数字式温度计的设计.docx

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数字式温度计的设计

设计三数字式温度计的设计与制作

一、目的和要求

1.目的

（1）通过本次综合设计，进一步了解智能传感与检测技术的基本原理、智能检测系统的建立和智能检测系统的设计过程。

（2）学生设计制作出数字式温度计，提高学生有关工程系统的程序设计能力，。

（3）进一步熟悉掌握单片机技术、c语言、汇编语言等以及在智能检测设计中的应用。

2.要求

（1）充分理解设计内容，并独立完成综合设计报告。

（2）综合设计报告要求：

综合设计题目，综合设计具体内容及实现功能，结果分析、收获或不足，程序清单，参考资料。

二、实验设备及条件

热电偶

Easypro编程软件

热电偶或智能传感器DS18B20

Keilc安装盘

PC机、剥线钳、面包板、镊子、导线、电源、示波器、万用表、频率计

单片机及其外围电路所需元器件

烙铁、焊接板等焊接工具

万用表

电源

TEKTRONIXTDS100260MHZ示波器

三、实验原理、内容

本实验培养学生了解便携式数字仪表的制作，数字式显示仪表是一种以十进制数形式显示被测量值的仪表，与模拟式的显示仪表相比较，数字显示仪表具有读数直观方便，无读数误差准确度高，响应速度快，易于和计算机联机进行数据处理等优点。

数字式显示仪表的基本构成方式如下，图中各基本单元可以根据需要进行组合，以构成不同用途的数字式显示仪表。

将其中一个或几个电路制成专用功能模块电路，若干个模块组装起来，即可以制成一台完整的数字式显示仪表。

其核心部件是模拟/数字转换器，可以将输入的模拟信号转换成数字信号，以A/D转换器为中心，可将显示仪表内部分为模拟和数字两大部分。

仪表的模拟部分一般设有信号转换和放大电路，模拟切换开关等环节。

信号转换电路和放大电路的作用是将来自各种传感器或变换器的被测信号转换成一定范围内的电压值并放大到一定幅值，以供后续电路处理。

仪表的数字部分一般由计数器，译码器，时钟脉冲发生器，驱动显示电路以逻辑控制电路等组成。

经放大后的模拟信号由A/D转换器转换成相应的数字量后，译码，驱动，送到显示器件去进行数字显示。

还设有标度变换和线性化电路。

标度变换电路用于对信号进行量纲换算，将仪表显示的数字量和被测的物理量统一起来。

而线性化电路的作用是为了克服某些传感器（如热电偶，热电阻等）的非线性特性，使显示仪表输出的数字量与被测参数间保持良好的线性关系。

这两个环节的功能既可以在数字仪表的模拟部分实现，也可以在数字部分实现，还可以用软件来实现。

数字温度测试仪有许多种，其温度信号的敏感元件也有许多种，如：

半导体热敏电阻、金属热电阻、集成温度传感器、热电偶等。

前几种热敏元件测温范围比较窄，一般在负几十度至正几XX左右，测温范围比较大的一般使用热电偶作为敏感元件，尤其是在高温测量的情况下，用热电偶作为敏感元件是一个比较理想的选择，目前市场上出售的热电偶最高温度可达2800C。

这是使用热电偶测温的优点之一。

使用热电偶测温的另一个优点是，它可以直接将敏感到的温度信号转化成热电势，易于信号的获取和处理。

基于实验室条件限制，数字仪表的传感器采用温度传感器，热电偶或智能传感器DS18B20，了解其工作原理及应用，包括其信号的获取和处理；采用微处理器技术设计和制作基于DS18B20的数字温度计用于巩固学生所学的智能传感器理论和方法；研究数据融合技术，包括基于知识型专家系统的原理，采用微处理器技术设计和制作智能体温计，应用于医院的发烧门诊，实现根据病人的当前体温特征快速诊断病人疾病和疾病的分类，同时巩固学生所学的智能传感器理论和方法，着重于培养智能检测系统的设计构想、实际方案和实验方法，培养和建立智能系统概念。

