數(shù)字溫度計的設(shè)計與制作-

./數(shù)字溫度計的設(shè)計與制作[摘要]隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,人們需要對各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中溫度進行檢測和控制。采用單片機來對他們控制不僅具有控制方便,簡單和靈活性大等優(yōu)點,而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標,從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。在日常生活以及工業(yè)生產(chǎn)過程中,經(jīng)常要用到溫度的檢測及控制,溫度是生產(chǎn)過程和科學實驗中普遍而且重要的物理參數(shù)之一。在生產(chǎn)過程中,為了高效地進行生產(chǎn),必須對它的主要參數(shù),如溫度、壓力、流量等進行有效的控制。溫度控制在生產(chǎn)過程中榨油相當大的比例。溫度測量是溫度控制的基礎(chǔ),技術(shù)已經(jīng)比較成熟。傳統(tǒng)的測溫元件有熱電偶和二電阻。而熱電偶和熱電阻測出的一般都是電壓,再轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度,這些方法相對比較復(fù)雜,需要比較多的外部硬件支持。我們用一種相對比較簡單的方式來測量。我們采用美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS18B20之后推出的一種改進型智能溫度傳感器DS18B20作為檢測元件,溫度圍為-55~125oC,最高分辨率可達0.0625oC。DS18B20可以直接讀出北側(cè)溫度值,而且采用三線制與單片機相連,減少了外部的硬件電路,具有低成本和易使用的特點。本文介紹一種基于AT89C51單片機的一種溫度測量及報警電路,該電路采用DS18B20作為溫度監(jiān)測元件,測量圍0℃-～+100℃,使用LED模塊顯示,能設(shè)置溫度報警上下限。正文著重給出了軟硬件系統(tǒng)的各部分電路,介紹了集成溫度傳感器DS18B20的原理,AT89C51單片機功能和應(yīng)用。該電路設(shè)計新穎、功能強大、結(jié)構(gòu)簡單。[關(guān)鍵詞]溫度測量DSI8B20AT89C51目錄TOC\o"1-2"\h\z\u一、緒論6<一>課題背景及意義6<二>課題的研究與開發(fā)目的6<三>本文的主要工作6二、開發(fā)工具介紹6<一>Proteus6<二>Keil7三、系統(tǒng)概述7<一>方案一7<二>方案二8<三>系統(tǒng)設(shè)計原理8<四>系統(tǒng)組成8<五>DS18B20溫度傳感器與單片機的借口電路9四、系統(tǒng)軟件設(shè)計10<一>主程序設(shè)計10<二>DS18B20初始化11<三>數(shù)據(jù)測試12<四>仿真結(jié)果12五、結(jié)束部分15<一>結(jié)語15<二>致16參考文獻17數(shù)字溫度計的設(shè)計與制作緒論<一>課題背景及意義隨著新技術(shù)的不斷開發(fā)與應(yīng)用,近年來單片機發(fā)展十分迅速,一個以微機應(yīng)用為主的新技術(shù)革命浪潮正在蓬勃興起,單片機的應(yīng)用已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材、機械、食品、石油等各個行業(yè)。傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費時費力,而且精度差,單片機的出現(xiàn)使得溫度的采集和數(shù)據(jù)處理問題能夠得到很好的解決。溫度是工業(yè)對象中的一個重要的被控參數(shù)。然而所采用的測溫元件和測量方法也不相同；產(chǎn)品的工藝不同,控制溫度的精度也不相同。因此對數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制方法也不相同。傳統(tǒng)的控制方式以不能滿足高精度,高速度的控制要求,如溫度控制表溫度接觸器,其主要缺點是溫度波動圍大,由于他主要通過控制接觸器的通斷時間比例來達到改變加熱功率的目的,受儀表本身誤差和交流接觸器的壽命限制,通斷頻率很低。近幾年來快速發(fā)展了多種先進的溫度控制方式,如：PID控制,模糊控制,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法控制等。這些控制技術(shù)大大的提高了控制精度,不但使控制變得簡便,而且使產(chǎn)品的質(zhì)量更好,降低了產(chǎn)品的成本,提高了生產(chǎn)效率。本系統(tǒng)所使用的加熱器件是電爐絲,功率為三千瓦,要求溫度在400～1000℃。靜態(tài)控制精度為2.43℃。本設(shè)計使用單片機作為核心進行控制。單片機具有集成度高,通用性好,功能強,特別是體積小,重量輕,耗能低,可靠性高,抗干擾能力強和使用方便等獨特優(yōu)點,在數(shù)字、智能化方面有廣泛的用途。<二>課題的研究與開發(fā)目的1.鞏固、加深和擴大單片機應(yīng)用的知識面,提高綜合及靈活運用所學知識解決工業(yè)控制的能力。2.