电子温度计的设计论文.docx

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电子温度计的设计论文

题目:

电子温度计的设计

专业:

应用电子技术

班级:

电子3121

冬

指导教师:

程晓芳

摘要

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，它所给人们带来的方便也是不可否认的。

其中电子温度计就是一个典型的例子，医院、家庭等随处可见，为了能更加满足人们的需要，数字体温计正在更新换代。

电子温度测量方式是随着电子技术的兴起而快速发展的一门学科，它利用材料随温度变化的参数转换成电信号对温度进行测量。

电子温度计功能完善、使用方便安全、精度高,克服了传统电子温度计价格昂贵,测量功能单一、误差偏大等问题,使用效果良好,有很好的推广应用价值。

本文通过对电子温度计的系统组成、应用方面、使用技术、功能特点、技术指标等方面来介绍与设计电子温度计。

第一章绪论

1.1选题的依据与意义

温度是人们生活中一个时时刻刻接触到的物理量，它影响着一切，厄尔尼诺现象是因为地球整体温度升高；分子运动因为温度的升高而加剧；30℃是人体感觉最佳的环境温度；工业生产、试验、生活……都离不开温度的影响,但是传统的温度计无法精确与快速的测出当前温度，会产生较大的误差。

本文提出一种新型数字式温度计的设计方案，可以达到传统温度计的测量精度，并且可较好的解决传统温度计存在的缺陷。

增加实时记录与分析温度变化，具有报警功能和实时时钟功能，可随时根据用户需要设定报警温度。

采用AT89C51单片机作为核心来进行控制，该单片机具有较高的性价比，集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。

采用智能温度传感器DS18B20作为检测元件，测温围为－55℃～＋125℃，最大分辨率可达0.0625℃。

DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用3线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。

DS18B20数字温度传感器接线方便，根据应用场合的不同而改变其外观。

封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。

耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

单总线数字温度传感器正广泛应用于在多点温度测量系统中。

单总线数字温度传感器将地址线、数据线、控制线合为1根信号线。

每一个数字温度传感器均有唯一的64位序列号,允许在信号线上挂接多个1-Wire总线器件。

因此在单总路线多传感器系统中,只有获得该序列号后才能识别各传感器并对其进行操作。

显示模块采用1602液晶显示器，显示温度与时间。

微功耗、体积小、显示容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。

日常生活与工农业生产中经常要用到温度的检测与控制，在冶金、食品加工、化工等工业生产过程中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，都要求对温度进行严格控制。

在日常生活中，电烤箱、微波炉、电热水器、烘干箱等电器也需要进行温度检测与控制。

传统的测温元件有热电偶和热电阻。

而热电偶和热电阻测出的一般是电压，再转换成对应的温度，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。

而采用单片机对温度进行控制，不仅具有控制方便，简单和灵活等优点，而且可以大幅度提高温度控制的技术指标。

在物理实验、医疗卫生、食品生产等领域，尤其在热学实验中，有特别重要的意义。

传统所使用的温度计通常都是精度为1°C和0.1°C的水银、煤油或酒精温度计。

这些温度计的刻度间隔通常都紧密，不容易准确分辨，读数困难，而且他们的热容量还比较大，达到热平衡所需的时间较长，因此很难读准，并且使用非常不方便。

电子体温计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温围广，测温速度快、测温准确、携带方便等优点，其输出温度采用数字显示，主要用于对温度比较准确的场所，或科研实验室使用。

电子体温计和传统的水银体温计相比更安全可靠，我们都知道水银有剧毒，如果破损可能带来玻璃扎伤或水银污染的隐患。

随着信息的发展，温度的监测显得越来越重要了，具有记录与分析温度的数字温度计更有发展前景。

1.2国外研究现状与发展趋势（含文献综述）

温度计从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、半导体集成数字温度计等。

目前温度计的发展很快，从原始的玻璃温度计管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等。

主要温度仪表，如热电偶、热电阻与辐射温度计等在技术上已经成熟，但是它们只能在传统的场合应用，尚不能满足简单、快速、准确测温的要求，尤其是高科技领域。

因此，各国专家都在有针对性地竞相开发各种新型温度传感器与特殊与实用测温技术，如采用光纤、激光与遥感或存储等技术的新型温度计已经实用化。

在电子式温度计中，传感器的灵敏度决定了温度计的精度、测量围、控制围和用途等。

温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段：

传统的分立式温度传感器（含敏感元件）；主要是能够进行非电量和电量之间转换；模拟集成温度传感器/控制器；智能温度传感器。

传统的分立式温度传感器——热电偶传感器：

热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量围广，可从-50~1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬，最低可测到-269℃，钨——铼最高可达2800℃。

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制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。