热电偶和智能温度传感器见教材章节。

数据融合及方法

多传感器数据融合的原理是充分利用不同时间与空间的多个传感器资源，采用计算机技术对按时序获得的多传感器观测信息在一定准则下加以分析、综合、支配和使用，获得对被测对象的一致性解释和描述，以完成所需的决策和估计任务，使系统获得比它的各组成部分更优越的性能，可见从融合方式上，数据融合可以分为时间融合、空间融合，在本系统运用了空间和时间融合，即先在同一时间对各传感器的观测值进行融合，得出各个不同时间的目标位置估计，然后进行时间融合得出最终状态空间融合，包括采用参数估计理论；时间融合可采用模糊理论以及基于知识的专家系统。

数据融合所用到的各种检测、分类与识别算法的分类情况如图3所示。

主要分为基于物理模型的算法、基于特征推理技术的算法和基于知识的算法。

在最近几年中，又发展了基于现代数学模型的数据融合方法，主要包括随机集合理论、条件代数、相关事件代数等。

随机集合理论处理的随机变量为集合，而不是传统的随机变量。

Goodman等人运用随机集合理论将多传感器多目标估计问题转换成单传感器单目标估计问题，还应用随机集合理论把模糊证据（例如用自然语言描述的报表和规则）引入到多传感器多目标估计问题中，同时还应用该理论把不同的专家系统模型（例如模糊逻辑和基于规则的推理逻辑）引入到多传感器多目标估计问题中。

1.基于知识型专家系统的数据融合

2.分布式自适应动态数据融合方法

设被测对象由N个智能传感器组成的多传感器共同测量，各个智能传感器具有独立的测量、运算和存储能力，传感器向数据处理中心实时发送实测数据，系统融合的过程如下：

（1）网络中N个智能传感器分别对目标进行测量，得到测量向量值；

（2）系统数据处理中心得到N组测量值，根据外部定义的各传感器测量精度确定各结点测量数据范围；

（3）根据所确定的各传感器测量数据范围，以“表决”方式判别是否存在故障传感器，如有则将该传感器对应得测量数据范围剔出；

（4）由“表决”后处于正常工作状态的传感器测量数据范围推导包含正确测量值的最优范围；

（5）由最优范围中选取本智能传感器的融合结果；

（6）综合N个智能传感器的融合结果得出最终的融合结果。

在以上测量中，系统测量数据范围的推导，首先根据各智能传感器的测量值及其测量误差推算测量数据范围，用户还可以根据环境因素的变化实时改变误差范围，以进一步满足动态测量的需求。

系统数据处理中心根据接收到各智能传感器传递的测量数值并确定各数据范围后，将进一步推导包含正确测量值的最优范围，由此得出以下结论：

正确测量值必然包含在各正常传感器的测量数据范围交集内；测量范围与大部分传感器不相交的传感器为故障传感器。

求解包含正确测量值的最优范围步骤为：

将N组数值范围以升序排列，依次将排序后各上界与当前上界比较，若该值大于当前上界，则当前上界不变；若该上界小于当前上界大于当前下界，则将该上界定义为当前上界；若该上界小于当前下界，则对应传感器为故障传感器。

若故障传感器的数量超过传感器总数的一半，则原序列的第一组数值对应的传感器为故障传感器，将其剔出后再次重复以上过程直至故障传感器的数量低于传感器总数的一半。

最后，用各纬度最优范围与各传感器测量范围交集的大小作为权重（交集越大则该传感器所测得数值的置信度越高），将加权平均值作为系统的融合结果，即

基于知识的系统是将规则或知名的专家知识结合起来实现自动对目标的识别。

当人工推理由于某种原因不能进行时，专家系统可以运用专家的知识进行辅助推理。

基于计算机的专家系统一般包括以下4个逻辑部分：

①一个知识库，包括基本事实、算法和启发式规则等；②一个大型的包含动态数据的全局数据库；③一个控制结构或推理机制；④人机界面。

由推理机制运用数据、事实和规则在知识库中进行搜索，最后得出推理结果。

以上计算过程完成了智能传感器的局部融合结果。

为了减少计算量，在保证融合精度的前提下，各智能传感器局部融合结果的算术平均值可作为最终融合结果。

3.基于多点温度传感器的数据融合方案

多点温度测量系统如图5所示，可采用一个、两个、三个等温度传感器测量被测对象的不同的温度采用点的当前温度值，该系统的工作原理是二、三个DS18B20分布在不同位置用来感受被测对象不同位置的温度，然后经单片机处理，主要是数据融合的方法对不同位置的传感器温度数据进行空间数据融合，获得有关温度的一致性测量结果，对这些测量结果在显示电路实时显示。

