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基于单片机的温度计综述
基于单片机的温度计综述
摘要:
温度测量系统应用广泛,涉及到各行各业的各个方面,在各种不同的领域中都占有重要的位置。
从降低开发成本、扩大适用范围、系统运行的稳定性、可靠性出发,设计一种以单片机为控制核心的温度测量系统。
本文介绍了该温度测量系统中单片机的基本结构及引脚功能,单片机的时钟电路、复位电路、温度传感器、A/D转换电路、液晶显示电路以及报警电路。
关键词:
单片机/温度测量/A/D转换
1单片机
单片机是单片微型计算机的简称,又称微控器,它是将中央处理器、存储器、中断系统定时器/计数器、端口、总线等部件做在一个芯片上的集成电路芯片[1]。
中央处理器是单片机的核心部件,它由运算器和控制器组成,主要完成算术运算、逻辑运算和逻辑控制等功能。
存储器是具有记忆功能的电子部件,分为只读存储器和随机存储器两类。
只读存储器用于存储程序、表格等相对固定的信息;随机存储器用于存储程序运行期间所需要的数据和产生的结果。
输入/输出端口是单片机与外界信息交换的通道,其主要功能是协调、匹配单片机与外部设备的工作。
并行口传输并行信息,速度快,但需要的引脚数目较多,适合近距离传送。
串行口传送串行信息,速度慢,但需要的引脚数目少,适合远距离传送。
定时器/计数器用于实现系统定时或时间计数,并以定时或计数结果对操作对象进行控制;中断控制系统是单片机为满足各种实时控制而设置的功能部件,是重要的输入/输出机制;总线是各工作部件之间传送信息的公共通道。
总线按照其功能可分为数据总线、地址总线和控制总线三类,分别传送数据信息、地址信息和控制信息[2]。
单片机的引脚图如图1所示。
图1单片机引脚图
2时钟电路
单片机工作时,是在统一的时钟脉冲控制下有序进行的,这个脉冲是由时钟电路产生的。
时钟电路由振荡器和分频器组成。
振荡器产生基本的震荡信号,然后进行分频,得到相应的时钟[3]。
时钟电路与单片机连接图如图2所示。
图2时钟电路与单片机连接图
3复位电路
复位是单片机的初始化工作,它的主要功能是把单片机恢复到初始状态。
除单片机在开机时要复位外,在运行过程中,当由于程序出错或操作错误使系统死机时,也可以按复位键重新启动,使机器进入复位状态[4]。
复位电路与单片机连接图如图3所示。
图3复位电路与单片机连接图
4温度传感器
4.1DS18B20温度传感器
DS18B20引脚如图4所示。
图4DS18B20引脚图
DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20是一种新型的“一线器件”,其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。
DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
温度测量范围为-55~+125摄氏度,可编程为9位~12位转换精度,测温分辨率可达0.0625摄氏度,分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROM中,掉电后依然保存。
被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出;其工作电源既可以在远端引入,也可以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。
因此用它来组成一个测温系统,具有线路简单,在一根通信线,可以挂很多这样的数字温度计,十分方便[5]。
4.1.1DS18B20工作原理
DS18B20的读写时序和测温原理与DS18B20相同,只是得到的温度值的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。
DS18B20测温原理:
低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变[6],所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
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,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
4.1.2DS18B20功能特点
(1)采用单总线技术,与单片机通信只需要一根I/O线,在一根线上可以挂接多个DS18B20。
(2)每只DS18B20具有一个独有的,不可修改的64位序列号,根据序列号访问地应的器件。
