课程设计-温度检测系统修改版

武汉理工大学《检测系统综合设计》课程设计说明书-1-注：此文为课程设计论文，仅供朋友们参考使用，请勿照搬，请勿用于参考之外的其他用途，谢谢合作。下载完成后请给好评，多关注下本人的其他文档，共同进步！绪论本次设计任务我选择的是基于单片机的温度计测量环境温度。随着科技的进步，现代测温应用中，温度计逐步向数字化方向发展。传统的机遇物理方法的温度计功能单一，而数字温度计以其便携，检测精度高，功能多等优点应用的越来越广泛。随着技术的发展，一些环境比较恶劣的场合中也能觅得数字温度计的踪迹。目前基于单片机的温度传感器设计的数字温度计已经很成熟，各种精度很高的温度计不断推出。数字温度计要求检测的精度必须高于控制的精确度，否则无从实现控制的精度要求。所以精度已经成为数字温度计的一项重要的性能参数。因此追求高精度是数字温度计的一个目标。不仅如此，检测还涉及国计民生各个部门，可以说在所以科学技术领域无时不在进行检测。科学技术的发展和检测技术的发展是密切相关的。现代化的检测手段能达到的精度、灵敏度及测量范围等，在很大程度上决定了科学技术的发展水平。同时，科学技术的发展达到的水平越高，又为检测技术、传感器技术提供了新的前提手段。目前市场上出现了很多传武汉理工大学《检测系统综合设计》课程设计说明书-2-感器，很多精度高的传感器已经出现，而且精度越来越高。数字温度计未来将会更精确、更人性化，为我们做出更多贡献。随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数字单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用。在本次设计中，主要从功能组合，硬件模块，程序算法等几个方面探讨基于单片机的数字温度计的设计。一、设计要求本次设计主要介绍了单片机控制下的环境温度检测系统，详细介绍了其硬件和软件设计，并对其各个功能模块做了详细介绍，其主要功能和指标如下：（1）利用温度传感器测量某一点的环境温度；（2）测量范围为-55℃～+125℃，测量精度为±0.5℃；（3）能够电子显示实际测得的温度值；（4）当温度不在上下限范围内时会报警，并能根据需要设定报警上下限。二、设计方案确定温度是一种最基本的环境参数，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要意义。测量温度的关键是温度传感器，本次设计中，我考虑了两种设计方案。（1）方案一武汉理工大学《检测系统综合设计》课程设计说明书-3-采用热电偶温差电路测温，温度检测部分使用低温热偶，热电偶由两个焊接在一起不同金属导线组成，热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。通过将参考节点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测节点的温度。数据采集部分使用带有A/D通道的单片机，将随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，在显示电路上，将被测温度显示出来。热电偶电路的优点是测温范围广，且体积下。但是存在输出电压小、容易受到来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺点，并且需要设计A/D转换电路，因此可靠性较差、测量温度准确率低。（2）方案二采用数字温度传感器，将温度直接转化成数字信号经单片机输出。数字温度传感器的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,其特点是能直接输出数字化的温度数据及相关的温度控制量，自动适配各种微控制器(MCU)。采用数字温度传感器以实现温度数字化，既能以数字形式直接输出被测温度值，具有测量误差小，分辨力高，抗干扰能力强，能够远程传输数据，带串行总线接口等优点。因此，本次设计我选择的是方案二——基于单片机的数字温度传感器。基于单片机的数字温度计的设计的基本原理是单片机、数字温度传感器与显示器等电子元器件的互联，即对温度进行实时测量，使用数字温度传感器把温度信号直接转换成数字信号输入单片机，经单片机处理后，将实时温度显示在显示器上。主要有以下几个模块：传感器模块，单片机模块，显示模块，电源模块，报警电路，复位电路和晶振电路。这几个模块组成的系统框图如图1所示：武汉理工大学《检测系统综合设计》课程设计说明书-4-图1数字温度传感器的组成模块三、具体模块分析3.1传感器模块本此设计选用的传感器模块是DS18B20芯片。DS18B20是美国Dallas公司最新推出的一种单总线系统的数字温度传感器。与传统的热敏电阻温度传感器不同，它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，可以分别在93.75ms和750ms内将温度值转化9位和12位的数字量。因而使用DS18B20可使系统结构更简单，可靠性更高。芯片的耗电量很小，从总线上“偷”一点电存储在片内的电容中就可正常工作，一般不用另加电源。最可贵的是这些芯片在检测点已把被测信号数字化了，因此在单总线上传送的是数字信号，这使得系统的抗干扰性好、可靠性高、传输距离远。