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基于51单片机的数字温度控制器.doc

发布时间：2022-06-24 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.52M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    摘要
    Abstract
    绪论
    第一章 温度传感器的应用及问题
    1.1 引言
    1.2传感器
    1.3 任务与要求
    1.3.1 本设计课题的目的和意义
    1.3.2 设计任务及指标
    第二章 温度传感器的简介
    2.1集成温度传感器的介绍
    2.2 温度传感器的发展历史
    2.2.1分立式温度传感器
    2.2.2模拟集成温度传感器
    2.2.3模拟集成温度控制器
    2.2.4智能温度传感器
    2.2.5智能温度控制器
    2.2.6内含温度传感器的专用集成电路
    2.3 智能温度传感器发展的新趋势
    2.3.1 提高测温精度和分辨率
    2.3.2 不断增加测试功能
    2.3.3总线技术的标准化与规范化
    2.3.4可靠性及安全性设计
    2.3.5开发虚拟温度传感器和网络温度传感器
    2.3.6研制单片测温系统
    2.4 本章小结
    第三章 智能温度传感器与单片机
    3.1 智能温度传感器的产品分类
    3.2 智能温度传感器典型产品的技术指标
    3.3 单片机AT89C2051的简介
    3.4 单片机AT89C2051的引脚图
    3.5 本章小结
    第四章DS18B20数字温度计
    4.1 DS18B20温度传感器的性能特点
    4.2 DS18B20温度传感器的内部结构框图及设置
    4.3DS18B20温度传感器与单片机的接口电路
    4.4本章小结
    第五章 数字温度计的设计
    5.1 总体设计方案
    5.2方案的总体设计框图
    5.2.1主控制器
    5.2.2显示电路
    5.2.3温度传感器
    5.2.3DS18B20温度传感器与单片机的接口电路
    5.3系统整体硬件电路
    5.3.1主板电路
    5.3.2显示电路
    5.4系统软件算法分析
    5.4.1主程序
    5.4.2读出温度子程序
    5.4.3温度转换命令字程序
    5.4.4计算温度子程序
    5.4.5显示数据刷新子程序
    5.1 本章小结
    第六章 硬件
    6.1 系统硬件主要构成
    6.2调试及性能分析
    总结
    致谢
    参考文献
    目录 摘要............................................................................................................................... 3 Abstract ........................................................................................................................ 3 绪论............................................................................................................................... 3 第一章 温度传感器的应用及问题........................................................................... 3 1.1 引言................................................................................................................ 3 1.2 传感器.............................................................................................................. 4 1.3 任务与要求..................................................................................................... 4 1.3.1 本设计课题的目的和意义................................................................. 4 1.3.2 设计任务及指标................................................................................. 4 1.4 本章小结........................................................................................................ 4 第二章 温度传感器的简介....................................................................................... 4 2.1 集成温度传感器的介绍................................................................................. 4 2.2 温度传感器的发展历史................................................................................ 5 2.2.1 分立式温度传感器.............................................................................. 5 2.2.2 模拟集成温度传感器.......................................................................... 5 2.2.3 模拟集成温度控制器.......................................................................... 5 2.2.4 智能温度传感器.................................................................................. 5 2.2.5 智能温度控制器.................................................................................. 6 2.2.6 内含温度传感器的专用集成电路...................................................... 6 2.3 智能温度传感器发展的新趋势.................................................................... 7 2.3.1 提高测温精度和分辨率..................................................................... 7 2.3.2 不断增加测试功能............................................................................. 7 2.3.3 总线技术的标准化与规范化.............................................................. 7 2.3.4 可靠性及安全性设计.......................................................................... 8 2.3.5 开发虚拟温度传感器和网络温度传感器.......................................... 9 2.3.6 研制单片测温系统.............................................................................. 