数字温度计设计.rar

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    数字 温度计 设计
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    科技学院 2011 届本科毕业论文数字温度计设计专 业: 电子信息工程 指导教师: 张勇 学生姓名: 杨宏 学生学号: 072004110497 中国﹒贵州﹒贵阳2011 年 5 月贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 I 页目录摘要 ...........................................................................................................................................IIIAbstract.....................................................................................................................................IV第一章 绪论 .............................................................................................................................11.1 引言 ...........................................................................................................................11.2 课题现状 ...................................................................................................................11.3 国内外发展历史 .......................................................................................................21.4 课题的研究目的和意义 ...........................................................................................3第 二 章 设 计 方 案 ..................................................................................................................42.1 单片机芯片的选择方案和论证 ..............................................................................42.2 显示模块选择方案和论证 ......................................................................................42.3 温度传感器芯片的选择方案和论证 ......................................................................42.4 电路设计最终方案决定 ..........................................................................................5第三章 系统的硬件设计与实现 .............................................................................................63.1 系统硬件概述 ..........................................................................................................63.2 各单元电路的设计 ..................................................................................................63.2.1 单片机主控制器的设计 ...............................................................................63.2.2 温度传感器的设计 .......................................................................................73.2.3 显示模块的设计 ...........................................................................................83.2.4 电路原理及说明 ...........................................................................................8第四章 软件设计 ...................................................................................................................234.1 主程序 ....................................................................................................................234.2 温度转换读取温度数值程序 ................................................................................244.3 计算温度子程序 ....................................................................................................264.4 显示数据刷新子程序 ............................................................................................264.5 报警子程序 ............................................................................................................274.6 数据接收显示单元设计 ........................................................................................28贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 II 页4.6.1 LED 数码显示温度的设计 ........................................................................284.6.2 数据接收显示单元的软件设计 .................................................................28第五章 结论 ...........................................................................................................................30参考文献 ...................................................................................................................................32致 谢 .....................................................................................................................................33贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 III页数字温度计设计摘要温度,贯穿我们的生活,学习,与社会发展,科技研发都密不可分。单片机具有处理能力强、运行速度快、功耗低等优点,尤其在温度测量和控制方面,控制简单方便,测量范围广,精度较高,得到广泛应用。数字温度计测温技术作为对传统温度计测温技术的突破,它在测温中的作用也越来越明显,应用范围也越来越广。所以广泛地应用到测量、监测、控制、诊断、科学试验等各个领域中。在进行设计的同时对单片机的理论基础和外围扩展知识进行了比较全面准备,并把所学的知识和实践结合在一起,巩固理论知识的同时加强了自己的动手能力。以 AT89S51 单片机和 DS18B20 为温度传感器的新型数字温度计设计方法,其硬件电路包括主控制器,测温电路和显示电路等。该温度计用于软件编写过程中对上下报警温度值设置,当温度不在设置范围内时,可以报警。基于单片机控制的 DS18B20数字温度计具有线路简单、体积小、测温精度高、稳定可靠等特点。与传统的温度计相比,该数字温度计减少了外部硬件电路,具有低成本和易使用的特点。关键词:MCU;数字温度计;温度传感器;设计贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 IV 页Design of Digital ThermometerAbstractTemperature, throughout our lives, learning, and social development, science and technology research and development are inseparable. MCU with processing ability, running speed, low power consumption, especially in the temperature measurement and control, the control is simple and convenient, wide measurement range, high accuracy, are widely used. Digital Thermometer temperature Thermometer temperature measurement technology as the traditional technology breakthroughs, it's role in the temperature has become increasingly evident, more and more wide range of applications. So widely used to measure, monitor, control, diagnosis, scientific experiments and other fields. During the design of both the theoretical basis of the MCU and peripheral expansion of knowledge to prepare a more comprehensive and learned to combine the knowledge and practice to consolidate the theoretical knowledge while strengthening their ability. The AT89S51 microcontroller and DS18B20 as new digital thermometer temperature sensor design, the hardware circuit including the main controller, the temperature measurement circuit and display circuit. The