该芯片有如下特点：（1）单线接口，只有一根信号线与CPU连接单总线器件，具有线路简单，体积小的特点；（2）不需要备份电源，可通过信号线供电，电源电压范围从3.3～5V；（3）传送串行数据，不需要外部元件；（4）温度测量范围从-55℃～+125℃，-10～+85℃时测量精度为±0.5℃；（5）通过编程可实现9～12位的数字值读数方式（出厂时被设置为12位）；（6）零功耗等待；（7）现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。3.1.1DS18B20的内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位激光ROM，温度敏感元件，非易失性温度报警触发器TH和TL，高速暂存器。64位激光ROM是出厂前被光刻好的，武汉理工大学《检测系统综合设计》课程设计说明书-5-它其中保存着该DS18B20的产品信息和产品系列编码，可以看作是该DS18B20的地址序列号。单总线上所有DS18B20器件可以通过检索器件的ROM中的内容进行识别。DS18B20的管脚排列如图2所示。图2DS18B20管脚排列引脚功能如下：VDD：可选电源脚，电源电压范围3~5.5V。工作于寄生电源时，此引脚应接地；DQ：数据输入/输出脚，漏极开路，常态下高电平。3.1.2DS18B20测温原理DS18B20内含两个温度系数不同的温敏振荡器，其中温敏振荡器1相当于测温元件，温敏振荡器2相当于标尺，通过不断比较两个温敏振荡器的振荡周期，得到两个温敏振荡器在测量温度下的振荡频率比值，根据频率比值和温度的对应曲线，得到相应的温度值。其原理图如图3所示：武汉理工大学《检测系统综合设计》课程设计说明书-6-图3DS18B20测温原理具体测温过程如下：首先由预置器2将温度寄存器预置为对应于温度下限（-55℃）的值。然后，由预置器1对计数器1也预置一个对应于温度下限（-55℃）的计数值，计数器1接收温度振荡器1的输出信号并进行减法运算。计数器2接收温敏振荡器2的输出信号得到实际温度值并送给温度寄存器作为比较标尺。如果计数器1首先递减到0，那么将向温度寄存器输出一个信号，温度寄存器的值将增加一位，对应温度值增加一个分辨率的值（如分辨率为0.5℃时，对应温度值增加0.5℃），说明实测温度高于-55℃。随后，斜率累加器根据两个温敏振荡器的温度特性曲线计算出下一个温度位置处计数器1的预置计数值，对计数器1再次进行预置。计数器1和计数器2再次开始计数。如果计数器2先于计数器1到达0，完成一次测温。温度寄存器中的值为测量所得的当前温度值。通过这个过程不仅完成了测温，而且将完成了温度值的数字化，省去了A/D转换器。DSl8B20中的数字温度传感器的分辨率可配置为9、10、11和12位，出厂默认设置为12位分辨率，对应的温度值分辨率分别为0.5、0.25、0.125和0.0625。温度信息的低位、高位字节内容中，还包括了符号位S(是正温度还是负温度)和二进制小数部分，具体形式为：低位字节:232221202-12-22-32-4高位字节:SSSSS262524这是12位分辨率的情况,如果配置为低的分辨率,则其中无意义位为0。实测温度和数字输出的对应关系如表1所示。MSBMSBLSBLSB武汉理工大学《检测系统综合设计》课程设计说明书-7-温度/℃数字输出(二进制)数字输出(十六进制)+125000001111101000007D0H+8500000101010100000550H+25.062500000001100100010191H+10.125000000001010001000A2H+0.500000000000010000008H000000000000000000000H-0.51111111111111000FFF8H-10.1251111111101011110FF5EH-25.06251111111001101111FF6FH-551111110010010000FC90H表1实测温度和数字输出的对应关系在DSl8B20完成温度变换之后,温度值与储存在TH和TL内的告警触发值进行比较。由于是8位寄存器,所以9~12位在比较时忽略。TH或TL的最高位直接对应于16位温度寄存器的符号位。如果温度测量的结果高于TH或低于TL,那么器件内告警标志将置位,每次温度测量都会更新此标志。只要告警标志置位,DSl8B20就将响应告警搜索命令,这也就允许单线上多个DSl8B20同时进行温度测量,即使某处温度越限,也可以识别出正在告警的器件。本次设计中采用的是外部供电方式，其接线方式如图4所示：武汉理工大学《检测系统综合设计》课程设计说明书-8-图4DS18B20的接线方式3.2单片机模块本次设计使用的单片机是AT89S51。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器、串行口、外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。AT89S51的引脚如图5所示。武汉理工大学《检测系统综合设计》课程设计说明书-9-图5AT89S51单片机引脚图管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，