9 2.4 本章小结........................................................................................................ 9 第三章 智能温度传感器与单片机......................................................................... 10 3.1 智能温度传感器的产品分类...................................................................... 10 3.2 智能温度传感器典型产品的技术指标...................................................... 10 3.3 单片机 AT89C2051 的简介.......................................................................... 11 3.4 单片机 AT89C2051 的引脚图...................................................................... 11 3.5 本章小结...................................................................................................... 11 第四章 DS18B20 数字温度计.................................................................................11 4.1 DS18B20 温度传感器的性能特点............................................................... 11 4.2 DS18B20 温度传感器的内部结构框图及设置........................................... 12 4.3DS18B20 温度传感器与单片机的接口电路................................................. 15 4.4 本章小结....................................................................................................... 15 第五章 数字温度计的设计..................................................................................... 15 5.1 总体设计方案.............................................................................................. 15 5.2 方案的总体设计框图................................................................................... 15 5.2.1 主控制器............................................................................................ 16 1
    5.2.2 显示电路............................................................................................ 17 5.2.3 温度传感器........................................................................................ 17 5.2.3DS18B20 温度传感器与单片机的接口电路...................................... 18 5.3 系统整体硬件电路....................................................................................... 18 5.3.1 主板电路............................................................................................ 18 5.3.2 显示电路............................................................................................ 19 5.4 系统软件算法分析....................................................................................... 20 5.4.1 主程序................................................................................................ 20 5.4.2 读出温度子程序................................................................................ 21 5.4.3 温度转换命令字程序........................................................................ 22 5.4.4 计算温度子程序................................................................................ 22 5.4.5 显示数据刷新子程序........................................................................ 22 5.1 本章小结...................................................................................................... 22 第六章 硬件 ............................................................................................................. 23 6.1 系统硬件主要构成...................................................................................... 23 6.2 调试及性能分析........................................................................................... 23 总结............................................................................................................................. 23 致谢............................................................................................................................. 24 参考文献..................................................................................................................... 24 2