四、实验步骤及方法

1）基于E2ROM的数字温度仪表

系统设计：

基于热电偶的数字温度测试仪的设计方案如图6所示。

图6数字温度仪的设计方案方框图

系统的工作过程如下：

当选用K型热电偶测温时，若被测温度经过热电偶和数字温度补偿器后的热电势为20.636mv，经过放大器的K型倍数放大后的A/D输入电压为0.394V，那么A/D转换器的输出读数为：

N=Ux/UR*2000=0.394/2*2000=394

A/D转换器输出的BCD码是001110010100，直接用BCD码去寻址，然后EEPROM将该单元的BCD码输出到相应的4511上，它将输入BCD码转换成七段输出，直接驱动共阴极型七段数码管，进行读数显示。

当选用E型热电偶测温时，若被测温度经过热电偶和数字温度补偿器后的热电势为27.452mv，经过放大器的E型倍数放大后的A/D输入电压为0.450V，那么A/D转换器的输出读数为：

N=Ux/UR*2000=0.450/2*2000=450

A/D转换器输出的BCD码是010001010000，直接用BCD码去寻址，然后EEPROM将该单元的BCD码输出到相应的4511上，它将输入BCD码转换成七段输出，直接驱动共阴极型七段数码管，进行读数显示。

可以用上述方法编制出K型和E型的分度表格，其它的测量参数表格的编制方法与这种表格方式类同。

被测信号与信号转换：

采用K型和E型两种热电偶采集温度信号，温度源使用烘箱。

放大电路：

采用ICL7650作为放大器，它具有极低的输入失调电压，温漂、时漂也较低。

A/D转换器：

采用MC14433作为A/D转换器，它的转换速度和转换精度非常适用于温度测量系统。

线性补偿：

利用查询EEPROM的非线性补偿方法，可以将非线性补偿和标度变换一起完成，简化电路设计。

计数译码：

整个系统的工作频率由A/D转换器时钟电路决定，在段码转换时采用了4511七段码转换芯片。

数字显示与数码输出：

最终的温度值显示使用LED数码管输出，也可以将其输入计算机中做进一步运算处理。

硬件电路设计：

本设计在全局上是采用集成电路芯片组建的模拟/数字混合电路系统，这些芯片都是市场上常见的芯片，而且价格适中，主要是根据实验要求进行选购，使用的集成电路芯片有：

（1）热电偶：

K型（镍铬-镍硅）和E型（镍铬-铜镍）两种型号热电偶

（2）前置放大器：

ICL7650CMOS斩波稳零单片集成运算放大器

（3）A/D转换器：

MC144333.5位双积分型A/D转换器

（4）锁存器：

74系列的74LS373

（5）EEPROM线性化器：

MC28C64

（6）七段数码管转换器：

BCD码到七段码转换器4511

开发环境如下：

（1）PC机一台

（2）示波器一台

（3）万用表一个

（4）频率计一个

（5）高精度电源一台

（6）面包板一块

（7）剥线钳，镊子各一个

（8）导线，不同阻值电阻若干

热电偶微弱电压信号的提取与放大：

热电偶输出的热电势信号，其大小只有毫伏级，不能做为后续电路的输入信号，必须进入前置放大器进行信号放大。

因此选用ICL7650作为放大器，它具有极低的输入失调电压（典型值为1uV），失调电压的温漂和时漂也极低，分别为0.01V/C和3.33nV/d。

也可选用OP-07超低失调运算放大器作为前置放大器，但是失调电压比ICL7650要大，因此，本方案采用ICL7650作为放大器。

ICL7650的使用方法比较简单，它和其他的运算放大器的使用方法类似，为了更好得起到放大的作用，需要对该芯片有一个电容补偿元件，电容的型号为104即可，ICL7650的芯片资料如下面所示：

