基于AT89S51单片机的数字温度测量系统设计

宁波理工学院毕业论文（设计）开题报告（含文献综述、外文翻译）题目基于AT89S51单片机的数字温度测量系统设计姓名某某学号**********专业班级06通信工程2班指导教师某某某分院信息科学与工程分院开题日期2011年月日第1章文献综述基于AT89S51单片机的数字温度测量系统设计1.1前言近些年来我国经济快速发展，人们生活水平大幅度提高，对环境的舒适程度也有了较高的要求，与此同时工业技术的发展导致对环境的监控有了更高的要求。温度是最重要的环境因素，传统的测量方法是用温度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测。但人工测试方法实时性差，受自然条件制约较大，并且突发情况也无法及时发现并处理。受着经济条件、技术条件等因素影响，我国目前还有很多地方采用传统的人工测量温度方法。随着技术的发展，我国的温度监测系统也有了一定程度的提高。采用了微处理器，结合物联网技术能实现温度采集智能化。能实现远程、高效、实时、智能的采集数据，与传统人工测量相比有着较大优势。1.2国内外研究现状目前温度测量系统的在国内的研究情况比较复杂，在经济不发达的地区大部分还采用传统的人工测量方式，采用温度计、热电偶等方式人工测量，而也有部分经济发达地区，开始采用以微电子技术为基础的智能化的温度测量系统。这个区分还在领域上的区别，农业领域使用传统人工采集方式比较多，而工业领域使用智能化的温度测量系统的比较多。综上所述，温度测量系统在我国还有较好的发展前景，在农业、家庭等很多领域还有较大的发展空间。国外的温度测量系统则较国内先进许多，农业方便基本全部是智能化的温度测量系统，并且配合喷淋灌溉系统，整个农业系统全部实现自动化、机械化，远远领先于国内。在其他领域，智能家居在国外也开始启动，温度测量系统也使用十分广泛，工业领域温度测量更是很早就抛弃的人工测量，进入了智能化的时代。国外的自动化技术要远远领先于国内，我们需要加快追赶的步伐。1.3数字温度测量系统研究方向1.3.1采集元件采集系统在该方向上总是在寻找设备成本、测量精度、使用难易程度的平衡。针对不同的应用方向采用不同的温度传感器。采集元件部分在随着半导体技术的发展也在发生着巨大的变化，智能化的温度传感器技术已经开始普及。智能化温度传感器是微电子技术、自动化技术、计算机技术以及自动测试技术(ATE)的结晶，当前市场上已经出现了大量的智能温度传感器，例如DHT系列、SHT系列、DS18B20等等。智能元件都已经集成好了温度传感器元件、数模转换器、数模转换器、核心信号处理器、数据储存器以及配套的通信电路，更设置有的传感器还集成了I2C等通信方案以及CPU。智能温度传感器的特点就在于，不用像传统温度传感器一样，需要将模拟信号自己转变为数字信号，也无需在添加各种计算电路来修正误差，都已经集成在传感器内部，并且传感器直接数字化输出，完全的规范化总线设计，使智能温度传感器可以太规模的使用在工业、家居等多种方案中。1.3.2采集数据处理分析在这类数据采集系统中还存在一个很重要的研究方向就是数据处理分析。当数据采集到之后如何能高效合理里利用采集的数据一直是人们研究的重点。研究初期，数据只是会被简单的归类，求平均值等等。目前，数据处理已经独立出来成为一门学科，数据挖掘。从海量数据中找出相关性，核心数据等等，都是该学科研究的重点。在我们所设计的系统中，虽然不需要处理特别巨大的数据，但是也需要进行数据分析，将温度数据合理的体现给使用者，是该方向的关键。1.3.3采集系统硬件随机半导体科技的进步，当前的核心处理器也越来越多样化，单片机、DSP、ARM等等层出不穷，以单片机为例，51、AVR、PIC、MP430等等都可以称之为主流单片机，种类实在太多太多。系统设计者需要考虑到当前系统的需求合理的选用系统硬件，其实决定系统成本、性能的核心器件就是核心处理器。通过查找文献，对于小规模的温度检测系统以51单片机为主，成本低廉、性能满足要求。对于较大规模或者有其他传感器要求的系统，则以ARM为主。当然还是需要考虑到种种因素决定的系统硬件。这一方向也是需要研究人员进一步研究。1.4发展情况主要介绍下温度传感器的发展情况：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温度传感器，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。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、响应速度快。其主要缺点是，外围电路复杂、测量困难、成本较高。AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。在4V至30V电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1µA/K。片内薄膜电阻经过激光调整，可用于校准器件，使该器件在298.2K(25°C)时输出298.2µA电流。AD590适用于150°C以下、目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用。低成本的单芯片集成电路及无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。应用AD590时，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。除温度测量外，还可用于分立器件的温度补偿或校正、与绝对温度成比例的偏置、流速测量、液位检测以及风速测定等。AD590可以裸片形式提供，适合受保护环境下的混合电路和快速温度测量。AD590特别适合远程检测应用。它提供高阻抗电流输出，对长线路上的压降不敏感。任何绝缘良好的双绞线都适用，与接收电路的距离可达到数百英尺。这种输出特性还便于AD590实现多路复用：输出电流可以通过一个CMOS多路复用器切换，或者电源电压可以通过一个逻辑门输出切换。智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。