基于单片机温度测量系统的设计【文献综述】

毕业设计开题报告

电子信息工程

基于单片机温度测量系统的设计

一、前言

温度是日常生活、冶金、化工、医学、建筑、机械等领域最常遇到的一个物理量。随着经济的发展和科学技术的进步，对于温度的测量和控制有了更高要求。采用单片机温度测量系统，能大大的提高温度测量的精度，降低产品的成本，简化操作，节省劳动力，提高生产效率。

在现实生活和工农业生产及科学研究中，温度的测量非常的重要。在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。另外一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案，新型数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。

同时，传感器的飞速发展，各种各样的传感器被广泛的应用于各个领域，尤其在温度参量的测量中，起到了不可代替的作用。

目前，单片机总类繁多，又有着低功耗、体积小、大容量、高性能、低价格等等的优点，使得它在电子信息领域有着广泛的应用。当两者结合后，就可以设计出大量的、实用的系统来。温度测量只是其中一小部分的应用。单片机温度测量系统的硬件组成和原理：

1、温度传感器

热电阻温度传感器经过热敏电阻转换为电压信号，经放大器放大后进人单片机进行A／D转换成数字量后输出到静态显示部分，显示其温度值。[1] DS18B20能代替模拟温度传感器和信号处理电路，直接与单片机沟通，完成

温度采集和数据处理。

2、存储设备

内部存储器又称内存，用来存放“程序”和“数据”。中央处理器执行程序时，从内存中存取程序和数据。内存可分为两部分：ＲＯＭ（只读存储器）和ＲＡＭ（随机存储器）。ＲＯＭ所存储的内容由电脑设计者和厂商事先设计好，用户只能使用它们，而不能修改、删除和增加，它不会因断电而丢失。ＲＡＭ通常用于存储用户的程序和数据，人们一般所说的电脑内存都是针对ＲＡＭ而言的。就像长度用米来表示，重量用公斤来表示一样，内存容量用“字节”来表示。每一个英文字母占一个“字节”，而每个汉字占两个“字节”。因为字节这个单元太小了，所以我们规定：１０２４个字节＝１Ｋ字节（千字节）。存储器主要用来保存记录下来的数据，以便查阅。

3、AT89S52单片机

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k 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[2]。

4、警报电路

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。

5外接设备等

本系统采用PT6961同时驱动键盘与数码管。PT6961是一带键盘扫描接口的LED(发光二极管显示器)驱动控制专用电路，内部集成有MCU数字接口、数据锁存器、LED高压驱动、键盘扫描等电路[3-4] 。

二、主题

工业发展是科技进步的关键支点。在时间的提炼下，这些过程从手动控制系统逐渐转变为自动化电脑控制系统。这带来了了高效的生产流程，并且具有很高的精度水平。

物理过程需要测量过程中涉及到的变量，并且在已测变量的基础上控制整个过程。变量的例子包括温度、流量、压力等等。

只有当一种信息被引进时，我们才能得到控制和测量的结合体。智能化仪表就可以被定义为一种用来评估物理变量的测量系统，通常是用微处理器/ 微处理器基础系统来进行信息处理。根据系统内存上存储的程序，信息处理的结果可以被用来控制物理过程[5-7]。

1、温度测量的发展现状

目前国内外普通采用传统的热电偶、热电阻、半导体PN结之类的模拟温度传感器与单片机结合来进行温度测量，它们都有各自的优缺点和使用范围。

①单片机和热电偶组成的测温系统

热电偶作为温度检测元件在工业上是很常见的。它的优点是：①测量的精度很高。因为在测量的过程中，热电偶是直接和被测对象接触的，所以中间介质对测量没有影响，提高了测量的精度。②测量的范围很广。热电偶的测量范围在-50～+1600℃，某些特殊热电偶最低可测到-269℃，最高可达+2800℃。③构造非常之简单，使用也相当的方便。通常来说，热电偶是由2种不同材料的金属丝所组成的，而且不受大小和开头的限制，外部又有保护套管套着，用起来非常的

安全和方便。热电偶测温基本原理：把两种不同材料的导体或者半导体对接起来后，就构成了一个闭合的回路。当导体A和B的两个接点1和2之间存在温差时，两导体之间便产生了一个电动势,因而在回路中就形成了一个电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。然后，热电偶上产生的信号经取样、放大后通过模数转换，再交自单片机处理。被测温度信号从温敏元件到单片机，经过众多器件，易受干扰、不易控制且精度不高[8]。

②单片机和热电阻组成的测温系统

在中低温区里，热电阻是最常用的一种温度检测器。但与热电偶的测温原理不同的是，热效应是热电阻测温的特性，即导体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度的度数变化。然后，热电阻上产生的信号经取样、放大后通过模数转换，再交自单片机处理。被测温度信号从温敏元件到单片机，经过众多器件，易受干扰、不易控制且精度不高。目前主要有半导体热敏电阻温度传感器和金属热电阻温度传感器两类。相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，其电阻值在常温下的范围更高，但是，互换性却不是很理想，非线性严重，通常情况下，测量温度的范围只有-50～300℃左右，大量用于家用电器和汽车的温度检测和控制。金属热电阻温度传感器一般适用于-200～500℃范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛[9-11]。

③单片机和半导体PN结组成的测温系统

利用PN结的特性，研发出了一种新的温度传感器，叫作PN结温度传感器。PN结温度传感器是一种半导体敏感器件, 它实现温度与电压的转换。在常温范围内，PN结温度传感器包括了热电偶和热敏电阻的各自优点，同时它又克服了这些传统温度传感器件的一些比较大的和固有的缺陷，它是自动控制和仪器仪表工业不可缺少的基础元器件之一。但是，被测温度信号从温敏元件到单片机，经过众多器件，易受干扰、不易控制且精度不高.

传统的模拟传感器都存在着各自的缺点，而且都要经过信号处理电路，就会受到或多或少的干扰，使信号失真，使测量结果出现比较大的误差[12-14]。

2、温度测量的发展方向

DS18B20是一种新型的可编程温度传感器，它是美国DALLAS公司推出的单总线数字测温芯片。他具有独特的单总线接口方式，仅需使用1个端口就能实现与单片机的双向通讯。他能代替模拟温度传感器和信号处理电路，直接与单片机沟通，完成温度采集和数据处理。DS18B20与AT89C51结合可以实现最简温度检测系统，该系统结构简单，抗干扰能力强，适合于恶劣环境下进行现场温度测量，有广泛的应用前景。

DS18B20的测温原理：由于所有的器件都连接在一条总线上，为了不发生数据的冲突，必须按照单总线协议规定的时序来进行工作。为了让每个设备都能使用这条总线，单总线协议采用了一个三态门，这样，一个设备如果暂时不传输数据就能空出这条总线给其他设备使用。在外部设备中通过一个上拉电阻器，使得总线在空闲时保持一个高电平。通过程序编程，DS18B20实现了9到12位的温度度数[15]。

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、扩展方便等优点，但在实际应用中应注意以下几方面的问题：

①较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿。由于DS18B20与微处理器采用串行数据传送，因此，在对DS18B20进行读写编程时必须严格地保证读写时序，否则将无法读取测温结果。故对DS1820操作部分最好采用汇编语言编写。

② DS18B20工作时电流高达1.5mA，总线上挂接点数较多且同时进行转换时要考虑增加总线驱动，可用单片机端口在温度转换时导通一个MOSFET。

③连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的，因此在用DS18B20进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。

④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。