智能温度测温仪设计.docx

1、智能温度测温仪设计摘 要温度是自动控温和工业生产中的重要参数。本设计对以往的温度测量设备进行了研究,发现大多采用模拟技术进行设计,这样就不可避免地遇到诸如传感器外围电路复杂及抗干扰能力差等问题;而其中任何一环节处理不当,就会造成整体性能的下降。随着半导体技术的快速发展,特别是大规模集成电路技术的发展,智能化、集成化、数字化已成为测温器的发展趋势。通常，智能化的仪器设备都有自动零点调整和仪表的校正，因此可减小测量误差.该设计采取模块化结构，主要由数码管显示系统、温度显示处理程序、键盘扫描及按键处理程序、超温报警处理程序组成。本设计以AT89C51单片机为核心来设计温度测量系统和报警系统，温度信号

2、由温度芯片DS18B20采集，并将其转换为数字信号的形式传送至单片机。【关键词】温度传感器 、智能化 、报警系统、 DS18B20 AbstractTemperature is an important parameter in automatic temperature control and industrial production.The design of the study on the temperature measuring equipment in the past, found mostly designing with simulation technology ,wh

3、ich inevitably encounter such as sensor circuit complexity and poor anti-interference ability; and any link handled improperly, will cause a degradation in performance.With the development of semiconductor technology,especially the development of the large scale integrated circuit technology, intell

4、igent, integration digitalization has been the development trend of the temperature measuring device.Usually, intelligent equipment has automatic zero adjust-ment and correction instrument, thus can reduce the measurement error.The design uses the modular structure,mainly made up by the digital tube

5、 display system, temperature display processing program, keyboard scanning and key processing procedure, over temperature alarm handler. AT89C51 was used as the core to the design of temperature measurement system and alarm system,the temperature signal by the temperature chip DS18B20 acquisition, a

6、nd convert it to digital signal transfer form to the singlechip. 【Keywords】Temperature sensor 、 intelligent 、alarm system 、 DS18B20 一、绪论1.1 引言 随着我国社会科技和经济的不断发展，对温度的测量与控制在现代工业、农业、生活中也是运用的越来越广泛,在保证产品质量、节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。因此,能够确保快速、准确地测量温度的技术及其装置普遍受到各国的重视。近年来,利用智能化数字式温度传感器以实现温度信息的在线检测已成为温度检测技术的一种发展趋势。

7、随着电子技术的发展，将组成CPU的部件集成在一块半导体芯片上，这个具有CPU功能的大规模集成电路芯片就称之为微处理器（MPU）。微处理器的出现，推动了微型计算机的发展，同时也引起了电子设计技术领域的探到变革电子技术专业人员，使之可以把微处理器部件像其他集成电路一样嵌入到电子系统中，使电子系统具有可编程序的智能化特点，开辟了计算机技术在电子技术领域应用的广阔天地1。 将微处理器、存储器、I/O电路集成到一块半导体芯片的技术再次推动了这种嵌入式技术的发展，单片微型计算机是这种设计技术中的一个典型代表。单片机适用于测量和控制领域，它以芯片形式嵌人到电子产品或系统中起到“计算机”作用，受到电子专业技术

8、人员的青睐。单片机以其体积小、可靠性高、功能的专门化为特点。沿着与适用微处理器不同的方向发展2。它的出现和发展，标志着单片嵌入技术已经成为电子系统设计的一个重要发展方向。1.2 温度传感器的研究现状 国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的装置2。传感技术渗透到了各个领域，但他们的共性是利用物理定律和物质的物理、化学和生物特性，将非电量转换为电量。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用。传感器从功能上可分为雷达传

9、感器、电阻式传感器、电阻应变式传感器、压阻式传感器、热电阻传感器、温度传感器、光敏感测器、湿度传感器、生物传感器、位移传感器、压力感测器、超声波测距离传感器等，本文所研究的是温度传感器。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温度计种类繁多，应用范围也较广泛，大致包括以下几种： (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 : 玻璃温度计、双金属温度计、压力式温度计。 (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检测元件之一。热电偶具有结

