基于單片機溫度測量系統(tǒng)的設計【開題報告】

1、<p><b>　　畢業(yè)設計開題報告</b></p><p><b>　　電子信息工程</b></p><p>　　基于單片機溫度測量系統(tǒng)的設計</p><p>　　一、選題的背景、意義</p><p>　　在工業(yè)生產過程中，控制對象五花八門，溫度控制在生產過程中占有很大的比例。測量和控制

2、缺一不可。由于要控制的對象越來越復雜，溫度測量控制方面還有著許許多多的問題。如何更好地提高測量和控制性能，滿足不同的場合的測量控制要求，是大家研究的一個重要課題。</p><p>　　隨著電子技術以及應用需求的發(fā)展，單片機技術得到了迅速的發(fā)展，在高集成度、高速度、低功耗以及高性能方面取得了很大的進展，電子技術有了更好的飛躍，我們現在完全可以運用單片機和溫度傳感器進行溫度測量和控制。</p><

3、p>　　溫度是日常生活、冶金、化工、醫(yī)學、建筑、機械等領域最常遇到的一個物理量。隨著經濟的發(fā)展和科學技術的進步，對于溫度的測量和控制有了更高要求。采用單片機溫度測量系統(tǒng)，能大大的提高溫度測量的精度，降低產品的成本，簡化操作，節(jié)省勞動力，提高生產效率[1]。</p><p>　　在現實生活和工農業(yè)生產及科學研究中，溫度的測量非常的重要。在工業(yè)生產過程中需要實時測量溫度，在農業(yè)生產中也離不開溫度的測量，因此研究

4、溫度的測量方法和裝置具有重要的意義。由于我國的自動化長期以來一直都比較落后，各類農業(yè)、工業(yè)有相當一部分還停留在常規(guī)儀表測量控制，有的甚至還處在人工加常規(guī)儀表的半自動測量控制狀態(tài)。這個不僅安全生產沒有保障，效率低下，工人的勞動強度也大大的提高。</p><p>　　在傳統(tǒng)的模擬信號遠距離溫度測量系統(tǒng)中，需要很好的解決引線誤差補償問題、多點測量切換誤差問題和放大電路零點漂移誤差問題等技術問題，才能夠達到較高的測量精度

5、。另外一般監(jiān)控現場的電磁環(huán)境都非常惡劣，各種干擾信號較強，模擬溫度信號容易受到干擾而產生測量誤差，影響測量精度。因此，在溫度測量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力強的新型數字溫度傳感器是解決這些問題的最有效方案，新型數字溫度傳感器DS18B20具有體積更小、精度更高、適用電壓更寬、采用一線總線、可組網等優(yōu)點，在實際應用中取得了良好的測溫效果[2]。</p><p>　　二、相關研究的最新成果及動態(tài) </p>&

6、lt;p>　　目前國內外普通采用傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻、半導體PN結之類的模擬溫度傳感器與單片機結合來進行溫度測量，它們都有各自的優(yōu)缺點和使用范圍。 </p><p>　　1.當前普遍采用測溫系統(tǒng)的優(yōu)缺點和適用范圍</p><p>　?。?）單片機和熱電偶組成的測溫系統(tǒng)</p><p>　　熱電偶作為溫度檢測元件在工業(yè)上是很常見的。它的優(yōu)點是：①測量的精度很高。

7、因為在測量的過程中，熱電偶是直接和被測對象接觸的，所以中間介質對測量沒有影響，提高了測量的精度。②測量的范圍很廣。熱電偶的測量范圍在-50～+1600℃，某些特殊熱電偶最低可測到-269℃，最高可達+2800℃。③構造非常之簡單，使用也相當的方便。通常來說，熱電偶是由2種不同材料的金屬絲所組成的，而且不受大小和開頭的限制，外部又有保護套管套著，用起來非常的安全和方便。熱電偶測溫基本原理：把兩種不同材料的導體或者半導體對接起來后，就構成了

8、一個閉合的回路。當導體A和B的兩個接點1和2之間存在溫差時，兩導體之間便產生了一個電動勢,因而在回路中就形成了一個電流,這種現象稱為熱電效應。熱電偶就是利用這一效應來工作的。然后，熱電偶上產生的信號經取樣、放大后通過模數轉換，再交自單片機處理。被測溫度信號從溫敏元件到單片機，經過眾多器件，易受干擾、不易控制且精度不高[3-4]。 </p><p>　　單片機和熱電阻組成的測溫系統(tǒng)</p><p

9、>　　在中低溫區(qū)里，熱電阻是最常用的一種溫度檢測器。但與熱電偶的測溫原理不同的是，熱效應是熱電阻測溫的特性，即導體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測量出感溫熱電阻的阻值變化，就可以測量出溫度的度數變化。然后，熱電阻上產生的信號經取樣、放大后通過模數轉換，再交自單片機處理。被測溫度信號從溫敏元件到單片機，經過眾多器件，易受干擾、不易控制且精度不高。目前主要有半導體熱敏電阻溫度傳感器和金屬熱電阻溫度傳感器兩類。相比較而言，熱