Cextb：

外接电容1

Cexta：

外接电容2

-Input：

反向输入端

+Input：

同向输入端

V-：

负电源端

Cretn：

外接电容的公共端

Output：

输出端

V+：

正电源端

Int/clk：

时钟输出端

Ext/clk：

时钟输入端

图7ICL7650

为了更好的抑制共模输入，在运放的输入方式上选择同向输入，放大倍数是这样考虑的，K型热电偶的测温范围定在0到1299℃，E型热电偶的测温范围定在0到799℃，然后将微弱的毫伏电压放大到0到1伏的范围，用于后面的A/D转换环节。

那么运放的放大倍数如下：

A=1+R2/R1

选用镍铬—镍硅（分度号为K）的热电偶，要求测量范围为0～1299℃，满度1299℃时的热电势值为51.612mV，前置放大器的放大倍数A应为

A1=A-1=1000/51.612-1=18.4

若选用镍铬—铜镍（分度号为E）的热电偶，要求测量范围为0～799℃，满度799℃时的热电势值为59.825mV，放大器的放大倍数A1应为

A1=A-1=1000/59.825-1=15.7

本数字仪表选用两种型号的热电偶测温，则可通过切换开关改变放大器的放大倍数，使之满度时的放大器输出为1V。

A/D转换的选用与设计：

考虑到本设计属于是一定范围内的温度测量系统，温度变化过程比较平稳，不需要高速的A/D变换器，所以采用3.5位的双积分型的A/D转换器MC14433。

MC14433是美国Motorola公司推出的单片3.5位A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。

具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容元件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：

（1）精度：

读数的±0.05%±1字

（2）模拟电压输入量程：

1.999V和199.9mV两档

（3）转换速率：

2-25次/S

（4）输入阻抗：

大于1000MΩ

（5）电源电压：

±4.8V～±8V

（6）功耗：

8mW（±5V电源电压时，典型值）

（7）采用字位动态扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD码分时在Q0—Q3轮流输出，同时在DS1—DS4端

输出同步字位选通脉冲，很方便实现LED的动态显示。

（8）MC14433最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的A/D转换接口。

Pin1（VAG）—模拟地，为高阻输入端，被测电压和基准电压的接入地。

Pin2（VR）—基准电压，此引脚为外接基准电压的输入端。

MC14433只要一个正基准电压即可测量正、负极性的电压。

此外，VR端只要加上一个大于5个时钟周期的负脉冲（VR），就能够复为至转换周期的起始点。

Pin3（Vx）—被测电压的输入端，MC14433属于双积分型A/D转换器，因而被测电压与基准电压有以下关系：

输出读数＝Vx/VR*1999因此，满量程的Vx=VR。

当满量程选为1.999V。

VR可取2.000V，而当满量程为199.9mV时，VR取200.0mV，在实际的应用电路中，根据需要，VR值可在200mV—2.000V之间选取。

Pin4-Pin6（R1/C1，C1）—外接积分元件端,次三个引脚外接积分电阻和电容，积分

电容一般选0.1uF聚脂薄膜电容，如果需每秒转换4次，时钟频率选为66kHz，在

2.000V满量程时，电阻R1约为470kΩ，而满量程为200mV时，R1取27kΩ。

Pin7-Pin8（C01C02）—外接失调补偿电容端，电容一般也选0.1uF聚脂薄模电容。

Pin9（DU）—更新显示控制端，此引脚用来控制转换结果的输出。

如果在积分器反向积分周期之前，DU端输入一个正跳变脉冲，该转换周期所得到的结果将被送入输出锁存器，经多路开关选择后输出。

否则继续输出上一个转换周期所测量的数据。

这个作用可用于保存测量数据，若不需要保存数据而是直接输出测量数据，将DU端与EOC引脚直接短接即可。

Pin10、Pin11（CLK1、CLK0）—时钟外接元件端，MC14433内置了时钟振荡电路，对时钟频率要求不高的场合，可选择一个电阻即可设定时钟频率，时钟频率为66kHz时，外接电阻取300kΩ即可。