thermometer used for software development process of the upper and lower alarm temperature settings are not set when the temperature range, can call the police. Microcontroller based digital thermometer with a simple circuit DS18B20, small size, high accuracy temperature measurement, stability and reliability. Compared with the traditional thermometer, digital thermometer to reduce the external hardware circuit, with a low-cost and easy to use features. Key words: MCU,digital thermometer,temperature sensor,design 贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 1 页第一章 绪论1.1 引言在科学实验中,我们要对温度进行有效的控制,可以采用数字调节仪表或者模拟,但是它们却存在着一定的缺陷。而用单片机进行温度的调节就具备更高的可靠性和灵活性 [1]。在日常生活及工农业生产中也要用到温度的检测及控制,在食品加工、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、烘干箱等电器也在需要进行温度检测与控制。随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现,能够独立工作的温度检测和显示系统应用于诸多领域。传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件。热敏电阻的成本低,但需后续信号处理电路,而且可靠性相对较差,测温准确度低,检测系统也有一定的误差。与传统的温度计相比,这里设计的数字温度计具有读数方便,测温范围广,测温精确,数字显示,适用范围宽等特点。1.2 课题现状温度的测量在实际的生产、生活中具有十分重要的意义。温度作为一种最基本的环境条件参数,与工业、农业、养殖业的生产以及医学乃至人们的日常生活都是紧密相关的。因此对于温度的测量方法与装置的研究就凸显得非常重要。由单片机与温度传感器构成的测温系统可广泛应用于很多领域。而 数 字 温 度 计 采 用 进 口 芯 片 组 装 精 度高 、 高 稳 定 性 , 误 差 ≤0.5%, 内 电 源 、 微 功 耗 、 不 锈 钢 外 壳 , 防 护 坚 固 , 美 观 精 致 。数 字 温 度 计 采 用 进 口 高 精 度 、 低 温 漂 、 超 低 功 耗 集 成 电 路 和 宽 温 型 液 晶 显 示 器 , 内置 高 能 量 电 池 连 续 工 作 ≥5 年 无 需 敷 设 供 电 电 缆 , 是 一 种 精 度 高 、 稳 定 性 好 、 适 用性 极 强 的 新 型 现 场 温 度 显 示 仪 。 是 传 统 现 场 指 针 双 金 属 温 度 计 的 理 想 替 代 产 品 , 广泛 应 用 于 各 类 工 矿 企 业 , 科 研 院 所 。 所以近年来单片机系统在工业测控领域的应用越来越广泛,它既可以测量电信号,又可以测量温度、湿度等非电信号,在日常生活及工农业生产等许多领域,经常要用到温度的检测及控制。传统的温度检测大多以热敏电阻作为温度传感器。但是,热敏电阻的可靠性较差、测量温度准确率低,而且还必须经专门的接口电路转换成数字信号后才能由单片机进行处理。本文就介绍一种采用数字化温度传感器实现的基于单片机的数字温度计 [2]。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 2 页1.3 国内外发展历史最 早 的 温 度 计 是 在 1593 年 由 意 大 利 科 学 家 伽 利 略 (1564~ 1642)发 明 的 。 他 的第 一 只 温 度 计 是 一 根 一 端 敞 口 的 玻 璃 管 , 另 一 端 带 有 核 桃 大 的 玻 璃 泡 。 使 用 时 先 给玻 璃 泡 加 热 , 然 后 把 玻 璃 管 插 入 水 中 。 随 着 温 度 的 变 化 , 玻 璃 管 中 的 水 面 就 会 上 下移 动 , 根 据 移 动 的 多 少 就 可 以 判 定 温 度 的 变 化 和 温 度 的 高 低 。 温 度 计 有 热 胀 冷 缩 的作 用 所 以 这 种 温 度 计 , 受 外 界 大 气 压 强 等 环 境 因 素 的 影 响 较 大 , 所 以 测 量 误 差 大 。后 来 伽 利 略 的 学 生 和 其 他 科 学 家 , 在 这 个 基 础 上 反 复 改 进 , 如 把 玻 璃 管 倒 过 来 ,把 液 体 放 在 管 内 , 把 玻 璃 管 封 闭 等 。 比 较 突 出 的 是 法 国 人 布 利 奥 在 1659 年 制 造 的温 度 计 , 他 把 玻 璃 泡 的 体 积 缩 小 , 并 把 测 温 物 质 改 为 水 银 , 这 样 的 温 度 计 已 具 备 了现 在 温 度 计 的 雏 形 。 以 后 荷 兰 人 华 伦 海 特 在 1709 年 利 用 酒 精 , 在 1714 年 又 利 用水 银 作 为 测 量 物 质 , 制 造 了 更 精 确 的 温 度 计 。 他 观 察 了 水 的 沸 腾 温 度 、 水 和 冰 混 合时 的 温 度 、 盐 水 和 冰 混 合 时 的 温 度 ; 经 过 反 复 实 验 与 核 准 , 最 后 把 一 定 浓 度 的 盐 水凝 固 时 的 温 度 定 为 0℉, 把 纯 水 凝 固 时 的 温 度 定 为 32℉, 把 标 准 大 气 压 下 水 沸 腾 的温 度 定 为 212℉, 用 ℉代 表 华 氏 温 度 , 这 就 是 华 氏 温 度 计 。在 华 氏 温 度 计 出 现 的 同 时 , 法 国 人 列 缪 尔 (1683~ 1757)也 设 计 制 造 了 一 种 温 度计 。 他 认 为 水 银 的 膨 胀 系 数 太 小 , 不 宜 做 测 温 物 质 。 他 专 心 研 究 用 酒 精 作 为 测 温 物质 的 优 点 。 