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、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。

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。

它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。

智能温度传感器能输出温度数据与相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU），并且可通过软件来实现测试功能，即智能化取决于软件的开发水平。

智能温度传感器包括数字温度传感器和石英温度传感器。

数字温度传感器被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。

用石英作为温度传感器的数字温度计可实现多种功能：

用于热化疗仪中对药液的温度进行测量，能获得较好的测温效果；用于温度检测系统，测温系统可用于各行各业中。

进入21世纪后，数字温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性与安全性、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。

提高测温精度和分辨力：

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，分辨力只能达到1℃。

目前，国外已相继推出多种高速度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9～12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5～0.0625℃。

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，DS1629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。

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。

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。

总线技术的标准化与规化：

目前，智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规化，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。

可靠性与安全性设计：

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，其噪声容限低，抑制混叠噪声与量化噪声的能力比较差。

新型智能温度传感器，普遍采用了高性能的Σ－Δ式A／Ｄ转换器，它能以很高的采样速率和很低的采样分辨力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，来提高有效分辨力。

Σ－Δ式A／D转换器不仅能滤除量化噪声，而且对外围元件的精度要求低，由于采用了数字反馈方式，因此比较器的失调电压与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。

水电站的建成，在进行大坝安全监测时，温度是一个最基本的参数。

大坝长期受到水的压力会发生形变，因此位移是大坝安全监测的一个重要项目。

大坝水平方向和垂直方向的位移以与坝间的离合度，都是大坝安全监测的重要容。

由于大坝长期受到水的浸泡，在水压力作用下，坝段间的缝隙就会增大，从而直接影响到大坝的安全。

测量坝间离合度的装置安装在一根长管子上，由于温度变化，管子也会发生形变，直接影响到离合度的测量。

用数字温度传感器DSl8820测得大坝的环境温度，得到两次测量的温度变化，进而得到管子由于温度变化而引起的形变量，从位移测量数据中除去温度引起的形变即可得到坝间离合度的准确值。

大坝环境恶劣，而数字单总线温度传感器集温度测量、A／D转换于一体，具有单总线结构、数字输出、精度较高、直接与微机接口等优点，是目前最新的测温器件。

其电路设计简单，提高了系统稳定性、可靠性与抗干扰能力，适用于大坝的温度测量。

以单线数字温度传感器DS18B20为温度敏感元件的储粮温检系统，该系统以PIII300PC机为主机，以89C51单片机为检测分机，数字传感器直接与分机连接，分机与主机通过RS485总线网进行通信，所有的操作通过主机的菜单命令进行。

系统具有温度检测，打印，报警和系统故障自检等功能。

基于单线数字温度传感器DS18B20的储粮温度自动测试系统结构简单，现场安装调试方便，成本低，系统可靠性高，易于增减传感器的数量。

由于温度传感器以数字形式输出温度值，长距离传输的可靠性好，抗干扰能力强，该系统还用于烟草，食品，化工等其他类型仓库以与人工气候实验室，生产车间，智能大厦等环境的温度智能实时检测与控制。

1.3本课题研究容与方案

本文采用89C51单片机作为控制器，采用DS18B20温度传感器进行单线多点温度检测，用1602液晶显示器显示温度，记录并处理数据，实时时钟显示，报警电路的实现。

1.3.1硬件设计

（1）传感器数据采集电路：

采用多个DS18B20温度传感器构成单总线数据采集电路；

（2）温度显示电路：

采用1602显示，能够实时显示出当前温度；

（3）上下限报警调整电路：

当温度超出设定值时会发出报警，直至系统温度恢复正常；

（4）时钟显示电路：

能够显示当前具体时间，当系统掉电时，时钟芯片仍可继续工作，保证系统安全稳定的运行；

（5）人机接口、按键：

根据需要切换时间和温度测量，并可以与时调整时间与校零；

（6）单片机主板电路：

总体布局最优，抗干扰能力强。

1.3.2软件设计

（1）主程序：

主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理传感器测量的当前温度值

重复的温度测量；

（2）读出温度子程序：

主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验

校验有错时不进行温度数据的改写；

（3）温度转换命令子程序：

温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令；（4）计算温度子程序：

计算温度子程序将RAM中读出，取值进行BCD码的转换运算

并进行温值正负的判定；

（5）显示数据刷新子程序：

显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，当最高位显示为0时将符号显示位移入下一位；

（6）时钟显示程序：

显示出当前时间，并可进行调整。

1.3.3方案设计

本文利用AT89C52芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限报警温度。

该系统扩展性非常强，它可以在设计中加入时钟芯片DS1302以获取时间数据，在数据处理同时显示时间，并可以利用AT24C16芯片作为存储器件，