10、构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点，因此广泛作为温度传感器的敏感元件3。 (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: 电阻测温元件、导体测温元件、陶瓷热敏元件。 (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;一种是全辐射高温计，它的原理是物体吸收热辐射后 ，视物体本身的性质，能将它吸收、透过或反射。1.3 温度传感器的发展趋势随着工业生产效率的不断提高，自动化水平与范围也不断提升，对温度测量技术的要求也不断提高，一般可以归纳以下几方面。 (1) 扩展检测范围。现在工业上通用的温度检测

11、范围为-200-30000C，而今后要求能够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IOK以下的温度检测是当前科研重点研究课题。 (2) 发展新型产品。利用老的检测技术生产出适应于不同场合、不同环境要求的新型产品，以达到用户要求。 （3）适应特殊环境的测温。在许多场合中的温度检测器有特殊要求，例如防爆、防硫、耐磨等特性要求;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。 (4) 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、无视觉误差、分辨率高、测量误差小。1.4 本课题的研究内容 在掌握传感器技术和单片机原理等教材内容和教学要求的基础上，分析

12、国内外测温状况，研究分析热电偶的测温原理、热电偶的安装使用方法以及热电偶检定，确定单片机的硬件设计，制定多功能温度测量仪器设计方案，确定硬件并写出程序蓝本。再在软件上模拟实现要求的功能，调试出结果。其主要内容如下: 1 介绍了国内外温度检测技术发展现状，以及温度检测技术的未来发展方向。 2 根据实际使用要求设计了相应的单片机系统，该系统能够实现数据采集、温度的实时显示及储存。 3 对该仪器的功能进行了初步认定，从原理和实际意义上分析了该仪器的测量误差。 4 介绍本仪器的优点及不足，并对未来的发展提出了展望。近年来,利用智能化数字式温度传感器以实现温度信息的在线检测已成为温度检测技术的一种发展趋

13、势，用户可灵活选择本设计的用途，其具有很强的开发价值。 二、设计方案及元件介绍2.1 系统方案简介方案一 测温电路的设计，可以使用热敏电阻。利用感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示器LED上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。方案二使用温度传感器，结合单片机电路设计，采用一只DS18B20温度传感器，直接读取被测温度值，之后进行转换,依次完成设计要求。传统的温度传感器多采用热敏电阻，其线性特性不是很理想，现在逐渐被新一代的温度传感器所取代。现在比较流行的性价比较高的温度传感器有AD59

14、0和DS18B20。AD590温度测量精确度高，但是线路设计复杂，需要外接A/D转换器，且编程难度大。DS18B20则电路简单，编程容易，且传输距离较远，温度测量精度和测量范围也能满足目前的系统设计要求，且价格较低。所以本设计决定选用DS18B20作为温度测量传感器，在实际设计中拟采用方案二。2.2 系统主要模块（1）温度检测模块 温度检测模块主要使用的是DS18B20为传感器。该芯片性价比很高，可达到精度11位的精度（即最小分辨率可达0.0625摄氏度），测温范围为(-55-125摄氏度)。MCU与其通信只需要一个线，使用很方便，电路连接上也是非常简单。（2)信号控制模块 AT89C51单片

15、机，是整个系统的核心文件，用来存储和控制输出温度信号。（3）液晶显示模块 显示模块主要用来显示是测得的当前的温度值，选用LED1602，该模块还配有3个按键，可设置温度控制值。2.3 主要应用元器件及介绍 该设计是以单片机AT89C51为控制核心，通过温度传感器DS18B20感受温度，实现温度测量功能并显示在LCD1602上。2.3.1 AT89C51简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高