他 反 复 实 践 发 现 , 含 有 1/5 水 的 酒 精 , 在 水 的 结 冰 温 度 和 沸 腾 温 度 之 间 ,其 体 积 的 膨 胀 是 从 1000 个 体 积 单 位 增 大 到 1080 个 体 积 单 位 。 因 此 他 把 冰 点 和 沸点 之 间 分 成 80 份 , 定 为 自 己 温 度 计 的 温 度 分 度 , 这 就 是 列 氏 温 度 计 。华 氏 温 度 计 制 成 后 又 经 过 30 多 年 , 瑞 典 人 摄 尔 修 斯 于 1742 年 改 进 了 华 伦 海特 温 度 计 的 刻 度 , 他 把 水 的 沸 点 定 为 0 度 , 把 水 的 冰 点 定 为 100 度 。 后 来 他 的 同事 施 勒 默 尔 把 两 个 温 度 点 的 数 值 又 倒 过 来 , 就 成 了 现 在 的 百 分 温 度 , 即 摄 氏 温 度 ,用 ℃ 表 示 。 华 氏 温 度 与 摄 氏 温 度 的 关 系 为 : ℉=9/5℃+32, 或 ℃=5/ 9(℉-32)。 ( 1.1)现 在 英 、 美 国 家 多 用 华 氏 温 度 , 德 国 多 用 列 氏 温 度 , 而 世 界 科 技 界 和 工 农 业 生产 中 , 以 及 我 国 、 法 国 等 大 多 数 国 家 则 多 用 摄 氏 温 度 。 而 数 字 温 度 计 则 是 一 种 读数方便,测温范围广,测温精确,数字显示,适用范围宽的摄 氏 温 度 计 。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 3 页1.4 课题的研究目的和意义总结一下在校四年来的学习成果。检查自己在综合运用所学知识解决实际问题的能力怎么样。一个是综合运用所学知识,一个是解决实际问题的能力。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,它所带给人们带来的方便也是不可否认的,在当今的日常生活和工作中,随着时代的发展,数字化控制无疑将是一种趋势,因为它为现代人类带来了很多的便捷信息、电子、物流等许多领域都有广泛的应用。温 度 数 是 我 们 日 常 生 产 和 生 活 中 时 时 都 在 接 触 的 物 理 量 , 但 是 它 是 看 不到 的 , 仅 凭 感 觉 只 能 感 觉 到 大 概 的 温 度 值 , 传 统 的 指 针 式 的 温 度 计 虽 然 能 指 示 温 度 ,但 是 精 度 低 , 使 用 不 够 方 便 , 显 示 不 够 直 观 , 数 字 温 度 计 的 出 现 可 以 让 人 们 直 观 的了 解 自 己 想 知 道 的 温 度 到 底 是 多 少 度 。 随着人们对它的要求越来越高,为现代人工作、科研、生活提供更好、更方便的设施,就需要从单片机技术入手,朝着数字化、智能化控制方向发展。本毕业设计介绍了温度计的测量和控制之间的关系:检测是控制的基础和前提,而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。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。目前温度计的发展很快,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、数字温度计、电子温度计等等。目前的温度计中传感器是它的重要组成部分,它的精度灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。传感器应用极其广泛,目前已经研制出多种新型传感器。但是,作为应用系统设计人员需要根据系统要求选用适宜的传感器,并与自己设计的系统连接起来,从而构成性能优良的监控系统。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 4 页第 二 章 设 计 方 案2.1 单片机芯片的选择方案和论证方案一:由于本设计是测量温度,所以可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应,在将随被测温度变化的电压或电流采集过来,进行转换后,就可以用单片机进行数据的处理,在显示电路上,就可以将被测的温度显示出来,这种设计需要用到转换电路,电路设计比较麻烦,故不用此方案。方案二:在单片机电路设计中,大多都是使用传感器,所以可以采用温度传感器,此传感器,可以容易直接读取被测的温度值,进行转换,就可以达到目的。从以上的两种设计方案,可以看出,方案二比较简捷,同时可以达到实现减小误差,为日常生活和工农业生产带去便利,故采用方案二。2.2 显示模块选择方案和论证方案一:采用点阵式数码管显示,点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成,对于显示文字比较适合,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以也不用此种作为显示。方案二:采用 LED 数码管动态扫描,LED 数码管价格适中,采用动态扫描法与单片机连接时 ,虽然占用的单片机口线少,但是连线还需要花费一点时间,然而对于对于本设计的显示温度值合适,所以用此种模块作为显示。2.3 温度传感器芯片的选择方案和论证方案一 :AD590 工作温度范围大,在整个工作温度范围内非线性的误差小于±0.5℃ 还有器件本身还与外壳绝缘。但自身不能直接显示温度数值,还得进行 A/D 转换,不利于本设计的便捷性,所以不选。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 5 页方案二:DS18B20 是一种数字化温度传感器,外电路简单,精度高,误差小,反应快,测量范围大。虽然芯片的价格比较昂贵,由于输出的直接就是数字信号,所以就省去了A∕D 转换电路,可以直接送入单片机进行数据处理, 有利于本设计,故选择方案二。2.4 电路设计最终方案决定综上各方案所述,对此次设计的方案选定: 采用 AT89S51 作为主控制器; DS18B20 作为温度传感器;采用 LED 数码管动态扫描作为显示。单片机 AT89S51 通过采用智能温度传感器 DSl8820 集成芯片来完成温度采集,此芯片可以把温度传感器、A/D 传感器、寄存器、接口电路集成在一块芯片中,然后可以直接数字化输出和测试[3]。其总体设计方框如 2.1 图所示:图 2.1 总体设计方框图报警电路电源、时钟复位电路等 DS18B20 温度传感器LED显示AT89S51单片机主控制器
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