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温度传感器课程设计报告.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.28M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    （一）、方案一
    （二）、方案二
    温度传感器课程设计报告 组 员： 专 业： 年 级： 学 院： 系 别： 完成日期： 指导教师： 1
    目录 1 引言………………………………………………………………………………..3 2 设计要求…………………………………………………………………………..3 3 工作原理…………………………………………………………………………..3 4 方案设计…………………………………………………………………………..4 5 单元电路的设计和元器件的选择………………………………………………..6 5.1 微控制器模块…………………………………………………………………….6 5.2 温度采集模块………………………………………………………………….....7 5.3 报警模块……………………………………………………………………….....9 5.4 温度显示模块………………………………………………………………….....9 5.5 其它外围电路…………………………………………………………………...10 6 电源模块…………………………………………………………………………12 7 程序设计…………………………………………………………………………13 7.1 流程图…………………………………………………………………………...13 7.2 程序分析………………………………………………………………………..16 8. 实例测试…………………………………………………………………………18 总结…………………………………………………………………………………..18 参考文献……………………………………………………………………………..19 2
    1 引言 温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域 ,如家电、汽车、材料、电 力电子等 ,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同 , 在 工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场 技术人员努力解决的问题。这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确 定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控 制不稳定、失控现象。传统的继电器调温电路简单实用 ,但由于继电器动作频 繁 ,可能会因触点不良而影响正常工作。控制领域还大量采用传统的 PID 控制 方式,但 PID 控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便 仍是普遍存在的问题。而采用数字温度传感器 DS18B20，因其内部集成了 A/D 转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使 得测量温度更加精确。数字温度传感器 DS18B20 只用一个引脚即可与单片机 进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。由于 DS18B20 芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字 温度传感器 DS18B20 做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。更能串 接多个数字温度传感器 DS18B20 进行范围的温度检测 2 设计要求 本设计主要是介绍了单片机控制下的温度检测系统，详细介绍了其硬件和软 件设计，并对其各功能模块做了详细介绍，其主要功能和指标如下： ●利用温度传感器（DS18B20）测量某一点环境温度 ●测量范围为-55℃～＋99℃，精度为±0.5℃ ●用液晶进行实际温度值显示 ●能够根据需要方便设定上下限报警温度 3 工作原理 温度传感器 DS18B20 从设备环境的不同位置采集温度，单片机 AT89S51 获 取采集的温度值，经处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度值，再根据当前 设定的温度上下限值，通过加热和降温对当前温度进行调整。当采集的温度经处 3
    理后超过设定温度的上限时，单片机通过三极管驱动继电器开启降温设备 (压缩 制冷器) ，当采集的温度经处理后低于设定温度的下时 , 单片机通过三极管驱 动继电器开启升温设备 (加热器) 。 当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度传感 头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候，单 片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。 系统中将通过串口通讯连接 PC 机存储温度变化时的历史数据，以便观察整 个温度的控制过程及监控温度的变化全过程。 4 方案设计 （一）、方案一 采用热电偶温差电路测温，温度检测部分可以使用低温热偶，热电偶由 两个焊接在一起的异金属导线所组成（热电偶的构成如图 3.1），热电偶产 生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。通过将参考 结点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。数据采集 部分则使用带有A/D 通道的单片机，在将随被测温度变化的电压或电流采集 过来，进行A/D 转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上， 就可以将被测温度显示出来。热电偶的优点是工作温度范围非常宽，且体积 小，但是它们也存在着输出电压小、容易遭受来自导线环路的噪声影响以及 漂移较高的缺点，并且这种设计需要用到A/D 转换电路，感温电路比较麻烦。 图 4-1热电偶电路图 系统主要包括对A/D0809 的数据采集，自动手动工作方式检测，温度的 显示等，这几项功能的信号通过输入输出电路经单片机处理。此外还有复位 电路，晶振电路，启动电路等。故现场输入硬件有手动复位键、A/D 转换芯 4
