精密数字温度计设计方案.docx
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精密数字温度计设计方案.docx
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精密数字温度计设计方案
1引言
温度是日常生活、工业、医学、环境保护、化工、石油等领域最常遇到的一个物理量。
测量温度的基本方法是使用温度计直接读取温度。
最常见到的测量温度的工具是各种各样的温度计,例如,水银玻璃温度计,酒精温度计,热电偶或热电阻温度计等。
它们常常以刻度的形式表示温度的高低,人们必须通过读取刻度值的多少来测量温度。
利用单片机和温度传感器构成的电子式智能温度计就可以直接测量温度,得到温度的数字值,既简单方便,又直观准确。
在传统的温度测量系统设计中,往往采用模拟技术进行设计,这样就不可避免地遇到诸如引线误差补偿、多点测量中的切换误差和信号调理电路的误差等问题;而其中某一环节处理不当,就可能造成整个系统性能的下降。
随着现代科学技术的飞速发展,特别是大规模集成电路设计技术的发展,微型化、集成化、数字化正成为传感器发展的一个重要方向。
美国Dallas半导体公司推出的数字温度传感器DSl8B20,具有独特的单总线接口,仅需要占用一个通用I/O端口即可完成与微处理器的通信;用户可编程设定9~12位的分辨率。
以上特性使得DSl8B20非常适用于构建高精度、多点温度测量系统。
本课题设计的高精度数字温度计选用DS18B20数字温度传感器,它与单片机组成一个测温系统,具有线路简单、体积小等特点,而且一条总线可连接多个器件,可以构成一个低电压低功耗的多点数字测温系统,十分方便,也适合于恶劣环境下进行现场温度测量,有广泛的应用前景。
2概述
2.1系统概述
在日常生活及工农业生产中经常要用到温度的检测及控制,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都是电压,再转换成对应的温度,需要比较多的外部硬度支持,硬件电路[1]复杂,软件调试复杂,制作成本高。
故本设计使用集成传感器DS18B20作为测温传感器。
系统主要分为温度采集模块,数据传输模块,报警模块,LED显示模块和供电模块。
系统设计原理图如图2-1所示。
图2-1精密数字温度计的设计原理图
本数字温度计设计采用美国DALLS[2]半导体公司继DS18B20之后推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件,测温范围为-55℃~+125℃,最大分辨率可达0.0625℃。
DS18B20[3]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。
数字温度系统有以下几个发展趋势:
(1)数字测温系统的小型化,便于携带。
测温仪器的应用场合已经走出实验室,需要便携式测温计。
超大规模集成(VLSI)新器件、微机电系统(MEMS)、圆片规模集成(WSI)和多芯片模块(MCM)等,采用微控技术、微加工技术、微检测技术、微光源、微分光光学系统、微传感器等,使测温仪器产品体积缩小,精度提高成为可能。
(2)数字测温系统的精确化,使测温能力更加精确。
数字技术的出现把模拟仪器的准确度、分辨力与测量速度提高了几个量级,单片机的引入,使仪器的功能发生了质的变化,从单纯的接受、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出,从用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量。
测量仪器技术指标的提高是行业发展的追求,如测量范围,电阻从超导到1014Ω,温度从接近绝对零度到1010℃。
如测量准确度,时间测量从30万年不差1秒提高到600万年不差1秒。
(3)数字测温系统的多用途化,不仅可以测室温,液温,甚至在极端条件下也能准确地测温。
2.2本设计方案思路
本设计以检测温度并显示温度提供上下限报警为目的,按照系统设计功能的要求,确定系统由5个模块组成:
主控器[4]、测温电路,报警电路,按键电路及显示电路。
系统以DS18B20为传感器用以将温度模拟量转化为电压数字量以总线传入单片机,以ATmega16为主芯片,在主芯片对DS18B20传入的温度值进行处理,由单片机程序控制,将经处理后的温度由LED数码管显示出来。
本系统具有电路简洁,性能可靠等特点,易于实现。
2.3研发方向和技术关键
(1)合理使用温度传感器,提高系统的精度;
(2)外加存储器,提供强大的存储功能;
(3)与微机进行数据传输,方便数据的统计、保存、显示和查询。
2.4主要技术指标
(1)测温范围:
-55℃~+99℃
(2)测量精度:
0.1℃
(3)数字显示位数:
四位
(4)最大测量温度:
超过150℃
3总体设计
数字温度计是一种将模拟温度数据转化成数字温度数据并加以显示的系统。
由传感器测得模拟温度数值,并将其转化为数字信号,通过串行通信的方法将数据传送给单片机,并由单片机处理后显示。
本设计采用ATmega16为控制部件,用4位共LED数码管动态扫描的方式来显示所测的温度值,温度值的最小精确度为0.1℃,基本上满足一般的要求。
温度传感器采用DS18B20,其传感器为数字输出,所以不需要进行模数转化直接由单片机控制读取温度值,这样大大减少了硬件的成本。
此测温电路的系统框图如图3-1所示:
图3-1数字温度计总体电路结构框图
3.1温度的检测
每次测温由单片机向测温传感器发出特定脉冲,测温传感器能够检测到脉冲并做相应的工作。
传感器将模拟温度信号经过采集,数字处理,放大后输出。
DS18B20使用一个单线接口发送或接受信息,因此在单片机和DS18B20之间只需要一条线链接,用于读写和温度转换的电源可以从数据线获得,无需外接电源。
3.2数字信号的处理
送入单片机内部的数字信号经过单片机的处理,将数据用LED数码管显示出来。
其处理过程主要由单片机能存储的程序进行控制。
3.3温度的显示
使用4位共阳极LED数码管显示。
单片机将温度数据经处理后由I/O口输出,由特定的编码用数码管显示出来。
LED显示具有显示速度快,显示结果明显,易于制作等优点。
3.4按键检测
将按键的一段与单片机I/O口链接,一段与地链接,当按键按下时可以由单片机内的程序检测到。
通过按键使用者可以控制程序,使用不同的功能,开关系统等。
按键使用普通纽扣按键,具有结构简单,价格低廉,使用方便等优点。
3.5报警功能
在单片机程序内设置了报警温度的上下限值,当所测得的温度超过了这一数值,将会由蜂鸣器发出报警。
报警功能是本系统的重要功能之一,在工业应用中常常需要在特定的温度条件下进行报警,当温度超出范围时及时的报警是十分必要的。