(3)低压供电,电源范围从3~5V,可以本地供电,也可以直接从数据线上窃取电源(寄生电源方式)。
(4)测温范围为-55℃~+125℃,在-10℃~85℃范围内误差为±0.5℃。
(5)可编辑数据为9~12位,转换12位温度时间为750ms(最大)。
(6)用户可自设定报警上下限温度。
(7)报警搜索命令可识别和寻址哪个器件的温度超出预定值。
(8)DS18B20的分辩率由用户通过EEPROM设置为9~12位。
(9)DS18B20可将检测到温度值直接转化为数字量,并通过串行通信的方式与主控制器进行数据通信[7]。
4.1.3DS18B20使用中的注意事项
DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点,但在实际应用中也应注意以下几方面的问题:
(1)DS18B20从测温结束到将温度值转换成数字量需要一定的转换时间,这是必须保证的,不然会出现转换错误的现象,使温度输出总是显示85。
(2)在实际使用中发现,应使电源电压保持在5V左右,若电源电压过低,会使所测得的温度精度降低[8]。
(3)较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿,由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送,因此,在对DS18B20进行读写编程时,必须严格的保证读写时序,否则将无法读取测温结果。
在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时,对DS18B20操作部分最好采用汇编语言实现[9]。
(4)在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题,容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20,在实际应用中并非如此,当单总线上所挂DS18B20超过8个时,就需要解决微处理器的总线驱动问题,这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。
(5)在DS18B20测温程序设计中,向DS18B20发出温度转换命令后,程序总要等待DS18B20的返回信号,一旦某个DS18B20接触不好或断线,当程序读该DS18B20时,将没有返回信号,程序进入死循环,这一点在进行DS18B20硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视[10]。
4.2PT100温度传感器
4.2.1Pt100简介
Pt100,就是说它的阻值在0度时为100欧姆,PT100温度传感器是一种以铂(Pt)作成的电阻式温度传感器,属于正电阻系数,其电阻和温度变化的关系式如下:
R=Ro(1+αT),Pt100温度传感器的主要技术参数如下:
测量范围:
-200℃~+850℃;允许偏差值△℃:
A级±(0.15+0.002│t│),B级±(0.30+0.005│t│);Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。
4.2.2PT100温度传感器三根芯线的接法
PT100铂电阻传感器有三条引线,可用A、B、C(或黑、红、黄)来代表三根线,三根线之间有如下规律:
A与B或C之间的阻值常温下在110欧左右,B与C之间为0欧,B与C在内部是直通的,原则上B与C没什么区别。
仪表上接传感器的固定端子有三个:
A线接在仪表上接传感器的一个固定的端子。
B和C接在仪表上的另外两个固定端子,B和C线的位置可以互换,但都得接上,。
如果中间接有加长线,三条导线的规格和长度要相同。
热电阻的3线和4线接法:
是采用2线、3线、4线,主要由使(选)用的二次仪表来决定。
一般显示仪表提供三线接法,PT100一端出一颗线,另一端出两颗线,都接仪表,仪表内部通过桥抵消导线电阻。
一般PLC为四线,每端出两颗线,两颗接PLC输出恒流源,PLC通过另两颗测量PT100上的电压,也是为了抵消导线电阻,四线精确度最高,三线也可以,两线最低,具体用法要考虑精度要求和成本。
4.2.3Pt100温度传感器的主要技术参数
测量范围:
-200℃~+850℃;允许偏差值△℃:
A级±(0.15+0.002│t│),B级±(0.30+0.005│t│);热响应时间<30s;最小置入深度:
热电阻的最小置入深度≥200mm;允通电流≤5mA。
另外,Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。
为了提高温度测量的准确性,应使用1V电桥电源、A/D转换器的5V参考电源要稳定在1mV级;在价格允许的情况下,Pt100传感器、A/D转换器和运放的线性度要高。