10、敏電阻的溫度系數更大，其電阻值在常溫下的范圍更高，但是，互換性卻不是很理想，非線性嚴重，通常情況下，測量溫度的范圍只有-50～300℃左右，大量用于家用電器和汽車的溫度檢測和控制。金屬熱電阻溫度傳感器一般適用于-200～500℃范圍內的溫度測量，其特點是測量準確、穩(wěn)定性好、性能可靠，在程控制中的應用極其廣泛[5-7]。</p><p>　?。?）單片機和半導體PN結組成的測溫系統(tǒng)</p><p

11、>　　利用PN結的特性，研發(fā)出了一種新的溫度傳感器，叫作PN結溫度傳感器。PN結溫度傳感器是一種半導體敏感器件, 它實現溫度與電壓的轉換。在常溫范圍內，PN結溫度傳感器包括了熱電偶和熱敏電阻的各自優(yōu)點，同時它又克服了這些傳統(tǒng)溫度傳感器件的一些比較大的和固有的缺陷，它是自動控制和儀器儀表工業(yè)不可缺少的基礎元器件之一。但是，被測溫度信號從溫敏元件到單片機，經過眾多器件，易受干擾、不易控制且精度不高。</p><p&

12、gt;　　傳統(tǒng)的模擬傳感器都存在著各自的缺點，而且都要經過信號處理電路，就會受到或多或少的干擾，使信號失真，使測量結果出現比較大的誤差[8]。</p><p>　　2．溫度測量的發(fā)展方向</p><p>　　DS18B20是一種新型的可編程溫度傳感器，它是由美國的一家叫作DALLAS公司所推出的單總線的芯片，主要用于數字測溫。它的接口方式有別于傳統(tǒng)的接口方式，僅需要一個端口就能實現與單片機

13、的雙向通訊。他能代替模擬溫度傳感器和信號處理電路，直接與單片機溝通，完成溫度采集和數據處理。DS18B20與AT89C51結合可以實現最簡溫度檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)結構簡單，抗干擾能力強，適合于惡劣環(huán)境下進行現場溫度測量，有廣泛的應用前景。</p><p>　　DS18B20的測溫原理：由于所有的器件都連接在一條總線上，為了不發(fā)生數據的沖突，必須按照單總線協議規(guī)定的時序來進行工作。為了讓每個設備都能使用這條總線，單總線

14、協議采用了一個三態(tài)門，這樣，一個設備如果暫時不傳輸數據就能空出這條總線給其他設備使用。在外部設備中通過一個上拉電阻器，使得總線在空閑時保持一個高電平。通過程序編程，DS18B20實現了9到12位的溫度度數。</p><p>　　DS18B20具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少、擴展方便等優(yōu)點。 </p><p>　　三、課題的研究內容及擬采取的研究方法（技術路線）、研究難點

15、及預期達到的目標</p><p>　　圖1基本系統(tǒng)結構框圖</p><p><b>　　1．預期目標</b></p><p>　　本次設計的任務是獨立完成一款基于單片機的溫度測量系統(tǒng)的設計。為了滿足系統(tǒng)的功能，要求溫度測量系統(tǒng)應具備的功能及特點應具有以下功能：</p><p>　?。?）具有正常的數據采集。能夠準確完成對

16、溫度的數據進行采集、處理、存儲工作。</p><p>　?。?）具有直觀的溫度讀數的顯示，通過1602液晶顯示器來完成。</p><p>　?。?）自動復位功能。程序運行時，如果出現死循環(huán)，或者錯誤，系統(tǒng)能自動復位，重新加載運行程序，加強系統(tǒng)的安全性和可靠性。</p><p>　?。?）抗干擾能力。系統(tǒng)在信號產生或者傳輸過程中，由于外界的干擾使系統(tǒng)信號嚴重失真，影響

17、數據的準確性和可靠性，因此，讓系統(tǒng)具有抗干擾能力是必不可少的。</p><p>　?。?）警報系統(tǒng)。在系統(tǒng)出現嚴重錯誤，或者溫度失控時，能發(fā)出警報聲。</p><p>　?。?）外接設備。為了使系統(tǒng)更加完善，加入外接鍵盤，數碼管等設備。</p><p><b>　　2.功能設計與實現</b></p><p>　　（1）控

18、制核心AT89C51</p><p>　　◆4K字節(jié)可編程閃爍存儲器</p><p>　　◆壽命：1000寫/擦循環(huán)</p><p>　　◆數據保留時間：10年</p><p>　　◆全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz</p><p>　　◆三級程序存儲器鎖定</p><p>　　◆128×