4硬件设计
4.1总体电路设计
温度计电路设计原理图如图2所示,控制器使用单片机mega16,温度传感器使用DS18B20,用4位共阳LED数码管以动态扫描法实现温度显示。
采用USB烧入程序及供电,用16M晶振。
电路还包括按键电路,复位电路,报警电路,单片机外设电路等。
整个系统的原理图如图4-1所示:
图4-1数字温度计设计电路原理图
4.2主控制器(ATmega16)
ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。
由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATmega16的数据吞吐率高1MIPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。
所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU)相连接,使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。
这种结构大大提高了代码效率,并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。
ATmega16有如下特点:
16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力,即RWW),512字节EEPROM,1K字节SRAM,32个通用I/O口线,32个通用工作寄存器,用于边界扫描的JTAG接口,支持片内调试与编程,三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断,可编程串行USART,有起始条件检测器的通用串行接口,8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的ADC,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器,一个SPI串行端口,以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。
工作于空闲模式时CPU停止工作,而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作;掉电模式时晶体振荡器停止振荡,所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作;在省电模式下,异步定时器继续运行,允许用户保持一个时间基准,而其余功能模块处于休眠状态;ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作,以降低ADC转换时的开关噪声;Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行,其余功能模块处于休眠状态,使得器件只消耗极少的电流,同时具有快速启动能力;扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。
本芯片是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。
片内ISPFlash允许程序存储器通过ISP串行接口,或者通用编程器进行编程,也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。
引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(ApplicationFlashMemory)。
在更新应用Flash存储区时引导Flash区(BootFlashMemory)的程序继续运行,实现了RWW操作。
通过将8位RISCCPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内,ATmega16成为一个功能强大的单片机,为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。
ATmega16具有一整套的编程与系统开发工具,包括:
C语言编译器、宏汇编、程序调试器/软件仿真器、仿真器及评估板。
产品特性:
•高性能、低功耗的8位AVR®微处理器
•先进的RISC结构
–131条指令–大多数指令执行时间为单个时钟周期
–32个8位通用工作寄存器
–全静态工作
–工作于16MHz时性能高达16MIPS
–只需两个时钟周期的硬件乘法器
•非易失性程序和数据存储器
–16K字节的系统内可编程Flash
擦写寿命:
10,000次
–具有独立锁定位的可选Boot代码区
通过片上Boot程序实现系统内编程
真正的同时读写操作
–512字节的EEPROM
擦写寿命:
100,000次
–1K字节的片内SRAM
–可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密
•JTAG接口(与IEEE1149.1标准兼容)
–符合JTAG标准的边界扫描功能
–支持扩展的片内调试功能
–通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程
•外设特点
–两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器
–一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器
–具有独立振荡器的实时计数器RTC
–8路10位ADC
8个单端通道
TQFP封装的7个差分通道
2个具有可编程增益(1x,10x,或200x)的差分通道
–面向字节的两线接口
–两个可编程的串行USART
–可工作于主机/从机模式的SPI串行接口
–具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器
ATmega16的引脚图如图4-2所示:
图4-2Mega16引脚图
引脚说明:
VCC数字电路的电源
GND地端口A(PA7..PA0)端口A做为A/D转换器的模拟输入端。
端口A为8位双向I/O口,具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中,即使系统时钟还未起振,端口A处于高阻状态。
端口B(PB7..PB0)端口B为8位双向I/O口,具有可编程的内部上拉电
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