基于单片机的温度测量系统设计

基于单片机的温度测量系统设计内容摘要：

多，为了便于用户安装使用，在硬件设计时，应尽可能地使用各种先进的现场总线技术，力求电路最简单，安装调试最方便。 第二，为保证本系统高可靠性运行，仪器本身要具备很强的抗干扰能力，为此应在硬件及软件设计上引入各种抗干扰清施。 特别是系统中各部分电路的电源均设计为直流稳压电源供电，当仪器用于复杂的工业环境时，直流电源能够不受干扰的对各部分电路提供直流电压就显得十分重要了。 第三，由于硬件电路十分简洁，那么软件势必功能很强大，在软件设计时也应寻找尽可能简单完善的设计思路，保证程序易于修改、调试。 采样 转换 报警 显示 单片机 测试对象 哈尔滨理工大学学士学位论文 6 第 2章 多路温度测量系统 的设计方案 方案的比较与论证 温度传感器的选择 根据题目要求，设计一温度测量电路，能够通过温度传感器测量并显示被测量点的温度，常用的温度传感器可分为 3 大类： 方案一：热电偶式 或电阻式 热电偶具有构造简单 ,适用温度范围广 ,使用方便 ,承受热机械冲击能力强以及响应速度快等特点 ,常用于高温区域 , 振动冲击大等恶劣环境以及适合于微小结构测温场合。 但其信号输出灵敏度比较低 ,容易受到环境干扰和前置放大器温度漂移的影响 ,因此不适合测量微小的温度变化。 电阻式可用来测量 220~850℃ 范围内的温度，少数情况下，低温可测量至 272℃ ，高温可测量至 1000℃ ，互换性差，非线性严重，在腐蚀介质中使用时，易氧化，因此，只能用于低温及无腐蚀性的介质中。 虽然测量温度范围广，但热稳定性差。 实际上，各测试点的温度值经过测温元件热电偶、热电阻等，被转换为电信号，这样得到的多路采样信号经放大器、多路模拟开关及 A/D 转换电路，由单片机控制多通道 A/D 转换，分时对电压信号进行循环采样和A/D 转换。 这种方案是单片机处理非电量信号的传统方法，它的优点是测温范围广 ： 但是一方面，单片机外电路复杂，因为 多 路温度需要多个模拟开关，不管是通用的并行、串行 总线，还是专用总线，其传送数据的信号线总是多根的，这样系统连线非常复杂，并且需要额外的接口芯片，其成本也高；另一方面， A/D 转换器要占用多个 I/O 口向单片机输入多位的数字量，这无疑使得有限的 I/O 口在设计时显得较为局促；软件工作量大，且功耗也较大，线路上传送的是模拟信号。 易受干扰和损耗，这种方案的性能价格比较低。 方案二：二端式半导体集成温度传感器 使用在温度测控领域中有广泛应用的二端式半导体集成温度传感器AD590 、 LM35 等，将采集到的电流信号经多路 A/D 转换器送入单片机，由单片机控制数据的采集 和转换。 以 AD590 为例，它的测温范围为 55～+ 150℃。 工作电压为＋ 4～ + 30 V。 由于 AD590 是一种电流型的温度传感器，因此具有较强的抗干扰能力，适用于计算机进行远距离温度测量和控制，远距信号传递时，可采用一般的双纹线来完成；其电阻比较大。 因此不盆要精密电源对其供电，长导线上的压降一般不影响测量精度；不需要温度补偿和专门的线性电路。 在这一方面显然优于第一方案。 但是它哈尔滨理工大学学士学位论文 7 仍然具有单片机处理多个模拟信号时的缺点：电路连线复杂、软件工作量大、功耗大、需要占用较多的 I/O 口线。 方 案三：数字式 选用 先进的数字式温度传感器，将采集到的数字式的温度信号直接送入单片机进行处理。 随着传感器技术的发展，已经出现了先进的数字式温度传感器。 这种方案中的温度传感器兼有测温和 A/D 转换的功能，输出值是数字信号，所以不必使用 A/D 转换器和相关的接口芯片，能够直接进入单片机进行数字处理。 硬件电路非常简洁，有较好的线性关系和较强的抗干扰能力，同以上两种方案相比有明显的优势和极其广泛的开发前景。 但是测量范围较小，一般在 50℃～ + 150℃ 之间。 如 MAX 公司的 MAX6575 ，测温范围是 55℃～ + 125℃ ,6 管脚引线。 MAX6575 要求在一个单片机的一条控制总线上只允许挂接 8 个温度传感器，管脚数太多，单个传感器也不方便在总线上挂接。 MAX6575 的分辨率在 25℃时为 ℃（最大为 3℃ ），电源电压为 ～ ，电流值为 160μA，测温范围为 40℃～ +125℃。 又 如， DALLAS 半导体公司提供了先进的数字式温度计 DS1820 系列。 