    摘要 温度作为一个常用的物理量在我们的气场生活中起着十分重要的作用，所以 对温度计的设计也十分必要。在此介绍一种智能数字温度计，这种温度计有许多 优点，并且它的应用范围非常广泛。它的主要元件是：控制器—AT89C2051、温 度传感器—DS18B20、数码管—LED 和三极管—9012，所以这种温度计不仅设 计起来简单并且轻便、便宜，总体来说这种温度计的性价比是很高的。它的主要 原理是利用 DS18B20 可以很好的转换温度值，并且直接显示温度值，它的性能 优于传统的感温元件并且省去了 A\D、和模拟开关的设计。此外 AT89C2051 体 积小并且还可以直接驱动 LED，这样大大化简了设计的难度并且降低了成本。 【关键词】 智能 数字 温度计 温度 Abstract The temperature took a commonly used physical quantity is playing the extremely vital role in ours gas field life, therefore extremely is also essential to the thermometer design.In this introduced one kind of intelligent numeral thermometer, this kind of thermometer has many 51 volume small also may direct drive LED, and simplified the design difficulty to reduce the cost like this greatly. [Key word] Intelligence Numeral Thermometer Temperature 绪论 单片机自问世以来，性能不断提高和完善，其资源又能满足很多应用场合的 需要，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、 价格低廉等特点，因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系 统、高级计算器、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多 片微机应用系统。单片机的潜力越来越被人们所重视。特别是当前用 CMOS 工 艺制成的各种单片机，由于功耗低，使用的温度范围大，抗干扰能力强，能满足 一些特殊要求的应用场合，更加扩大了单片机的应用范围，也进一步促使单片机 性能的发展。而现在的单片机在农业上页有了很多的应用。 温度是日常生活、工业、医学、环境保护、化工、石油等领域最常用到的 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。最常见到得测量 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，有直观准确。 第一章 温度传感器的应用及问题 1.1 引言 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。传统的温度测 量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。 3
    1.2 传感器 传感器是将感受到的外界信息，按照一定的规律转换成所需的有用信息的装 置，它获取的信息可以是各种物理量、化学量和生物量，而转换后的信息也有各 种形式。例如：光、温度、声、委位移、压力等物理量，可以通过传感器相互转 化。但是通常是将非电量或电量转换成易于处理和传输的电量，有些传感器的这 种转换是可逆的，即输入量为电量而输出量为机械量或热工艺量等。 1.3 任务与要求 1.3.1 本设计课题的目的和意义 这次毕业设计的课题是数字温度测量系统的设计，首先通过调研收集数据进 行产品开发，通过分析进行实时优化。 通过本次毕业设计使学生了解和掌握工程设计所应遵循的步骤和程序，毕业 设计结束时，参与设计的同学应具有以下的能力： （一）综合应用的能力。 （二）市场调研能力。 （三）应用参考文献的能力。 （四）电路设计能力。 （六）分析问题的能力。 （七）创新能力。 1.3.2 设计任务及指标 1：设计任务： 利用单片机和数字温度传感器，实现一个能精确测量并显示温度的实际应用 系统，为低成本的数字温度测量系统设计提出一种新的解决方案。并需说明设计 方案的构思依据、设计思路、系统原理、设计过程及系统工作流程图。 2：技术指标： ①系统稳定性高； ②使用四位数码管显示温度值； ③测量精度达 0.1℃； ④要求系统具备复位功能； 1.4 本章小结 本章主要简单介绍了温度在日常生活中的应用，传感器的定义及本课题设计 的目的和意义。 第二章 温度传感器的简介 2.1 集成温度传感器的介绍 在工农业生产、科学研究过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。 温度是表征物体冷热程度的物理量，是工农业生产过程中一个很重要而普遍的测 量参数。温度的测量及控制对保证产品的质量、提高生产效率、节约能源、生产 安全、促进国民经济的发展起到非 常重要的作用。由于温度测量的普遍性，温 4
    度传感器的数量在各种传感器中居首位，约占 50%. 温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材 料、元件的特 性都随温度的变化而变化，所以能做温度传感器的材料相当多。 温度传感器随温度变化而引起物理参数变化的有：膨胀、电阻、电容、热电动势、 磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。温度传感器的发展很快，种类很多，随 着生产的发展，新型温度传感器还会不断的涌现。在此我们用到的集成温度传感 器。 2.2 温度传感器的发展历史 人们研究温度测量的历史已相当久远，所使用的传感器也种类很多。近百年 来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段：传统的分立式温度传感器(含 敏感元件)；模拟集成温度传感器／控制器；智能温度传感器(即数字温度传感器)。 2.2.1 分立式温度传感器 传统的热电偶、热电阻、热敏电阻及半导体温度传感器，均属于分立式温度 传感器，传感器本身就是一个完整的、独立的感温元件。此类传感器通常要配温 度变送器，以获得标准的模拟量(电压或电流)输出信号。使用时还需配上二次仪 表，才能完成温度测量及控制功能。其主要缺点是外围电路比较复杂、测量精度 较低、分辨率不高、需进行温度校准(例如非线性校准、温度补偿、传感器标定 等)，另外它们的体积较大、使用也不够方便。因此，分立式温度传感器将逐渐 被淘汰。 2.2.2 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而制成的，因此亦称硅传感器或单片集 成传感器。模拟集成温度传感器是在 20 世纪 80 年代问世的，它是将温度传感 器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用 IC，它属于 最简单的一种集成温度传感器。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， 适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校难。外围电路简单，它是目前在国 内外应用员为普遍的一种集成传感器。典型产品有 AD590、AD592、 TMP17、 LMl35 等。 2.2.3 模拟集成温度控制器 模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器，典型产品有 LM56、 AD22105 和 MAX6509。某些增强型集成温度控制器(例如 TC652／653) 中还包含了 A/D 转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之 处，但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别。 2.2.4 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。 智能温度传感器是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶，它也是集成 温度传感器领域中最具活力和发展前途的一种新产品。目前，国际上许多著名的 集成电路生产厂家己开发出上百种智能温度传感器产品。 5