Pin12（Vee）—负电源端Vee，是整个电路的电压最低点，此引脚的电流约为0.8mA，驱动电流并不流经此引脚，故对提供此负电压的电源供给电流要求不高。

Pin13（Vss）—数字电路的负电源引脚。

Vss工作电压范围为VDD-5V≥Vss≥VEE。

除CLK0外，所有输出端均以Vss为低电平基准。

Pin14（EOC）—转换周期结束标志位。

每个转换周期结束时，EOC将输出一个正脉冲信号。

Pin15（OR）—过量程标志位，当|Vx|>VREF时，OR输出为低电平。

Pin16、17、18、19（DS4、DS3、DS2、DS1）—多路选通脉冲输出端。

DS1、DS2、DS3和DS4分别对应千位、百位、十位、个位选通信号。

当某一位信号有效（高电平）时，所对应的数据从Q0、Q1、Q2和Q3输出，两个选通脉冲之间的间隔为2个时钟周期，以保证数据有充分的稳定时间。

Pin20、21、22、23（Q0、Q1、Q2、Q3）—BCD码数据输出端。

该A/D转换器以BCD码的方式输出，通过多路开关分时选通输出个位、十位、百位和千位的BCD数据。

同时在DS1期间输出的千位BCD码，还包含过量程、欠量程和极性标志信息。

Pin24（VDD）—正电源电压端。

MC14433最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的A/D转换接口。

至此，已经将温度信号放大并转换成数字信号。

地址锁存器：

MC14433A/D转换结果采用BCD码动态扫描输出，因此每位数字要增加一个四位的锁存器74LS373，把经过多路组合的数据分离出来，并寄存在相应的锁存器内，由MC14433的多路调制选通脉冲DS4，DS3，DS2控制Q0，Q1，Q2，Q3BCD码三位数据的输出，经个位，十位和百位锁存器锁存，输出个，十，百三位BCD码，在下一步中，以这十二位BCD码作为EEPROM的地址线，对其进行寻址。

在最初设计中，EEPROM的寻址应该使用二进制码进行，但是由于BCD码到二进制码的转换芯片已经停产，所以直接用BCD码做为EEPROM的地址线，所以，就要在相应的存储单元存储相应的温度值。

控制线转换的频率是由A/D转换芯片的频率决定的，通过选定外围电路的电阻值来控制频率的高低，在地址锁存的时候本应该在控制信号到来时传输数据的，由于我将A/D转换的频率设置在70赫兹，这样在后续电路显示的时候，人眼是分辨不出来的。

EEPROM线性化器：

A／D转换器的输出作为地址码访问EEPROM时，EEPROM存放的表格内容将被取出，送入显示器以显示被测的温度。

表格的编制方法如下：

首先根据热电偶的E～t特性曲线，在E坐标上进行有限等分。

K型的镍铬—镍硅热电偶用于测量0～1299℃。

设量化单位为q。

E～t的量化曲线如图4-3所示。

这种线性化的精度取决于划分的程度，划分得越细，越多，则精度越高，不过还取决于实际电路所能达到的程度，也就是芯片的分辨率，A/D转换的分辨率越高，就可以分的越高，这样也就跟热电偶分度表的真实性越接近。

