温度传感器设计方案

温度传感器设计方案

第一章绪论

1.1本课题研究的背景和意义及发展趋势

在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事，无时不刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展与是否能掌握温度有着密切的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。

温度对于工业如此重要，由此推进了温度传感器的发展。

传感器主要大体经过了三个发展阶段：模拟集成温度传感器。该传感器是采用硅半导体集成工艺制成，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。此种传感器具有功能单一(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、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。它是目前在国外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等；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；智能温度传感器。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。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。智能温度传感器部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、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)。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)；并且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。

温度传感器的研究意义：

本课题研究的重要意义在于生产过程中随着科技的不断发展，现代社会对各种信息参数的准确度和精确度的要求都有了几何级的增长，而如何准确而又迅速的获得这些参数，就需要受制于现代信息基础的发展水平。在三大信息信息采集（即传感器技术）、信息传输（通信技术）和信息处理（计算机技术）中，传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是数字温度传感器技术，在我国各领域已经应用的非常广泛可以说是渗透到社会的每一个领域，与人民的生活和环境的温度息息相关。

温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量，是国际单位制七个基本量之一。其测量控制一般产用各式各样形态的温度传感器。[3]在传统的温度测量系统设计中，往往采用模拟技术进行设计，这样就不可避免地遇到诸如引线误差补偿、多点测量中的切换误差和信号调理电路的误差等问题；而其中某一环节处理不当，就可能造成整个系统性能的下降。随着现代科学技术的飞速发展，特别是大规模集成电路设计技术的发展，微型化、集成化、数字化正成为传感器发展的一个重要方向。美国Dallas半导体公司推出的数字温度传感器DS18B20，具有独特的单总线接口，仅需要占用一个通用I/0端口即可完成与微处理器的通信；在-10～+85℃温度围具有 0．5℃精度；用户可编程设定9～12位的分辨率。以上特性使得

DS18B20非常适用于构建高精度、多点温度测量系统。

温度传感器的发展趋势：

进入21世纪后，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。

传感器在温度测控系统中的应用。

目前市场主要存在单点和多点两种温度测量仪表。对于单点温测仪表，主要采用传统的模拟集成温度传感器，其中又以热电阻、热电偶等传感器的测量精度高，测量围大，而得到了普遍的应用。此种产品测温围大都在-200℃~800℃之间，分辨率12位，最小分辨温度在0.001~0.01之间。自带LED显示模块，显示4位到16位不等。有的仪表还具有存储功能，可存储几百到几千组数据。该类仪表

可很好的满足单个用户单点测量的需要。多点温度测量仪表，相对与单点的测量精度有一定的差距，虽然实现了多路温度的测控，但价格昂贵。

针对目前市场的现状，本课题提出了一种可满足要求、可扩展的并且性价比高的单片机多路测温系统。

1.2本课题的任务和系统设计目标

课题的主要任务是用80C51设计一个多温度检测系统，整个系统由单片机控制，要能够接收传感器的数据并显示出来，可以从软件设计输入命令，系统根据命令，选择对应的传感器，并由驱动电路驱动温度显示。根据该课题首先要解决的问题是对相关软硬件的熟悉和了解，并学习相关知识。然后对该检测系统需要的模块（包括单片机主控制器，四点温度检测，A/D转换电路的实现，数码显示电路，蜂鸣器电路，等）进行分析，最后用Proteus与KEIL连接并仿真，最终进行调试运行。开发工具：Proteus仿真软件，KEIL编程软件。

系统总体设计思想是以单片机为控制核心,整个系统硬件部分包括多个温度检测部分、控制执行部分、显示及键盘系统及最小系统基本电路。系统利用单片机获得多个温度传感器数据并与系统设计值进行比较 ,根据比较结果分

别控制执行系统。然后再进行Proteus仿真。

1.3本课题研究容

（1）利用单片机，确定系统的总体设计方案，包括其功能设计；设计原则；组成与工作原理；

（2）对单片机的应用作进一步的了解，对于温度控制要有更进一步的认识。

（3）进行智能传感器的硬件电路设计；包括硬件电路构成及测量原理；温度传感器的选择；单片机的选择；输入输出通道设计；

（4）本系统采用层次化、模块化设计，整个系统由数据采集系统、单片机控制系统、计算机监控系统组成。进行了调试和仿真，包括硬件仿真和软件仿真，完成数据的采集和处理。

第二章方案论证比较与选择

2.1引言

温度测量的方案有很多种，可以采用传统的分立式传感器、模拟集成传感器以及新兴的智能型传感器。对于控制系统可以采用单片机等。

2.2方案设计

2.2.1设计方案一

采用模拟式分立元件，如电容、电感或晶体管等非线形元件，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，实现多个点温度的测量以及显示，该方案设计电路简单易懂，操作简单，且价格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成数字化，而且测量误差大。

2.2.2设计方案二

本方案采用80C51单片机为核心，通过温度传感器AD590采集温度信号，经信号放大器放大后，送到A/D转换芯片，最终经单片机检测处理温度信号。

图2.1 方案二的框图

如图2.1，采用该方案技术已经成熟，A/D转换电路设计较烦琐，而且使用AD590进行温度检测必须对冷端进行补偿，以减小误差。

2.2.3设计方案三

本方案采用 80C51作为该系统的单片机。系统整体硬件电路包括:电源电路，复位电路，晶振电路，传感器电路，温度显示电路，上下限报警电路等。报警电路可以在被测温度不在上下限围时，发出报警鸣叫声音。当DSl8B20 采集到多个温度信号后，进行电信号转换送至80C51 中处理，同时将温度送到显示数码管显示，单片机根据初始化设置的温度上下限进行判断处理，即如果温度大于所设的最高温度和小于所设定的最低温度就启动报警装置。

整个系统由单片机控制，要能够接收传感器的数据并显示出来，可以从键盘输入命令，系统根据命令，选择对应的传感器，并由驱动电路驱动温度显示。并与预先设定值进行比较，然后由单片机输出信号去控制报警电路

DS18B20利用单总线的特点可以方便的实现多点温度的测量，轻松的组建传感器网络，系统的抗干扰性好、设计灵活、方便，而且适合于在恶劣的环境下进行现场温度测量。系统框图如下：

图2 .2 方案三的系统框图

2.3方案的比较与选择

基于数字式温度计DS18B20的温度测量仪的硬软件开发过程，DS18B20将温度信号直接转换为数字信号，实现了与单片机的直接接口，从而省去了信号调理