19、;8位內部RAM</p><p>　　◆32可編程I/O線</p><p>　　◆兩個16位定時器/計數器</p><p><b>　　◆5個中斷源</b></p><p><b>　　◆可編程串行通道</b></p><p>　　◆低功耗的閑置和掉電模式</p>

20、<p>　　◆片內振蕩器和時鐘電路</p><p>　　（2）溫度傳感器DS18B20</p><p>　　DS18B20的主要特征：</p><p>　　◆適應電壓范圍寬，電壓范圍：3.0～5.5V，在寄生電源方式下可由數 據線供電</p><p>　　◆獨特的單線接口方式，DS18B20在與單片機連接時僅需要一條口線即可實現

21、微處理器與DS18B20的雙向通訊</p><p>　　◆DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內</p><p>　　◆溫范圍－55℃～＋125℃，在-10～+85℃時精度為±0.5℃</p><p>　　◆可編程 的分辨率為9～12位，對應的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.

22、0625℃，可實現高精度測溫</p><p>　　◆在9位分辨率時最多在 93.75ms內把溫度轉換為數字，12位分辨率時最多在750ms內把溫度值轉換為數字，速度更快</p><p>　　◆測量結果直接輸出數字溫度信號，以"一 線總線"串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力</p><p>　　◆負壓特性：電源極性接

23、反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀， 但不能正常工作[9-11]。 </p><p><b>　?。?）存儲設備</b></p><p>　　內部存儲器又稱內存，用來存放“程序”和“數據”。中央處理器執(zhí)行程序時，從內存中讀取程序和數據。 內存可分為兩部分：ＲＯＭ（只讀存儲器）和ＲＡＭ（隨機存儲器） [12-14]。</p><p><b>　

24、?。?） 警報電路</b></p><p>　　通過一個蜂鳴器，當溫度超過規(guī)定的上下限時發(fā)出報警聲。蜂鳴器是一種采用直流電壓供電的一體化結構的電子訊響器，廣泛地被應用在計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產品中，作為一個發(fā)聲的器件來使用 [15] 。</p><p><b>　　3.研究方法：</b></p&g

25、t;<p>　?。?）文獻資料法：根據已掌握的文獻，查找相關開關電源書籍，查詢各類期刊，學術報告，學術會議論文，學位論文，科技檔案等。</p><p>　?。?）對比法：對開關電源設計所采用的不同的設計方案進行對比研究。</p><p>　　（3）專家訪談法: 根據本研究內容，向導師及相關專業(yè)的老師請教有關知識。</p><p>　　四、研究工作詳細進

26、度和安排</p><p>　　2010.11..01—2010.11.21 完成畢業(yè)論文選題</p><p>　　2010.11.22—2011.01.09 完成文獻綜述、外文翻譯</p><p>　　2011.02.21—2011.03.11 完成開題報告，論文初稿，確定實習單位</p><p>　　2011.03.12—201

27、1.05.03 畢業(yè)實習，結合實習修改畢業(yè)論文</p><p>　　2011.05.04—2011.05.18 畢業(yè)論文定稿</p><p><b>　　五、參考文獻</b></p><p>　　[1]唐杰.51單片機編程基礎與開發(fā)實例詳解, 人民郵電出版社,2008.</p><p>　　[2]張曉芳. 基于C

28、51的單片機溫度控制系統(tǒng)設計[J],蘇州市職業(yè)大學學報，2009.</p><p>　　[3]沙戰(zhàn)友.單片機外圍電路設計[M],北京：電子工業(yè)出版社,2003.</p><p>　　[4] 趙海蘭.電子世界[J], 2003.</p><p>　　[5]廖琪梅,韓彬. 基于單總線器件DS18B20的溫度測量儀[J], 國外電子元器件,2008.</p>

29、<p>　　[6]劉法治.常用電子元器件及典型芯片應用技術,機械工業(yè)出版社,2007.</p><p>　　[7]周興華.單片機C語言高級程序設計,中國電力出版社,2008.</p><p>　　[8]王勇、葉敷范.基于AT89S51的便攜式實時溫度檢測儀[J],儀表技術與傳感器，2006.</p><p>　　[9]趙德安. 單片機溫度控制實驗裝及在課

30、程設計中的運用置,實驗室研究與探索,1999.</p><p>　　[10]馬智超. 基于多諧振蕩器的AT89S51單片機溫度控制,師范學院學報，2008.</p><p>　　[11]葛一楠. 高精度單片機溫度控制儀,自動化與儀器儀表，1995.</p><p>　　[12]焦國平. 單片機溫度控制中熱電偶非線性校正的幾種實用方法,東北煤炭技術，1996.<

31、/p><p>　　[13]于風明 ．單片機原理及接口技術,北京：中國輕工業(yè)出版社，1997.</p><p>　　[14] Francis Enejo Idachaba. Design of Inte 8751 Microcontroller-based System for Monitoring and Control of a Thermal Process，2010. </p>