基于51单片机的多路温度参数检测系统设计毕业论文(编辑修改稿)

基于51单片机的多路温度参数检测系统设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

工业中被测目标的类型有很多，如气体、液体、还有固体等等，因而 测量温度的方法 也 很多，但从感受温度的途径来分，有下面两大类：一类是接触式的，即通过测温元件与被测物体的接触而感知物体的温度；另一类是非接触式，即通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度。 因此也就产生了各种测温传感器：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；智能温度传感器（即数字温度传感器）。 （ 1） 分 立式温度传感器 温度 设 定电路 声光报警 电路 温度采集电路 51 单片机 LCD 显示电路 第 4 页 共 53 页 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。 此类传感器通常要陪温度变送器，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，才能完成温度测量计控制功能。 其主要缺点是外围电路比较复杂、测量精度较低、分辨力不高、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） 模拟集成温度传感器 集成温度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准。 外围电路简单，它是目前国内外应用最为普遍的一种集成传感器。 典型产品有 AD590、 AD59 TMP1 LM135 等。 （ 3）智能温度传感器 智能温度传感器 （ 亦称数字温度传感器） 是在模拟集成温度传感器的基础上发展而成的第三代温度传感器，它将温度传感器、 A/D 转换器、寄存器、接口电路集成在一个芯片上，有的还包含中央处理器（ CPU）、只读存储器（ ROM）、随机存取存储器（ RAM或 SRAM）、实时日历时钟以及报警电路。 它是在 20 世纪 90 年代中期问世的。 智能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。 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温度控制量，适配各种微控制器（ 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。 温度测量元件的选择论证 （ 1）用热电偶作测温元件 ① 测温原理 把两种不同的金属 A 和 B 连接成闭合回路。 如果将它们的两个节点中的一个进行加热，使其温度为 T，而另一个置于室温 T1 中，则在回路中就有电流产生，这一现象就称为热电效应。 在这种情况下产生的电动势称为热电势，用 E(T1,T)来表示。 通常把两种不同的金属的这种不同组合称为热电偶。 ， A 和 B 称为热极，温度高的接点称为 热端（或称工作端），温度低的称为冷端（或称为自由端）。 利用热电偶把被测温度信号转变为热电势信号，用仪表测出电势大小，就可间接求得被测温度值。 第 5 页 共 53 页 ② 热电偶温度传感器的种类结构及优缺点 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。 所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。 非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。 热电偶是工业上最常 用的温度检测元件之一。 其优点是 ：。 常用的热电偶从 50～ +1600℃ 均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到 269℃ （如金铁镍铬），最高可达 +2800℃ （如钨 铼）。 ，使用方便。 热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。 其缺点是： 测量时间长，测量范围太宽，在低温测量中不适合用热电偶温度传感器。 如下表 是我国常用的几种标准型热电偶。 表 产品名称 型号 分度号 测量范围 ℃ 长时间测量 短时间测量 铂铑 30－铂铑 6 WRR B 0 ～ 1600 ℃ 0 ～ 1800 ℃ 铂铑 10－铂 WEP S 0 ～ 1300 ℃ 0 ～ 1600 ℃ 镍铬－镍硅 WRN K 0 ～ 1200 ℃ 0 ～ 1300 ℃ 镍铬 铜镍 WRK E 0 ～ 600 ℃ 0 ～ 800 ℃ （ 2）用热电阻作测温元件 热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。 它的主要特点是测量精度较高，性能较稳定。 其中铂热电阻的测量 精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。 热电阻测温是基于金属导 体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。 热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。 但是转换成电信号需要 AD 模块。 下面表 是几种常用的热电阻： 表 几种常用的热电阻 产品名称 型号 分度号 测温范围 ℃ 铂热电阻 WZP Pt100 —200～ 650℃ 铜热电阻 WZC Cu50 —50～ 150℃ （ 3）用模拟温度传感器作测温元件 模拟集成温度传感器按输出方式可以分为：电流、电压、周期、频率、比率输出方式集成温度传感器。 较 常用的 AD590 是电流输出式集成温度传感器。 AD590 的性能特点 第 6 页 共 53 页 AD590 兼有集成恒流源和集成温度传感器的特点，具有测温误差小、动态阻抗高、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等优点，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准。 