数字温度计的设计与制作

1、数字温度计的设计与制作【摘要】随着国民经济的发展，人们需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行检测和控制。采用单片机来对他们控制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。在日常生活以及工业生产过程中，经常要用到温度的检测及控制，温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。在生产过程中，为了高效地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。温度控制在生产过程中榨油相当大的比例。温度测量是温度控制的基础，技术已经比较成熟。传统的测温元件有热电偶和二电阻。而热电偶和热电阻测出的一般都是电

2、压，再转换成对应的温度，这些方法相对比较复杂，需要比较多的外部硬件支持。我们用一种相对比较简单的方式来测量。 我们采用美国DALLAS半导体公司继DS18B20之后推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件，温度范围为-55125 C,最高分辨率可达0.0625 C。DS18B20可以直接读出北侧温度值，而且采用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。本文介绍一种基于AT89C51单片机的一种温度测量及报警电路,该电路采用DS18B20作为温度监测元件，测量范围0-+100，使用LED模块显示，能设置温度报警上下限。正文着重给出了软硬件系统的各部分电路

3、，介绍了集成温度传感器DS18B20的原理，AT89C51单片机功能和应用。该电路设计新颖、功能强大、结构简单。【关键词】 温度测量 DSI8B20 AT89C51 目录一、绪论6(一)课题背景及意义6(二)课题的研究与开发目的6(三)本文的主要工作6二、开发工具介绍6(一) Proteus6(二) Keil7三、系统概述7(一)方案一7(二)方案二8(三)系统设计原理8(四) 系统组成8(五) DS18B20温度传感器与单片机的借口电路9四、系统软件设计10(一)主程序设计10(二)DS18B20初始化11(三)数据测试12(四)仿真结果12五、结束部分15(一)结语15(二)致谢16参考文

4、献17数字温度计的设计与制作一、 绪论(一)课题背景及意义随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围

5、大，由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。本系统所使用的加热器件是电炉丝，功率为三千瓦，要求温度在4001000。静态控制精度为2.43。本设计使用单片机作为核心进行控制。单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。

6、(二)课题的研究与开发目的1. 巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力。2. 培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力。3. 通过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉单片机用系统开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤。(三)本文的主要工作本课题的研究重点是设计一种基于单片机的数字温度计控制系统。利用数字温度传感器DS18B20，此传感器课读取被测量温度值，进行转换。主要工作如下：1. 温度测试基本范围0100。2. 精度误差小于1。3. LED液晶显示。4. 可以设定温度的上下限报警功

7、能。5. 实现报警提示。二、开发工具介绍(一) ProteusProteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真

8、软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。 该软件的特点是：1. 实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合，具有模拟电路仿真、数字电路仿真、各种单片机(51系列、AVR、PIG等常用的MCU)及其外围电路(如LCD、RAM、ROM、键盘、LED、A/D、D/A)组成的系统仿真。2. 提供了多种虚拟仪器。如

9、示波器、逻辑分析仪、信号发生器等，调试非常方便。3. 提供软件调试功能，同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil等软件。4. 具有强大的原理图绘制功能。Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变,而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用阉脱节的矛盾和现象。同时，当硬件调试成功后，利用Proteus ARES软件，很容易获得其PCB图，为今后的制

10、造提供了方便。 (二) KeilKeil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。Keil C51软件是一个基于32位Windows环境的应用程序，支持C语言

11、和汇编语言编程，其6.0以上的版本将编译和仿真软件统一为Vision(通常称为V2)。Keil提供包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，由以下几部分组成：Vision IDE集成开发环境C51编译器、A51汇编器、LIB51库管理器、BL51连接/定位器、OH51目标文件生成器以及 Monitor-51、RTX51实时操作系统。三、系统概述 (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

12、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。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 转换芯片，处理芯片

13、为51 芯片，执行机构有4 位数码管、报警器等。系统框图如图 3-1所示。图 3-1 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0100 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