培養(yǎng)針對課題需要,選擇和查閱有關(guān)手冊、圖表及文獻資料的自學能力,提高組成系統(tǒng)、編程、調(diào)試的動手能力。3.通過對課題設(shè)計方案的分析、選擇、比較、熟悉單片機用系統(tǒng)開發(fā)、研制的過程,軟硬件設(shè)計的方法、容及步驟。<三>本文的主要工作本課題的研究重點是設(shè)計一種基于單片機的數(shù)字溫度計控制系統(tǒng)。利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20,此傳感器課讀取被測量溫度值,進行轉(zhuǎn)換。主要工作如下：1.溫度測試基本圍0℃—100℃。2.精度誤差小于1℃。3.LED液晶顯示。4.可以設(shè)定溫度的上下限報警功能。5.實現(xiàn)報警提示。二、開發(fā)工具介紹<一>ProteusProteus軟件是英國Labcenterelectronics公司出版的EDA工具軟件〔該軟件中國總代理為風標電子技術(shù)。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能,還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國推廣剛起步,但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具<仿真軟件>,從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真,一鍵切換到PCB設(shè)計,真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺,其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等,20XX即將增加Cortex和DSP系列處理器,并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面,它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。該軟件的特點是：1.實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合,具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、各種單片機<51系列、AVR、PIG等常用的MCU>及其外圍電路<如LCD、RAM、ROM、鍵盤、LED、A/D、D/A……>組成的系統(tǒng)仿真。2.提供了多種虛擬儀器。如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等,調(diào)試非常方便。3.提供軟件調(diào)試功能,同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境,如Keil等軟件。4.具有強大的原理圖繪制功能。Proteus與其它單片機仿真軟件不同的是,它不僅能仿真單片機CPU的工作情況,也能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調(diào)試時,關(guān)心的不再是某些語句執(zhí)行時單片機寄存器和存儲器容的改變,而是從工程的角度直接看程序運行和電路工作的過程和結(jié)果。對于這樣的仿真實驗．從某種意義上講,是彌補了．實驗和工程應(yīng)用閹脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象。同時,當硬件調(diào)試成功后,利用ProteusARES軟件,很容易獲得其PCB圖,為今后的制造提供了方便。<二>KeilKeilC51是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng),與匯編相比,C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢,因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā),體會更加深刻。KeilC51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具,全Windows界面。另外重要的一點,只要看一下編譯后生成的匯編代碼,就能體會到KeilC51生成的目標代碼效率非常之高,多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊,容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。KeilC51軟件是一個基于32位Windows環(huán)境的應(yīng)用程序,支持C語言和匯編語言編程,其6.0以上的版本將編譯和仿真軟件統(tǒng)一為μVision<通常稱為μV2>。Keil提供包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在的完整開發(fā)方案,由以下幾部分組成：μVisionIDE集成開發(fā)環(huán)境C51編譯器、A51匯編器、LIB51庫管理器、BL51連接/定位器、OH51目標文件生成器以及Monitor-51、RTX51實時操作系統(tǒng)。