16、且价廉的方案。本系统采用Atmel公司所生产的MCS-51系列中的AT89C51单片机作为系统主控芯片4。由AT89C51单片机构成的最小系统如图2-1所示。 图2-1 单片机最小系统 图中可以看出，AT89C51单片机在其18、19引脚外围接上了12MHz的晶振和用于提高振荡信号稳定性的两个30pf的瓷片电容。复位电路则采用了传统的按键上电复位。EA直接接高电平，先使用内部的程序存储器，如果不够再使用外部的。由于AT89C51内部具有4KB的程序存储器，完全可以满足本设计的要求，因此不需要扩展外部存储设备。2.3.2 DS18B20简介DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只

17、是得到的温度值的13位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s 减为750ms。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，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入。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，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加5。此时温度寄存器中的数值即为所测温度，其输出用于修正计数器1的预置值，DS18B20工作原理如图2-2所示，DS18B20的测温流程如图2-3示。 图2-2 DS18B20工作原理 图2-3 DS18B20的测温流程DS1820温度传感器外观如图2-4（1）引脚1接

18、地 ；（2）引脚2数字信号输入/输；（3）引脚3接高电平5V高电平 。 图2-4 DS18B202.4 LED1602显示电路设计 在单片机应用系统中，通常需要进行人机对话，这包括人对应用系统状态的干预与数据输入，以及应用系统向人们显示运行状态和运行结果等。此时，就需要使用显示器、键盘电路作为人机对话的人机通道。2.4.1 LED显示器简介 显示电路由LED显示器、段驱动电路和位驱动电路组成。由于单片机的并行口不能直接驱动LED显示器，必须采用专用的驱动电路芯片，使其产生足够大的电流，显示器才能够正常工作。LED显示器的显示控制方式分为静态显示和动态显示两种，若选择静态显示，则LED驱动器的选

19、择较为简单，只要驱动器的驱动能力与显示器电流相匹配即可，而且一般只需考虑段的驱动；动态显示则不同，由于一位数据的显示是由段和位选信号共同配合完成，因此，要同时考虑段和位的驱动能力，而且段的驱动能力决定位的驱动能力6。动态扫描显示电路的原理框如图2-5所示。图2-5 动态扫描显示电路的原理框图2.4.2 LED显示器的选择在应用系统中，设计要求不同，使用的LED显示器的位数也不同，因此生产厂家就生产了多种位数、尺寸、型号不同的LED显示器。在本设计中，选择4位一体的时钟型LED显示器，简称“4-LED”，如图2-6所示，用“：”前的2位显示“小时”的十位和个位，用“：”后的2位显示“分”的十位和

20、个位。图4.2所示是一个共阴极接法的4位时钟型LED显示器。其中管脚a、b、c、d、e、f、g为4位LED各段的公共引出端；D1、D2、D3、D4分别是每一位的共阴极输出端；dp是小数点引出端。对于这种结构的LED显示器，它的体积和结构都符合我们的设计要求，由于4位LED阴极的各段已经在内部接在一起，所以必须使用动态扫描方式。4位一体的时钟型LED显示器的内部结构是由4个单独的LED和一个“：”LED组成，每个LED的段输出管脚在内部并联后引出到器件的外部。 (A) 4位LED管脚排列图 (B) 4位LED原理图 图2-6 4-LED显示器管脚三、 硬件电路设计3.1 系统框架 智能温度测量仪

21、的硬件由单片机主机电路、复位电路、报警电路、按键、界面和显示电路组成。如图3-1所示 图3-1 系统框架图 主机电路以AT89C51单片机为核心,用来储存数据和程序,并进行一系列的运算和处理。利用按键盘可实现功能的切换,而界面则用于连接数字的显示模块、复位模块、报警模块。3.2 传感器设计3.2.1 温度传感器概述温度传感器无非就是能感受温度并转换成可用输出信号的器件。传统的温度传感器有热电阻和热电偶。热电阻是当电路正常工作时，热敏电阻温度与室温相近时电阻很小，串联在电路中不会阻碍电流通过；而当电路因而出现过电流时，热敏电阻由于发热功率增加导致温度上升，当温度超过一定温度时，电阻瞬间会剧增，回