14、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，

15、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。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。 (三)系统设计原理利用温度传感器DS18B20可以直接读取被测温度值，进行转换的特性，模拟温度值经过DS18B20处理后转换为数字值，然后送到单片机中进行数据处理，并与设置的温度报警限比较，超过限度后通过扬声器报警。同时处理后的数据送到LED中显示。(四)系统组成本课题以是80C51单片机为核心设计的一种数字温度控制系统

16、，系统整体硬件电路包括，传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警调整电路，单片机主板电路等组成。系统框图主要由主控制器、单片机复位、报警按键设置、时钟振荡、LED显示、温度传感器组成。系统框图如图3-2所示。图3-2 系统基本方框图1. 主控制器单片机AT89C51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。2. 显示电路显示电路采用LED液晶显示数码管，从P3口RXD,TXD串口输出段码。显示电路是使用的串口显示，这种显示最大的优点就是使用口资源比较少，只用p3口的RXD,和TXD,串口的发送和接收，四

17、只数码管采用74LS164右移寄存器驱动，显示比较清晰。3. 温度传感器温度传感器采用美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20温度传感器。DS18B20输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，在0100 摄氏度时，最大线形偏差小于1 摄氏度，采用单总线的数据传输，可直接与计算机连接。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。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。(五)DS18B20温度传感器与单片机的借口电路DS18B20可以采用两种方

18、式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图3-3 所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。 图3-3 DS18B20与单片机的接口电路四、系统软件设计(一)主程序设计整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件基本定型后，软件的功能也就基本定下

19、来了。从软件的功能不同可分为两大类：一是监控软件（主程序），它是整个控制系统的核心，专门用来协调各执行模块和操作者的关系。二是执行软件（子程序），它是用来完成各种实质性的功能如测量、计算、显示、通讯等。每一个执行软件也就是一个小的功能执行模块。这里将各执行模块一一列出，并为每一个执行模块进行功能定义和接口定义。各执行模块规划好后，就可以规划监控程序了。首先要根据系统的总体功能选择一种最合适的监控程序结构，然后根据实时性的要求，合理地安排监控软件和各执行模块之间地调度关系。主程序流程见图4-1。图 4-1 主程序流程图(二)DS18B20初始化18B20初始化流程图见图4-2。图 4-2 DS1

20、8B20初始化流程图 (三)数据测试 将温度传感器与冰水混合物接触，经过充分搅拌达到热平衡后调节系统，使显示读数为0.00(标定0)；利用气压计读出当时当地的大气压强，并根据大气压强和当地重力加速度计算出当时的实际压强；根据沸点与压强的关系查出沸点温度。把温度传感器放入沸水中，待显示读数稳定后重新调节，使显示器显示读数等于当地当时沸点温度后工作结束。该温度计的量程为0100，读数精度为0.1，实际使用一般在0100。采用050和50100的精密水银温度计作检验标准，对设计的温度计进行测试，其结果表明能达到该精度要求。(四)仿真结果设置温度上限为37度，温度下限为10度。1.如图4-3所示。此时

21、温度时43度，超出上限温度，黄灯亮，实现报警。图4-3 仿真12.如图4-4所示。此时温度为5度，低于下限温度，绿灯亮，实现报警。图4-4 仿真23.如图4-5所示。此时温度为20度，在所设范围内，两灯都没亮，说明温度正常。图4-5 仿真3五、结束部分(一)结语本文介绍了基于80C51单片机的数字温度计控制系统的设计，对整个硬件电路和软件程序设计做了分析，文中介绍了数字温度计的现状及发展，介绍了仿真软件proteus及keil的基本知识，学习了proteus的仿真方法和步骤，介绍了数字温度计的设计方案选择及原理介绍，加深了51单片机的知识了解，介绍51单片机的结构、特点等。并学习了数字温度传感器DS18B20，设计软件仿真，更直观的反应设计的正确性。本文对其中的一些基本原理也做了简要的概述。其实写完了本篇论文，也仅仅是对数字温度计控制系统做出了一个简单的设计方案，数字温度计科利用在很多领域，在一些人不能直接进入的场所，利用单片机控制的数字温度计，可以设置并控制其中的温度，数字温度计还可以利用在温室中，这样就可以方便的控制温室中的温度，当温度超过所要求的温度时，可