图 AD590的内部电路 AD590 的工作原理 ： AD590 的内部电路如图 所示。 芯片中的 R1 和 R2 是采用激光修正的校准电阻，它能使 (+25℃ )下的电流恰好为。 首先由 晶体管 VT8 和 VT11 产生与热力学温度（即绝对温度）成正比的电压信号，再通过 R5 和 R6 把电压信号转化电流信号。 为保证良好的温度特性， R5 、 R6 的电阻温度特性应该非常小，这里采用激光修正的 SiCr薄膜电阻，其电阻温度系数低至 (30～ 50） 10ˉ6 /℃。 VT10 的集电极电流能够跟随 VT 9和 VT 11 的集电极电流的变化，使总电流达到额定值。 R5 、 R6 也需要在 25℃ 的标准温度下校准。 AD590 等效于一个高阻抗的恒流源其输出 （ 阻抗﹥ 10M 欧 ） ，能大大减小 因电源电压波动而产生的测量误差。 AD590 的测温范围是 50～ +150℃ ，对于热力学温度 T 每变化 1K，输出电流就变化 第 7 页 共 53 页 1uA，这表明其输出电流 I0 (uA)与热力学温度 T(K)严格成正比。 电流温度系数 KI 的表达式为： KI =TI =qRk3 ln 8 (21) 经过一系列的转换，可得出热力学温标 (K)与摄氏温度 (℃ )、华氏温度 (℉ )之间的换算关系如下式： t(℃ )=T(K) (22) t(℉ )=59 t(℃ )+32 (23) （ 4）采用智能温度传感器 DS18B20 内部结构主要由四部分组成： 64 位光刻 ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。 内部结构如图。 图 DS18B20 的内部结构 DS18B20 的主要性能 : ① DS18B20 采用美国 DALLAS 半导体器件公司的 “单线总线 ”专有技术，通过串行通信口（ I/O）直接输出被测温度值，适配各种单片机或系统机。 ② 每一片 DS18B20 具有全球唯一的序列 号，多个 DS18B20 可以并联在唯一单线上，实现多点测温。 ③ DS18B20 的测温范围为： 55～ +125℃ ，在 10～ +85℃ 时，其精度为 +℃。 测温结果的数字量位数 9～ 12 位，可编程进行选择。 ④ DS18B20 内部含寄生电源，器件既可由单线总线供电，也可用外部的电源（ ～ 第 8 页 共 53 页 ）供电。 ⑤ 用户可分别设定各路温度的上、下限并写入随机存储器 RAM 中。 ⑥ DS18B20 采用特有的温度测量技术，其内部测温电路如图 图 DS18B20 内部测温电路 温度传感器方案的 选 定 通过以上几种测温元件的分析、比较，可以知道，热电偶温度计可以应用在比较高的温度下进行测量，如它可以测量在 1100℃ 以上的温度，而电阻式温度计相对来说，它主要于 200～ +500℃ 的温度范围内获得较广泛的运用。 对于 多路 温度的测量，传统的热电偶、热电阻、热敏电阻及半导体温度传感器需要配温度变送 器，以获得标准的模拟量（电压或电流）输出信号。 多路的 AD 转换会占用 51 单片机的 大量 IO 口，这是很不合理的， 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、测量精度不是很高、分辨力不高、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。 用在 实时的温度检测中 ，实在不理想。 因为，在 工业自动化中的实时温度测量 ，涉及到信号的传输，传感器的响应速度应该较快，在这一点上，集成温度传感器稍微可以满足，它的响应速度快、传输距离也可以比较远，适合中 远距离测温、控温，不需进行非线性校准。 但是模拟集成温度传感器功能单一（仅限于温度测量） ，而且同样需要使用 AD，多路采集时占用大量 IO 口。 而 智能温度传感器其主要优点是采用数字化技术，能以数字形式直接输出被测温度值， 可以省略掉外部 AD 电路， 具有 降低成本、 测温误差小、分辨力高、抗干扰能力强、能够远程传输数据、用户可设定温度上、下限、有越限自动报警功能、适配各种微控制器（含微处理器和单片机）。 因此，经过论证 ， 决定选用智能温度传感器，并选用具有代表性的 DS18B20 作为测温元件。 第 9 页 共 53 页 测温电路 的方案 图 DS18B20 的引脚 测温电路的方案要根据测温的传感器的结构以及使用方法来确定。 下面先从DS18B20 的数据构成和读写方式进行分析。 如图 所示， DQ 为数字信号输入 /输出端； GND 为电源地； VDD 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。 DS18B20 内部结构 DS18B20 内部结构主要由 7 部分组成：寄生电源、温度传感器、 64 位光刻 ROM 与单线接口 、高速暂存器、非挥发的温度报警触发寄存器 TH 和 TL、存储与控制逻辑、 8位循环冗余校验码 : (1)寄生电源由二极管和寄生电容组成，并有电源检测电路用来判定供电方式并且输出相应的逻辑电平（ “0”表示用寄生电源供电， “1”表示用外部电源供电），以便高速暂存器能够读出数据和命令。 寄生电源有两个显著的优点：第一，远程检测温度时无需本地电源；第二，在缺少正常电源时也能读 ROM。 (2)光刻 ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 DS18B20 的地址序列码。 64 位光刻 ROM 的排列是：开始 8 位（ 28H）是产 品类型标号，接着的 48位是该 DS18B20 自身的序列号，最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码（ CRC=X8+X5+X4+1）。 光刻 ROM 的作用是使每一个 DS18B20 都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个 DS18B20 的目的。 (3)DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量，以 12 位转化为例 :用 16 位符号。