22、路中的电流迅速减小到安全值。热敏电阻动作后，电路中电流有了大幅度的降低。由于高分子NTC热敏电阻的可设计性好，可通过改变自身的开关温度来调节其对温度的敏感，因而可同时起到过温保护和过流保护两种作用。高分子NTC热敏电阻是一种直热式、阶跃型热敏电阻，其电阻变化过程与自身的发热和散热情况有关，因而其维持电流、动作电流及动作时间受环境温度影响。面积和厚度较小的热敏电阻恢复相对较快；而面积和厚度较大的热敏电阻恢复相对较慢。热电偶也是常用的测温元件，其工作原理是当两种不同导体结合成回路时，当两种导体的连接处的两端温度不同时，就会产生一种称为热电流的电流。此时热电偶的两端就会有温差存在，显示仪表就会显示出

23、产生的热电动势。热电动势会随着温度的增大而增大。热电偶的工作参数只与材料有关，与其大小、形状等无关。因此可以根据需要，将产品做成不同的形状、大小，而不影响其性能。但其实际操作相对复杂，且测温效果不稳定。在传统的温度传感器的基础上，添加模数转换电路以及存储器件就可以形成集成式的数字温度传感器了。DS18B20是目前较为常用的数字温度传感器之一，利用它来进行温度测量，可以不必过多考虑其它参数问题及外围电路的设计，使得系统设计更为简单。3.2.2 温度采集电路设计在本设计中，为了使得温度的测量值能够体现所测环境的稳定性。设计了多个DS18B20温度传感器，进行多点测温。DS18B20和单片机的连接有

24、两种方法。一种利用DS18B20的单总线特性，在一个I/O口上连多个传感器了，这种连接方式，电路结构清楚，但是编程复杂7。在这种方式下的温度传感器DS18B20和单片机的接口电路如图3-2所示。图3-2 DS18B20和单片机的单总线多芯片接口电路 还有一种连接方式是多个DS18B20各自接一个单片机的I/O口，这种方法的好处是对DS18B20的操作之间不会受到干扰，简化了程序的书写。坏处是当DS18B20有很多个时，或者有别的元器件要占用大量的单片机I/O口时，就会显得单片机不够用。由于本设计的功能相对来说不是非常复杂，不需要额外的占用到过多的单片机引脚。因此在最终采用了后面这种连接方式。该

25、连接方式下的电路原理图如图3-3所示。图3-3 系统中DS18B20和单片机的接口电路图中可以看出，系统中8个温度传感器分别和单片机的的8个引脚连接（DQ0DQ7和P2口的8个引脚连接），由单片机分别进行数据的读取和处理。单片机和每一个传感器的连接接口上都接了阻值为4.7k的上拉电阻。3.3 报警电路 为了保证仪器运行环境，在程序中应该要设定温度上下限值，当温度超限时，系统应该具有自动报警功能。本设计的报警电路由晶体三极管和蜂鸣器组成。当温度超限时，可以通过控制三极管的基极，使其输出一定频率的矩形脉冲信号，从而使得蜂鸣器和电源有序的接通，使蜂鸣器产生振动，发出相应的音频信号，达到报警的目的。报

26、警电路如图3-4所示。图3-4单片机驱动蜂鸣器3.4 键盘电路设计（1）键盘实际就是很多按键的一种组合，按键的按下与否形成一个高低电平，主控芯片CPU通过高低电平来识别所需信号，进而使程序进行下一步的操作。键盘操作的软硬件的设计有以下几个方面的问题： 对于此设计来说我们要准确的显示我们所要对应的信息，每按一次按键要显示所要显示的信息。这按键是主要用来控制温度而设计的。这样比键盘操作方便，也比较实惠。按键电路采用中断模式，当有按键按下时，系统产生中断，CPU响应中断后，开始计数，即查询键号。该键号所对应键的功能键盘的大体设置为：K1为温度控制的上下限，K2，K3用来控制温度的加减。如果K1没按下