同时,利用软件矫正其误差,可以使测得温度的精度在±0.2℃。
Pt100温度传感器的使用,Pt100温度传感器是一个模拟信号,它在实际应用中有二种形式:
一种是不需要显示的主要采集到PLC,这样的话在使用的时候就是只需要一块Pt100的集成电路,要注意的是这个集成电路采集的不是电流信号是电阻值,Pt100的集成电路(需要一个+-12VDC电源提供工作电压)直接把采集到的电阻变为1-5VDC输入到PLC,经过简单的+-*/计算就可以得到相应的温度值.(这样的形式可以同时采集多路),还有一种就是单独的一个Pt100温度传感器(工作电源是24VDC),产生一个4-20mA的电流,然后再通过一个4-20mA电流电路板把4-20mA的电流变为1-5V电压,这个不一样的就是可以窜连一个电磁指示仪表,其他的基本一样。
5A/D转换电路
5.1ADC0809
ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
它是逐次逼近式A/D转换器,可以和单片机直接接口[11]。
5.1.1ADC0809引脚及功能
ADC0809引脚图如图5所示。
其功能如下:
D7-D0:
8位数字量输出引脚。
IN0-IN7:
8位模拟量输入引脚。
VCC:
+5V工作电压。
GND:
地。
REF(+):
参考电压正端。
REF(-):
参考电压负端。
START:
A/D转换启动信号输入端。
ALE:
地址锁存允许信号输入端。
(以上两种信号用于启动A/D转换)。
EOC:
转换结束信号输出引脚,开始转换时为低电平,当转换结束时为高电平。
OE:
输出允许控制端,用以打开三态数据输出锁存器。
CLK:
时钟信号输入端(一般为500KHz)。
A、B、C:
地址输入线[12]。
图5ADC0809引脚图
ADC0809对输入模拟量要求:
信号单极性,电压范围是0-5V,若信号太小,必须进行放大;输入的模拟量在转换过程中应该保持不变,如若模拟量变化太快,则需在输入前增加采样保持电路[13]。
5.2ADC0809应用说明
(1)ADC0809内部带有输出锁存器,可以与AT89S51单片机直接相连。
(2)初始化时,使ST和OE信号全为低电平。
(3)送要转换的哪一通道的地址到A,B,C端口上。
(4)在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。
(5)是否转换完毕,我们根据EOC信号来判断。
(6)当EOC变为高电平时,这时OE为高电平,转换的数据输出给单片机[14]。
5.2ADC0804
5.2.1ADC0804引脚及功能
ADC0804的管脚图如图6所示。
图6ADC0804管脚图
5.2.2ADC0804与单片机的接口电路
ADC0804与单片机的连接如图7所示。
图7ADC0804与单片机的接口电路图
6液晶显示电路
液晶显示器即LCD,其应用很广泛,简单如手表上的液晶显示屏,仪表仪器上的液晶显示器或者是电脑笔记本上的液晶显示器等。
在一般的办公设备上也很常常见到LCD的足迹。
常见的液晶有LCD1602和12864[15]。
6.1LCD1602引脚及功能
LCD1602的引脚如图8所示。
图8LCD1602的引脚图
6.2LCD1602与单片机的接口电路
LCD1602与单片机的连接如图9所示。
图9LCD1602与单片机的接口电路
7报警电路
当温度值达到预设的上下限时,微控制器就会启动蜂鸣器报警装置,同时LED发光二极管闪烁。
蜂鸣器与家用电气上的喇叭在用法上也有相似的地方,通常工作电流比较大,电路上的TTL点评基本上驱动不了蜂鸣器,需要增加一个电流放大电路才可以驱动蜂鸣器发出声音,因此,增加了一个三极管来增加通过蜂鸣器的电流[16]。
报警电路如图10声光报警电路所示。
图10声光报警电路
总结
通过大量文献分析及总结,本设计以单片机为控制器,设计一种数字温度计,数字温度计采用温度敏感元件也就是温度传感器采集数据信号,如果采集的信号是模拟信号,需要将模拟信号通过A/D转换器转换成数字信号,再将数字信号送给单片机进行数据处理,处理单元经过内部的软件计算将这个数字信号和温度联系起来,即转化成可以显示出来的温度数值,然后通过显示单元显示出来,当温度越限时,可以实现报警功能。
基本要求是:
1.设计一种基于单片机的数字温度计,并使用proteus软件进行仿真;
2.实现温度的LCD显示,并可以同时显示摄氏温度和华氏温度;
3.实现温度的上下限报警,并可以通过键盘自行设定报警温度值;
4.温度的精度误差小于0.1℃。
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