该系列采用了与众不同的原理，利用 温 敏振荡器的频率随温度变化的关系，通过对振荡周期的计数来实现 温 度测量的。 输出值是数字信号，所以不必使用 A/D 转换器和相关的接口芯片，直 接送入单片机进行数字处理。 为了扩大测 温 范围和提高分辨率，使用了低 温 系数振荡器和一个高 温系数振荡器分别进行计数，并采用了非线性累加器来改善线性，其中DS18B20 是常用的温度传感器，它采用一根 I/O 数据线传输数据和命令，售价低廉，广泛用于食品库、冷库、粮库，是 DS1820 的改进型产品。 DS18B20 温度传感器为 “ 一线式器件 ” ，体积更小、适用电压更宽、更方便。 其测量温度范围为 55℃ 到 +125℃ ，在 10℃ 到 +85℃ 范围内 ,精度为177。 ℃。 用户可以设置温度的上下限，并具可以直接与单片机进行通讯。 现场温度直 接以 “ 一线总线 ” 的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。 考虑题目测温范围要求以及测量数据的准确性要求 ，比较以上三个方案， 选择方案三。 考虑到 本系统是 多路 检 测系统 ，如果采用 MAX6575，占用 I/O 口资源较多，而 DS18B20 则至多需要 2 条总线便可以挂接至少 32 个传感器，从而 CPU 还能留有较多的 I/O 口继续扩展检测路数或其它功能，使用相当灵活，所以在本系统中我选择了 DS18B20。 主控芯片的选择 目前国内市场上可供选择的单片机的类型有很多种，以 MCS51 、MCS96 为主流系列。 其中 MCS51 系列性能价格高，开发用的仿真机研哈尔滨理工大学学士学位论文 8 究较早并日趋完善，生产厂家较多，支持芯片种类繁多，适合不同应用场合的新机种不断涌现，使得 MCS51 系列单片机在国内成为开发中小型嵌入式系统的首选。 能够与 80C51 兼容的单片机有诸如 ATMEL 、 PHILIPS 、 INTEL 等公司的产品。 AT89C51 是 ATMEL 公司生产的、在我国应用较早、技术较成熟的 MCS51 系列单 片机。 它功耗低、性能高 ， 并且与 80C51 引脚和指令系统完全兼容。 芯片上的允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程，为很多嵌入式控制 应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案，其性能价格比极高。 根据设计需求，初步拟定 MCS803 AT89C5 AT89C2051 三个型号的单片机。 比较 MCS8031 和 AT89C51 都具有 4 个 8 位 I/O 接口，但MCS8031 没有内部程序存储器，需要外接，增加了电路的复杂性。 比较AT89C2051 和 AT89C51 虽然 都具 有 Flash ROM，可以省去外接程序存储器 ， 但 AT89C2051 接口少，不利于功能扩展。 除此之外还有很多单片机可供选择，例如 83C552 是 PHILIPS 公司80C51 系列的增强型产品， 是一种高性能微控制器，也广泛用于仪器仪表、工业控制、汽车、 控制、电机调速等实时测控领域。 它的价格高于AT89C51 ，并且有 5个 8 位 I/O 口，外加 1 个与模拟输入共享的 8 位输入口， 1 个 8 路输入的 10 位 A/D 转换器。 由于在温度检测部分采用先进的传感器而不再使用 A/D 转换， CPU 内部的 A/D转换器和 6 个 I/O 口也就显得太浪费了。 在综合考虑对芯片的熟悉程度及功能的实现程度上 ， 决定在 主控芯片上采用 AT89C51 芯片， 现简述一下 AT89C51 单片机 的 内部结构及主要性能特点： 40 个引脚，双列直插式封装；有 4 个 8 位 I/O 接口；有全双工增强型 UART（ Universal Asynchronous Receiver/Transmitter， 通用异步接收 /发送装置） 可编程串行通信； 2 个 16位定时 /计数器； 5个中断源， 2个中断优先级；有片内时钟振荡器（全静态工作方式， 0～ 24 MHz）；有 128 字节内部 RAM， 4KB Flash ROM（可以擦除 1000 次以上，数据保存 10 年）完全能够满足对数据的处理要求；电源控制模式灵活（时钟可停止和恢复，空闲模式，掉电模式）。 