三、系統(tǒng)概述<一>方案一采用熱電偶溫差電路測溫,溫度檢測部分可以使用低溫熱偶,熱電偶由兩個焊接在一起的異金屬導(dǎo)線所組成,熱電偶產(chǎn)生的熱電勢由兩種金屬的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電勢組成。通過將參考結(jié)點保持在已知溫度并測量該電壓,便可推斷出檢測結(jié)點的溫度。數(shù)據(jù)采集部分則使用帶有A/D通道的單片機,在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來,進行A/D轉(zhuǎn)換后,就可以用單片機進行數(shù)據(jù)的處理,在顯示電路上,就可以將被測溫度顯示出來。熱電偶的優(yōu)點是工作溫度圍非常寬,且體積小,但是它們也存在著輸出電壓小、容易遭受來自導(dǎo)線環(huán)路的噪聲影響以及漂移較高的缺點,并且這種設(shè)計需要用到A/D轉(zhuǎn)換電路,感溫電路比較麻煩。系統(tǒng)主要包括對A/D0809的數(shù)據(jù)采集,自動手動工作方式檢測,溫度的顯示等,這幾項功能的信號通過輸入輸出電路經(jīng)單片機處理。此外還有復(fù)位電路,晶振電路,啟動電路等。故現(xiàn)場輸入硬件有手動復(fù)位鍵、A/D轉(zhuǎn)換芯片,處理芯片為51芯片,執(zhí)行機構(gòu)有4位數(shù)碼管、報警器等。系統(tǒng)框圖如圖3-1所示。圖3-1熱電偶溫差電路測溫系統(tǒng)框圖<二>方案二采用數(shù)字溫度芯片DS18B20測量溫度,輸出信號全數(shù)字化。便于單片機處理及控制,省去傳統(tǒng)的測溫方法的很多外圍電路。且該芯片的物理化學性很穩(wěn)定,它能用做工業(yè)測溫元件,此元件線形較好。在0—100攝氏度時,最大線形偏差小于1攝氏度。DS18B20的最大特點之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸,由數(shù)字溫度計DS18B20和微控制器AT89S51構(gòu)成的溫度測量裝置,它直接輸出溫度的數(shù)字信號,可直接與計算機連接。這樣,測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就比較簡單,體積也不大。采用51單片機控制,軟件編程的自由度大,可通過編程實現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制,而且體積小,硬件實現(xiàn)簡單,安裝方便。既可以單獨對多DS18B20控制工作,還可以與PC機通信上傳數(shù)據(jù),另外AT89S51在工業(yè)控制上也有著廣泛的應(yīng)用,編程技術(shù)及外圍功能電路的配合使用都很成熟。該系統(tǒng)利用AT89S51芯片控制溫度傳感器DS18B20進行實時溫度檢測并顯示,能夠?qū)崿F(xiàn)快速測量環(huán)境溫度,并可以根據(jù)需要設(shè)定上下限報警溫度。該系統(tǒng)擴展性非常強,它可以在設(shè)計中加入時鐘芯片DS1302以獲取時間數(shù)據(jù),在數(shù)據(jù)處理同時顯示時間,并可以利用AT24C16芯片作為存儲器件,以此來對某些時間點的溫度數(shù)據(jù)進行存儲,利用鍵盤來進行調(diào)時和溫度查詢,獲得的數(shù)據(jù)可以通過MAX232芯片與計算機的RS232接口進行串口通信,方便的采集和整理時間溫度數(shù)據(jù)。從以上兩種方案,容易看出方案一的測溫裝置可測溫度圍寬、體積小,但是線性誤差較大。方案二的測溫裝置電路簡單、精確度較高、實現(xiàn)方便、軟件設(shè)計也比較簡單,故本次設(shè)計采用了方案二。<三>系統(tǒng)設(shè)計原理利用溫度傳感器DS18B20可以直接讀取被測溫度值,進行轉(zhuǎn)換的特性,模擬溫度值經(jīng)過DS18B20處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字值,然后送到單片機中進行數(shù)據(jù)處理,并與設(shè)置的溫度報警限比較,超過限度后通過揚聲器報警。同時處理后的數(shù)據(jù)送到LED中顯示。<四>系統(tǒng)組成本課題以是80C51單片機為核心設(shè)計的一種數(shù)字溫度控制系統(tǒng),系統(tǒng)整體硬件電路包括,傳感器數(shù)據(jù)采集電路,溫度顯示電路,上下限報警調(diào)整電路,單片機主板電路等組成。系統(tǒng)框圖主要由主控制器、單片機復(fù)位、報警按鍵設(shè)置、時鐘振蕩、LED顯示、溫度傳感器組成。系統(tǒng)框圖如圖3-2所示。圖3-2系統(tǒng)基本方框圖主控制器單片機AT89C51具有低電壓供電和體積小等特點,四個端口只需要兩個口就能滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計需要,很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。顯示電路顯示電路采用LED液晶顯示數(shù)碼管,從P3口RXD,TXD串口輸出段碼。顯示電路是使用的串口顯示,這種顯示最大的優(yōu)點就是使用口資源比較少,只用p3口的RXD,和TXD,串口的發(fā)送和接收,四只數(shù)碼管采用74LS164右移寄存器驅(qū)動,顯示比較清晰。