    智能温度传感器具有以下三个显著特点：第一，能输出温度数据及相关的温 度控制量，适配各微控制器(MCU)；第二，能以最简方式构成高性价比、多功能 的智能化温度测控系统；第三，它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的， 其智能化程度也取决于软件的开发水平。 智能温度传感器内部都包含温度传感器、AD 转换器、存储器(或寄存器)和 接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM) 和只读存储器(ROM)。 2.2.5 智能温度控制器 智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。智能温度控制器 适配备种微控制器，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，既可以工作在连续转换模式，亦可选择单次转换模式。智 能温度传感器／控制器可广泛用于温度测控系绞、计算机及家用电器中。 2.2.6 内含温度传感器的专用集成电路 值得重视的是，目前配置有温度传感器的新型专用集成电路也己问世了。例 如，美国 MAXIM 公司最新研制的 MAXl298 和 MAXl299 型 5 通道 12 位 ADC 芯片，片内就集成了精密温度传感器，在—40 到 85℃范围内的测温精度可达± l℃。MAXl298／1299 的内部结构及外部电路如图 2—1 所示。芯片中主要包括 七部分；内部温度传感器(用于测量本地温度)， 远程测温通道(外接 2N3904 型 NPN 晶体管，利用其发射结来测量远程温度)，多路转换开关(即模拟输入转换 器)，12 位 ADC，内部基准电压源，时钟电路和 3 线串行接口电路。该串行接 口 能 与 SPI 总 线 、QSPI 总 线 及 MICROWIRE 服 总 线 兼 容 。 MAXl298 和 MAXl299 具有两种输入方式：差分输入或单端输入。作差分输入时可构成 3 通 道温控系统，单端输入时能构成 5 通道温控系统(不包括本地测温通道)。当芯片 温度或远程被测温度超过最高允许温度 时，经过串行接口可输出温度越限报警 信号，再通过相应的控制电路起到过热保护作用。其模拟输入端既可接电压信号， 亦可接温度传感器。 6
    图 2—1 MAX1298／1299 的内部结构及外部电路图 2.3 智能温度传感器发展的新趋势 进入 21 世纪之后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、 高可靠性及安全性、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。 2.3.1 提高测温精度和分辨率 在 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，分辨率只能达到 1℃。日前，国外己相继推出多种高精 度、高分辨率的智能温度传感器，所用的是 9 到 12 位 A/D 转换器，分辨率一 般可达 0.5 到 0.0625℃。特别是由美国 DALLAS 半导体公司新研制的 DS1624 型高分辨率智能温度传感器，采用 13 位 A/D 转换器，能够输出 13 位二进制数 据，其分辨率高达 0.03125℃，测温精度为±0.2℃，为实现精密测量温度创造了 有利条件。为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高 速 逐次逼近式 A/D 转换器。以 AD7817 型 5 通道智能温度传感器为例，它对本地 传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为 27μ s、9μ s。 2.3.2 不断增加测试功能 新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。例如，DSl629 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。DS1624 还增加了 存储功能，利用芯片内部 256 字节的 E PROM 存储器，可存储用户的短信息。 DSl629 则在片内集成了 32 字节的静态存储器(RAM)。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。对某 些智能温度传感器而言，主机（外部微处理器或单片机）还可通过相应的寄存器 来设定其 A/D 转换速率(典型产品为 MAX6654)，分辨率及最大转换时间(典型产 品为 DSl624)。智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。典型 产品有 DSl620、DS1623、TCN75、LM76、MAX6625。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，既可以工作在连续转换模式，亦可选择单次转换模式。 2.3.3 总线技术的标准化与规范化 与此同时，智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化。目前所采 用的总线主要有单线(1—Wire)总线、I2 C 总线、SMBμ s 和 SPI 总线。第一种 属于一线串行总线，第二、三种属于二线串行总线，第四种则为三线串行总线。 上述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，由于它们的总 线接口符合标准化、规范化设计，使用户操作起来更加简便。 7
    2.3.4 可靠性及安全性设计 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，其缺点是噪 声容限低，抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差，分辨率较低、成本较高，线 性度也不够理想。 为了提高传感器的抗干扰能力，新型智能温度传感器(例如 TMP03／04、 LM74、LM83)。普遍采用了高性能的∑—?式 A/D 转换器，它能以很高的采样 速率和很低的采样分辨率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，来提高有效分辨率。∑—?式 A/D 转换器不仅能滤除量化噪声， 而且对外因元件的精度要求低；由于采用了数字反馈方式，因此比较器的失调电 压及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。 为 了 避 免 当 温 控 系 统 受 到 噪 声 干 扰 时 出 现 误 动 作 现 象 ， 在 AD7416 ／ 7417/7817、LM75／76、MAX6625／6626 等智能温度传感器芯片内部，都设置 一个可编程的“故障排队(faultqueue)”计数器，专门用来设定允许被测温度值超 过温度上、下限的次数。仅当被测温度连续超过上限或低于下限的次数达到或超 过所设定的次数 n(n=1 至 4)时，才能触发中断端。若故障次数不满足上述条件 或故障不是连续发生的，故障计数器就复位而不会触发中断端。这就意味着假如 设定 n＝3 时，那么偶然受到一次或两次唤声干扰，都不会影响温控系统的正常 工作。 LM76 型智能温度传感器增加了温度窗口比较器，非常适合设计一个符合 ACPI( Advance Configuration and Power Interface，即“先进配置与电源接口”) 规范的温控系统。这种系统具有完善的过热保护功能，可用来监控笔记本电脑和 服务器中 CPU 及主电路的温度。微处理器最高可承受的工作温度规定为 TH ， 台式计算机一般为 75℃，高档笔记本电脑的专用 CPU 可达 100℃。一旦 CPU 或 主电路的温度超出所设定的上、下限时， INT 端立即使主机产生中断，再通过 电源控制器发出信号，迅速将主电源关断起到保护作用。此外，当温度超过 CPU 的极限温度时，严重超温报警输出端(T_CRIT_T 入)也能直接关断主电源，并且 该端还可以通过独立的硬件关断电源来切断主电源，以防主电源控制失灵。上述 三重安全件保护措施已成为国际上设计温控系统的新观念。 为防止因人体静电放电（ESD）而损坏芯片，一些智能温度传感器还增加了 ESD 保护电路，一般可承受 1000 到 4000V 的静电放电电压。通常是将人体等效 于由 100pF 电容和 1.2KΩ电阻串联而成的电路模型，当人体放电时，TCN75 型 智能温度传感器的串行接口端、中断/比较器信号输出端和地址输入端均可承受 1000V 的静电放电电压，LM83 型智能温度传感器则可承受 4000V 的静电放电电 压。 最新开发的智能温度传感器（例如 MAX6654、LM83）还增加了传感器故 障检测功能，能自动检测外部晶体管温度传感器（亦称远程传感器）的开路或短 路故障。MAX6654 还具有选择“寄生阻抗抵消”（Parasitic Resistance Cancellation， 英文缩写为 PRC）模式，能抵消远程传感器引线阻抗所引起的测温误差，即使 引线阻抗达到 100Ω，也不会影响测量精度。远程传感器引线可采用普通双绞线 或者带屏蔽层的双绞线。 8
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