目前，已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、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)。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU).智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线(1-WIRE)总线、I2C总线、SMBUS总线和SPI总线。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。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。DHT11，其是具有数字信号输出功能的温湿度复合型传感器。传感器内部包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件。DHT11具有稳定性好、响应快、抗干扰能力强、性价比高等优点。采用了单总线串行接口，使接线少除了电源和地线外就只有一个数据线。体积小、功耗低，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用场合的最佳选则。封装形式为4针单排引脚封装，连接方便。DS18B20,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。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,具有3引脚TO－92小体积封装形式;温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度,测温分辨率可达0.0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路1.5存在问题整个测量系统还存在如下3个方面的问题需要进一步的改进：1传感器的性能的提高，为了进一步满足用户使用需求，传感器在精度和稳定性方面都需要提高。目前主流的低成本的传感器精度在0.5摄氏度，这个误差相对于一些应用领域较高，还有存在的稳定性的问题，传感器时不时会有错误的温度信息传递出来，测量温度有发生错误的情况。这两方面都是传感器继续提高的地方。2单片机内部处理的算法的改善，目前存在的温度测量系统内部都是简单的将传感器采集到的温度数据直接传递到上位机，或者液晶屏直接显示了。这样无法合理利用单片机的资源，应该在单片机内增添算法，用来从软件方面提高传感器的精度和稳定性，算法以减小误差、剔除错误温度数据为目标。3成本问题，目前存在的温度测量系统，对于一般的使用者其成本较高，虽然实现的自动化的智能测量，但是其成本让使用者望而生畏，宁愿采用传统的人工测量方式。成本问题的解决还要在硬件上有所改进，不需要较高性能的单片机，不需要昂贵的元器件等等。1.6结束语随着经济发展、科技进步，温度测量越来越多的出现在生活和工业中，也对温度测量提出了越来越高的要求。在系统设计过程中，需要注意如下问题。1要分析系统需求，需要测量温度点的数量、精确度、实时性等指标；2要充分考虑传感器的选型，其位于核心地位；3对于数据采集后，还需要考虑数据的分析显示，让使用者直观的获得当前地区的温度数据。系统设计重点在于系统规划、测量节点硬件设计、数据传输软件设计、上位机软件设计。参考文献[1]蔡静.殊条件下的温度测量[M].京:中国计量出版社,2008.[2]王魁.温度测量技术的现状及展望[J].基础自动化,1997,(1):1-6.[3]戴景民.射测温的发展现状与展望[J].自动化技术与应用,2004,23(3):1-7.[4]王魁汉.度测量技术的最新动态及特殊与实用测温技术[J].自动化仪表,2001,22(8):1-7.[5]倪震楚.现代温度测量技术综述[J].消防理论研究.2003,22(4):270-272.[6]蔡静.温度传感功能薄膜的发展和应用[J].测试技术学报,2008,22(S0):86-90.[7]徐文进,王敬农等.基于温度传感器DS18B20在多路测温中的应用[J].现代电子技术,2004.[8]王守中.51单片机开发入门与典型实例[M].北京人民邮电出版社,2007.第2章开题报告基于AT89S51单片机的数字温度测量系统设计2.1研究背景及意义近些年来我国经济快速发展，人们生活水平大幅度提高，对环境的舒适程度也有了较高的要求，与此同时工业技术的发展导致对环境的监控有了更高的要求。温度是最重要的环境因素，传统的测量方法是用温度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测。但人工测试方法实时性差，受自然条件制约较大，并且突发情况也无法及时发现并处理。受着经济条件、技术条件等因素影响，我国目前还有很多地方采用传统的人工测量温度方法。随着技术的发展，我国的温度监测系统也有了一定程度的提高。采用了微处理器，结合物联网技术能实现温度采集智能化。能实现远程、高效、实时、智能的采集数据，与传统人工测量相比有着较大优势。微电子技术、计算机技术和无线技术的进步，推动了温度采集系统的发展。未来，在微小体积的硬件条件下实现数据采集、无线通信和数据处理等多项功能。温度测量系统也必然会从人工化过渡到智能化，在精度、速度等方面也会有较大幅度提高。在智能家居、数字化农业等领域，温度测量系统会和其他传感器网络系统整合，最终统一在一个智能终端中，对于周围环境各个因素经行综合监控。目前国外在该领域已经很完善，许多国家广泛采用环境监测综合系统，实现对温度、湿度、压强、水位等多种环境因素测量。欧洲一些国家之间经行合作，通过此类系统能对欧洲的整体环境情况有更深层次了解，并能对发展趋势做出及时有效的判断。2.2设计目标温度采集系统对数据采集的数量、采集实时性、采集情况复杂程度都有较高要求。针对传统的人工测量方式的实时性差，采集数据量少等缺点。设计了基于单片机的温度测量系统。该系统是集数据采集、数据传输和数据处理于一体的软、硬件平台，其中可以根据实际需要在上位机端查看温度实时值，可设置温度阀值，超过阀值则自动报警。其由两部分组成，采集器节点和传感器节点。其中传感器节点是部署在待测区域的终端设备，其所携带的DHT11数字温湿度传感器可测量待测区域温湿度数据，并实时发送数据至采集器节点。采集器节点的