虽然市面上有着功能更为强大的单片机芯片，但都价格不菲。 而 本设计本着简单实用，精简节约的原则，选择了 AT89C51 芯片。 显示部分的选择 单片机应用系统中 使用 的显示器主要有发光二极管显示器，简称 LED ( Light Emitting Diode ) 液晶显示 器，简称 LCD ( Liquid Crystal Display)CRT 显示器。 LED 的发光效率和颜色取决于制造的材料，一般常用红色，偶尔也用哈尔滨理工大学学士学位论文 9 黄色或绿色。 发光二极管 LED 是智能化测量控制仪表中简单而常用的输出设备，通常用来指示机器的状态或其他信息，它的优点是耗电省，配置灵活，接口方便，价格低，寿命长， 对电流电压的要求不高及容易实现多路等，因而在智能化测量控制仪表中获得了广泛的应用。 LCD 是一种被动显示器，它本身并不发光，只是调节光的亮度。 目前常用的 LCD 是根据液晶的扭曲 向列效应原理制成的，可得到黑底白字或白底黑字的显示形式。 对于采用电池供电的便携式智能化测量控制仪表，考虑到低功耗的要求，常常需要采用液晶显示器，它体积小，重量轻，功耗极低，因此在仪器仪表中的应用十分广泛。 但是必须借助外来光显示。 CRT 显示器可以进行图形显示，但接口较复杂，成本也较高。 在本系统中，可以不必使用价格较高的 CRT； 4 位 LED 的工作电流为 240mA 左右，由于使用交流电源供电，足以提供 LED 显示器所需要的功率，对于 LED 而言，仅有 4 位，体积也很小，这样比较 LED 和 LCD 的诸多特点， 本系统选择 LED 显示器。 方案选定 基于以上的论述，对于本系统各关键部分的核心器件采用以下组合方案： 1. 温度传感器 DS18B20； 2. 主控芯片 主板 AT89C51； 3. 显示部分 LED 液晶显示器。 哈尔滨理工大学学士学位论文 10 第 3章 系统的硬件设计 在本章将进行系统的 硬件 设计，在后续部分中选择合适的单片机及外围芯片并对其结构、性能、特点等进行简要介绍 说明，完成具体的硬件电路设计。 总体设计应考虑以下几点： （ 1）从整体到局部设计 （ 2）经济性要求 （ 3）可靠性要求 （ 4）操作和维护的要求 按照系统设计功能的要求，系统由 5 个模块组成：主控制器、温度采集电路、温度显示电路、报警控制电路及键盘输入控制电路。 数字式多路温度采集系统总体电路结构框图如图 31 所示。 图 31 数字式多路温度采集系统结构框图 采用智能温度传感器 （ DS18B20） 采集环境温度并进行模数转换；单片机 （ AT89C51） 执行程序 对 温度传感器传输的数据进行进一步的分析处理，转换成环境对应的温度值，通过 I/O 口输出到数码显示管 （ LED） 显示；由键盘输入控制选择某采集电路检测温度及显示；报警电路对设定的最高最低报警温度进行监控报警。 温度采集电路的设计 温度采样处理电路由温度传感器、放大电路、 A/D 转换电路等组成。 采用分块结构的温度采样处理电路，其硬件电路结构复杂，也不便于数据的处理。 采用智能温度传感器采样处理电路，能够方便的进行温度的采集及简单的数据处理。 并且可以达到设计的技术指标要求。 本系统选择智能温度传感器 DS18B20 作为温度采集 电路的核心器件。 由 DS18B20 及辅助电路构成温度采集电路。 多路温度采集（ DS18B20） 温度显示器（ LED） 输入控制电路（按键） 报警控制电路(蜂鸣器 ) 主 控 制 器 （ AT89C51） 哈尔滨理工大学学士学位论文 11 DS18B20 简介 （ 1） DS18B20 的性能特点 DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器， 对比 热敏电阻等温度传感器， 它使用方便， 能够直接读出被测温度，可根据实际要求通过简单的编程实现 9～ 12 位的数字值读数方式 ，使相应 9 位至 12 位的 数值 在 至 750ms 内完成数字量转换 ，其 测温精度可达到 ℃ /LSB，测量的温度 范围是 55～ +125℃。 它 最具优越性的特点是 采用 1Wire 总线技术，节省 I/O 资源，结构简单、成本低廉，便于总线扩展和维护。 所谓 DS18B20 的 1Wire 总线技术， 就是 将地址线、数据线、控制线合为 1 根信。