线性化的结果是在一定程度上模拟热电偶的分度表曲线，但不是完全符合，而是允许在一定的误差范围之内。

这样做，可以在不搭建复杂模拟电路系统的情况下，实现对热电偶的非线性特性补偿。

此种做法的不足之处是，在计算新的分度表时，过程较繁琐，但相对于复杂的模拟电路来说，还是有很大改进的。

显然，A／D转换器的量化误差是与量化单位q、输入函数x（t）有关。

以K分度号热电偶表格编制方法为例加以说明，温度测量范围0至1299℃，1299℃时的热电势查表为51.612mV。

0～1299℃内平均热电势为0.0516mV／℃，即量化单位q＝0.0516mV。

当温度为0℃时，热电势为0.000mV，A／D转换器输出地址（16进制，下同）为0000，EEPROM内写入000.0数。

经过这种线性化的补偿方法，可以把热电偶的温度特性曲线进行拟合，拟合的结果如图4-4所示：

K型热电偶的温度特性曲线是非线性的，为了在数字转换部分使电路简化，就应当在这里对非线性进行补偿，从它的温度特性曲线可以看出，采用通常的折线法或是最小二乘法都可以，不过就加大了计算的复杂程度，而且在后续的A/D转换时就要采用高性能，多通道的器件，也就增加了整个设计的经济成本，为此，采用了这种借助线性化辅助曲线的方法，详述如下：

首先将K型热电偶在1299℃时其转换电压是51.612mv，将其分成一千份，那么其最小分度就是q＝0.0561mv，分得越小，其精度越高，不过要受后续器件的精度影响。

其次，在热电偶的温度特性表上每隔10℃找一个参考点，它的作用在于使线性化补偿之后的拟合曲线始终在原温度曲线附近，不会偏差太多，也可以选择20℃，或更高，参考点相距越近，测量精度就越高。

最后，在测量的时候，将实际测量的转换电压与特性表中的参考点比较，这里以向下寻找为标准，找到一个和实际电压最接近的一个参考点，这时，就以改参考点为基准温度值，然后计算出二者的电压差，在将该电压差除以最小分度q，得出一个在10℃之内的温度值，最终显示温度为：

最终显示温度＝参考点基准温度＋附加温度值

按照这种方法制作EPPROM内的温度表格，这样把主要的精力用在寻找非线性补偿的方法上，简化了电路的设计，只需把计算出的温度表格输入到存储器中即可，而且这种利用线性化辅助曲线进行非线性补偿的方法，计算简单，易行，精度高（根据参考点和最小分度值的选取），分辨率高，不仅适用于温度补偿系统还可以在近似的情况中应用。

只要后续转化器件的精度高，就允许将参考点选取的更近，将最小分度值选取的更小。

测量结果就更接近实际温度值。

LED显示部分：

从EEPROM线性化器读出的数分别送到四个七段码的译码器之中，从里面送出的数码是BCD码，然后把BCD数码通过4511转换为七段码，若采用的是共阴极的数码管，可以直接把4511的输出接到数码管的限流电阻上，然后接到七段码上，但通常使用的是共阳极的数码管，这时就需要把4511输出的七段码经过非门74HC04做一下反向，然后再通过限流电阻接到七段码上，限流电阻一般可以根据具体情况来选择，这里选择240欧姆的阻值。

在此采用的是静态显示方法，没有采用动态显示,所以将所有的数码管的选通管脚都接到高电平，虽然比较耗费电源，但是没有加入动态显示部分，节省了一部分成本。

从理论分析到设计实现大约需要3个星期的时间。

其性能可以达到测量温度范围：

0℃～+800℃，0℃～+1300℃测量精度：

0.5℃（0℃～+500℃），1℃（500℃～+1300℃）外形尺寸：

可以根据不同使用环境定制。

采用的设计芯片均属于常见芯片，在市场上都可以买到，而且价格适中，成本较低，批量生产后，成本可进一步下降，适用范围广，使用简单，将其制成电路板后，携带方便，测量精度高，易于推广。

将热电偶与非线性补偿方法结合，二者成熟度很高，热电偶在实际应用中非常广泛，久经实际考验。

非线性补偿的方法弥补了热电偶温度特性的非线性缺点，有很大的应用价值。

用线性化辅助曲线进行非线性补偿，并用查询固化在EEPROM里的校正值的非线性补偿方法，提供了一种新的非线性补偿用的电路设计途径。

这种校正方法的最大特点是对测温传感器的全量程实现线性化校正，因而具有较高的校正精确度。

被测变量与传感器输出电压之间没有确定的关系式，而只能利用实测数据，此时，这种查表法就更显示其优越性。

EEPROM校正方法不仅适合于热电偶、热电阻等测温传感器的非线性补偿，也适用于其他方面的非线性补偿。

该法不仅实现了全量程的非线性补偿，而且