溫度傳感器溫度傳感器采用美國DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器。DS18B20輸出信號全數(shù)字化。便于單片機處理及控制,在0—100攝氏度時,最大線形偏差小于1攝氏度,采用單總線的數(shù)據(jù)傳輸,可直接與計算機連接。用AT89S51芯片控制溫度傳感器DS18B20進行實時溫度檢測并顯示,能夠?qū)崿F(xiàn)快速測量環(huán)境溫度,并可以根據(jù)需要設(shè)定上下限報警溫度。獲得的數(shù)據(jù)可以通過MAX232芯片與計算機的RS232接口進行串口通信,方便的采集和整理時間溫度數(shù)據(jù)。<五>DS18B20溫度傳感器與單片機的借口電路DS18B20可以采用兩種方式供電,一種是采用電源供電方式,此時DS18B20的1腳接地,2腳作為信號線,3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式,如圖3-3所示單片機端口接單線總線,為保證在有效的DS18B20時鐘周期提供足夠的電流,可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉。當DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉(zhuǎn)換操作時,總線上必須有強的上拉,上拉開啟時間最大為10us。采用寄生電源供電方式時VDD端接地。由于單線制只有一根線,因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。圖3-3DS18B20與單片機的接口電路四、系統(tǒng)軟件設(shè)計<一>主程序設(shè)計整個系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實現(xiàn)的,當硬件基本定型后,軟件的功能也就基本定下來了。從軟件的功能不同可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件〔主程序,它是整個控制系統(tǒng)的核心,專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系。二是執(zhí)行軟件〔子程序,它是用來完成各種實質(zhì)性的功能如測量、計算、顯示、通訊等。每一個執(zhí)行軟件也就是一個小的功能執(zhí)行模塊。這里將各執(zhí)行模塊一一列出,并為每一個執(zhí)行模塊進行功能定義和接口定義。各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后,就可以規(guī)劃監(jiān)控程序了。首先要根據(jù)系統(tǒng)的總體功能選擇一種最合適的監(jiān)控程序結(jié)構(gòu),然后根據(jù)實時性的要求,合理地安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊之間地調(diào)度關(guān)系。主程序流程見圖4-1。圖4-1主程序流程圖<二>DS18B20初始化18B20初始化流程圖見圖4-2。圖4-2DS18B20初始化流程圖<三>數(shù)據(jù)測試將溫度傳感器與冰水混合物接觸,經(jīng)過充分攪拌達到熱平衡后調(diào)節(jié)系統(tǒng),使顯示讀數(shù)為0.00<標定0℃>；利用氣壓計讀出當時當?shù)氐拇髿鈮簭?并根據(jù)大氣壓強和當?shù)刂亓铀俣扔嬎愠霎敃r的實際壓強；根據(jù)沸點與壓強的關(guān)系查出沸點溫度。把溫度傳感器放入沸水中,待顯示讀數(shù)穩(wěn)定后重新調(diào)節(jié),使顯示器顯示讀數(shù)等于當?shù)禺敃r沸點溫度后工作結(jié)束。該溫度計的量程為0℃～100℃,讀數(shù)精度為0.1℃,實際使用一般在0℃～100℃。采用0℃～50℃和50℃～100℃的精密水銀溫度計作檢驗標準,對設(shè)計的溫度計進行測試,其結(jié)果表明能達到該精度要求。<四>仿真結(jié)果設(shè)置溫度上限為37度,溫度下限為10度。1.如圖4-3所示。此時溫度時43度,超出上限溫度,黃燈亮,實現(xiàn)報警。圖4-3仿真12.如圖4-4所示。此時溫度為5度,低于下限溫度,綠燈亮,實現(xiàn)報警。圖4-4仿真23.如圖4-5所示。此時溫度為20度,在所設(shè)圍,兩燈都沒亮,說明溫度正常。圖4-5仿真3五、結(jié)束部分<一>結(jié)語本文介紹了基于80C51單片機的數(shù)字溫度計控制系統(tǒng)的設(shè)計,對整個硬件電路和軟件程序設(shè)計做了分析,文中介紹了數(shù)字溫度計的現(xiàn)狀及發(fā)展,介紹了仿真軟件proteus及keil的基本知識,學習了proteus的仿真方法和步驟,介紹了數(shù)字溫度計的設(shè)計方案選擇及原理介紹,加深了51單片機的知識了解,介紹51單片機的結(jié)構(gòu)、特點等。并學習了數(shù)字溫度傳感器DS18B20,設(shè)計軟件仿真,更直觀的反應(yīng)設(shè)計的正確性。本文對其中的一些基本原理也做了簡要的概述。其實寫完了本篇論文,也僅僅是對數(shù)字溫度計控制系統(tǒng)做出了一個簡單的設(shè)計方案,數(shù)字溫度計科利用在很多領(lǐng)