲方式下，CPU停止工作，但允许内部RAM、定时器、计数器、串行口和中断系统继续工作。

在掉电方式下，保存RAM的内容，但振荡器停止工作，并禁止所有其部件工作，直到下一个复位。

AT89C51的结构框与AT89C51类似。

现将AT89C51的主要特性归纳如下：

·和MCS—51产品兼容。

·2KB可重编程闪速存储器。

·耐久性：

1000次写/擦除周期。

·2.7—6V的工作范围。

·全静态操作：

0Hz—24MHz。

·128字节内部RAM。

3.4单片机AT89C2051的引脚图

图3-2单片机AT89C2051引脚图

3.5本章小结

本章主要讲述了智能温度传感器典型产品及其指标，单片机的的简介和引脚图。

第四章DS18B20数字温度计

4.1DS18B20温度传感器的性能特点

DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，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。

DS18B20的性能特点如下：

●独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；

●多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；

●无须外部器件；

●可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5Ｖ；