    片，处理芯片为51 芯片，执行机构有4 位数码管、报警器等。系统框图如 图4-2所示： 图4-2热电偶温差电路测温系统框图 （二）、方案二 采用数字温度芯片DS18B20 测量温度，输出信号全数字化。便于单片 机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学 性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。在0—100 摄氏度时， 最大线形偏差小于1 摄氏度。DS18B20 的最大特点之一采用了单总线的数 据传输，由数字温度计DS18B20和微控制器AT89S51构成的温度测量装置, 它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。这样,测温系统的结构就 比较简单,体积也不大。采用51 单片机控制，软件编程的自由度大，可通过 编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安 装方便。既可以单独对多DS18B20 控制工作，还可以与PC 机通信上传数据，另外AT89S51 在工业控制上 也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。 该系统利用AT89S51芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并 显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限报警温度。 该系统扩展性非常强，它可以在设计中加入时钟芯片DS1302以获取时间数 据，在数据处理同时显示时间，并可以利用AT24C16芯片作为存储器件，以 5
    此来对某些时间点的温度数据进行存储，利用键盘来进行调时和温度查询， 获得的数据可以通过MAX232芯片与计算机的RS232接口进行串口通信，方 便的采集和整理时间温度数据。 系统框图如图4-3所示 图4-3 DS18B20温度测温系统框图 从以上两种方案，容易看出方案一的测温装置可测温度范围宽、体积小，但是线性误差较大。 方案二的测温装置电路简单、精确度较高、实现方便、软件设计也比较简单，故本次设计采 用了方案二。 5 单元电路的设计和元器件的选择 5.1 微控制器模块 AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器， 器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令 系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单 元，功能强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价 比的解决方案。AT89S51 具有如下特点：40 个引脚，4k Bytes Flash 片内程序 存储器，128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），32 个外部双向输入/输出（I/O） 口，5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双 工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。 此外，AT89S51 设计和配置了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模式。 空闲模式下，CPU 暂停工作，而 RAM 定时计数器，串行口，外中断系统可继续工 作，掉电模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活 或硬件复位。同时该芯片还具有 PDIP、TQFP 和 PLCC 等三种封装形式，以适应不 同产品的需求。 由于系统控制方案简单 ,数据量也不大 ,考虑到电路的简单和成本等因素 , 6
    因此在本设计中选用 A TMEL 公司的 A T89S51 单片机作为主控芯片。主控模块 采用单片机最小系统是由于 A T89S51 芯片内含有 4 kB 的 E2PROM ,无需外扩存 储器 ,电路简单可靠 ,其时钟频率为 0～24 MHz ,并且价格低廉 ,批量价在 10 元以内。 主要特性如下 ●与MCS-51 兼容 ●4K字节可编程闪烁存储器 ●寿命：1000写/擦循环 ●数据保留时间：10年 ●全静态工作：0Hz-24Hz ●三级程序存储器锁定 ●128*8位内部RAM ●32可编程I/O线 ●两个16位定时器/计数器 ●5个中断源 ●可编程串行通道 ●低功耗的闲置和掉电模式 ●片内振荡器和时钟电路 5.2 温度采集模块 AT89S51 单片机引脚图 DS18B20 是 DALLAS 公司生产的一线式数字温度传感器，它具有微型化、低 功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点，特别适合用于构成多点温度测 控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（按 9 位二进制数字）给单片机处理， 且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片，它具有三引脚 TO-92 小体积封装形 式，温度测量范围－55～＋125℃，可编程为 9～12 位 A/D 转换精度，测温分辨 率可达 0.0625℃，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 源既可在远端引入，业可采用寄生电源方式产生，多个 DS18B20 可以并联到三根 或者两根线上，CPU 只需一根端口线就能与多个 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。从而可以看出 DS18B20 可以非常方便 的被用于远距离多点温度检测系统。 综上，在本系统中我采用温度芯片 DS18B20 测量温度。该芯片的物理化学性 7
    很稳定，它能用做工业测温元件，且此元件线形较好。在 0—100 摄氏度时，最 大线形偏差小于 1 摄氏度。该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理 及控制。 图 5-2 温度芯片 DS18B20 DS18B20 最大的特点是单总线数据传输方式，DS18B20 的数据 I/O 均由同 一条线来完成。DS18B20 的电源供电方式有 2 种: 外部供电方式和寄生电源方 式。工作于寄生电源方式时, VDD 和 GND 均接地, 他在需要远程温度探测和空 间受限的场合特别有用, 原理是当 1 W ire 总线的信号线 DQ 为高电平时, 窃取 信号能量给 DS18B20 供电, 同时一部分能量给内部电容充电, 当 DQ 为低电平时 释放能量为 DS18B20 供电。但寄生电源方式需要强上拉电路, 软件控制变得复 杂(特别是在完成温度转换和拷贝数据到 E2PROM 时) , 同时芯片的性能也有所 降低。外部电源供电方式是 DS18B20 最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能 力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。因此本 设计采用外部供电方式。如下图所示： DS18B20 4.7K 温度传感器 DS18B20 的测量范围为-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃时精度 为±0.5℃。因为本设计只用于测量环境温度，所以只显示 0℃～+85℃。 8
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