27、，则温度在上限控制状态，如果K1按下，则温度在下限控制状态。其电路图如图3-5所示。 图3-5 按键电路（2）按键的消抖由于系统是采用廉价的机械式按键，在实际使用时会存在抖动现象，所以必须采用相应的去抖措施。常用的去抖方法有硬件和软件去抖两种。硬件去抖，通常是用过施密特整形电路对实现对按键信号的抖动信号进行处理，使得按键信号只转化为高电平和低电平两种稳定状态，从而达到消抖的目的；软件消抖是指通过程序上的设计来去除按键的抖动，首先需要编写一个5m左右的延时子程序，当检测到有按键按下时，首先调用这个子程序，使得按键的抖动时间过去（按键抖动时间小于5ms），待按键稳定后，在对按键是否按下进行判断（按

28、下按键时会存在一段稳定的时间）。当松开按键时，也要进行这个延时子程序的调用，以免对按键产生多次重复识别。由于硬件消抖需要额为的增加硬件，会提高设计成本，所以本系统选择软件延时削抖的方法。3.5 复位电路设计 复位电路有上电自动复位和按键手动复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，只要电源VCC的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化8。 按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的，而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。这个系统的复位电路采用上电复位方式,A

29、T89C51的上电复位电路如图3-6所示。 图3-6 AT89C51的上电复位电路图3.6 显示电路设计 本系统使用LED数码管组成显示电路。数码管由7个发光二极管组成，有共阳和共阴两种结构。通过译码电路可以实现对8位输入数据的译码，从而点亮LED数码管上对应的发光二极，形成相应的数字。LED数码管和单片机构成的显示电路，有静态和动态两种显示方式。（1）静态显示静态显示是指每一个数码管的段码数据由一个单片机的I/O端口进行控制。其特点是各个数码管显示相对独立，每一个数码管接收的显示字符一但确定，相应I/O口的输出段码将维持不变，直到显示另一个字符为止，正因如此，其数码管的显示亮度也较高。这种显

30、示方式还有一个优点就是占用CPU时间少，显示编程和控制。但是当数码管过多时将占用大量的I/O端口。如果系统有4个数码管连接成静态显示的话，单段码连接线就需要4832个I/O口来控制，其电路将变得相对复杂，成本也较高。（2）动态显示当系统中的数码管的位数过多时，往往采用动态的接口方式，动态显示方式能够节省大量的I/O端口，并能降低系统功耗。该显示方式是通过将所有数码管的段选线并联在一起，通过对各数码管位选端的分时选通，来实现对各数码管的数据传输。所谓动态显示是指通过轮流向各位数码管送出段码和相应的位选信号，利用人眼的视觉暂态效应，使人在感官上产生好像每位数码管都在同时显示的错觉。正因如此，所以动

31、态显示的亮度会相较静态显示暗些。动态显示时要注意对数码驻留时间的控制，保证显示的亮度，同时要注意数码管的扫描频率，保证显示不闪烁。为了保证在动态显示时，每个数码管能够正常显示，需要保证每个数码管的点亮时间在12ms之间。本系统采用动态显示的方式，数码管采用6位一体的集成数码管，其和单片机的接口电路如图3-7所示。图3-7 LED显示器与单片机的接口电路四、软件设计4.1 系统软件总体设计本系统的软件设计采用模块化程序，由主程序模块,DS1820温度传感器检测模块，蜂鸣器报警模块，LED1602液晶显示模块设计和按键设置子程序模块。本系统的主程序流程图如图4-1所示。 Y N Y N 图4-1 程序流程图其中Tx是单片机当前从数字传感器获取的温度，TH和TL是预先设定的温度报警上限值和报警下限值。其中本文中DS18B20数字温度传感器的温度读写程序最为关键：部分程序：向DS18B20写一个字节数据子程序如下：ReadOneChar(void)unsigned char i=0；unsigned char dat=0；for (i = 8; i 0；i-)DQ = 0; dat = 1;DQ = 1; if(DQ)dat |= 0x80;Delay(4);return (dat);向DS18B20写一个字节数据子程序如下：WriteOneChar(uns