基于51單片機(jī)的多路溫度參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 工業(yè)中被測(cè)目標(biāo)的類型有很多，如氣體、液體、還有固體等等，因而 測(cè)量溫度的方法 也 很多，但從感受溫度的途徑來分，有下面兩大類：一類是接觸式的，即通過測(cè)溫元件與被測(cè)物體的接觸而感知物體的溫度；另一類是非接觸式，即通過接收被測(cè)物體發(fā)出的輻射熱來判斷溫度。 因此也就產(chǎn)生了各種測(cè)溫傳感器：傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器（含敏感元件）；模擬集成溫度傳感器；智能溫度傳感器（即數(shù)字溫度傳感器）。 （ 1） 分 立式溫度傳感器 溫度 設(shè) 定電路 聲光報(bào)警 電路 溫度采集電路 51 單片機(jī) LCD 顯示電路 第 4 頁 共 53 頁 傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻、熱敏電阻及半導(dǎo)體溫度傳感器，均屬于分立式溫度傳感器，傳感器本身就是一個(gè)完整的、獨(dú)立的感溫元件。 此類傳感器通常要陪溫度變送器，以獲得標(biāo)準(zhǔn)的模擬量（電壓或電流）輸出信號(hào)。使用時(shí)還需配上二次儀表，才能完成溫度測(cè)量計(jì)控制功能。 其主要缺點(diǎn)是外圍電路比較復(fù)雜、測(cè)量精度較低、分辨力不高、需進(jìn)行溫度校準(zhǔn)（例如非線性校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償、傳感器標(biāo)定等），另外它們的體積較大、使用也不夠方便。因此，分立式溫度傳感器將逐漸被淘汰。 （ 2） 模擬集成溫度傳感器 集成溫度傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝而制成 的，因此亦稱硅傳感器或單片集成傳感器。模擬集成溫度傳感器是在 20 世紀(jì) 80 年代問世的，它是將溫度傳感器集成在一個(gè)芯片上、可完成溫度測(cè)量及模擬信號(hào)輸出功能的專用 IC，它屬于最簡單的一種集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器的主要特點(diǎn)是功能單一（僅測(cè)量溫度） 、測(cè)溫誤差小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗，適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫、控溫，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)。外圍電路簡單，它是目前國內(nèi)外應(yīng)用最為普遍的一種集成傳感器。典型產(chǎn)品有 AD590、 AD59 TMP1 LM135 等。 （ 3）智能溫度傳感器 智能溫度傳感器 （ 亦稱數(shù)字溫度傳感器） 是在模擬集成溫度傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的第三代溫度傳感器，它將溫度傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、寄存器、接口電路集成在一個(gè)芯片上，有的還包含中央處理器（ CPU）、只讀存儲(chǔ)器（ ROM）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（ RAM或 SRAM）、實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘以及報(bào)警電路。 它是在 20 世紀(jì) 90 年代中期問世的。智能傳感器是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測(cè)試技術(shù)的結(jié)晶，它也是集成溫度傳感器領(lǐng)域中最具活力和發(fā)展前途的一種新產(chǎn)品。 智能溫度傳感器具有以下三個(gè)顯著特點(diǎn)：第一，能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)溫度控制量，適配各種微控制器（ MCU）；第 二，能以最簡方式構(gòu)成 高性價(jià)比、多功能的智能化溫度測(cè)控系統(tǒng)；第三，它是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件來實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。 溫度測(cè)量元件的選擇論證 （ 1）用熱電偶作測(cè)溫元件 ① 測(cè)溫原理 把兩種不同的金屬 A 和 B 連接成閉合回路。如果將它們的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)進(jìn)行加熱，使其溫度為 T，而另一個(gè)置于室溫 T1 中，則在回路中就有電流產(chǎn)生，這一現(xiàn)象就稱為熱電效應(yīng)。在這種情況下產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)，用 E(T1,T)來表示。通常把兩種不同的金屬的這種不同組合稱為熱電偶。， A 和 B 稱為熱極，溫度高的接點(diǎn)稱為 熱端（或稱工作端），溫度低的稱為冷端（或稱為自由端）。利用熱電偶把被測(cè)溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闊犭妱?shì)信號(hào)，用儀表測(cè)出電勢(shì)大小，就可間接求得被測(cè)溫度值。 第 5 頁 共 53 頁 ② 熱電偶溫度傳感器的種類結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點(diǎn) 常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測(cè)量。 熱電偶是工業(yè)上最常 用的溫度檢測(cè)元件之一。其優(yōu)點(diǎn)是 ： 。常用的熱電偶從 50～ +1600℃ 均可連續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到 269℃ （如金鐵鎳鉻），最高可達(dá) +2800℃ （如鎢 錸）。 ，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。其缺點(diǎn)是： 測(cè)量時(shí)間長，測(cè)量范圍太寬，在低溫測(cè)量中不適合用熱電偶溫度傳感器。 如下表 是我國常用的幾種標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶。 表 產(chǎn)品名稱 型號(hào) 分度號(hào) 測(cè)量范圍 ℃ 長時(shí)間測(cè)量 短時(shí)間測(cè)量 鉑銠 30－鉑銠 6 WRR B 0 ～ 1600 ℃ 0 ～ 1800 ℃ 鉑銠 10－鉑 WEP S 0 ～ 1300 ℃ 0 ～ 1600 ℃ 鎳鉻－鎳硅 WRN K 0 ～ 1200 ℃ 0 ～ 1300 ℃ 鎳鉻 銅鎳 WRK E 0 ～ 600 ℃ 0 ～ 800 ℃ （ 2）用熱電阻作測(cè)溫元件 熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度較高，性能較穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測(cè)量 精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。熱電阻測(cè)溫是基于金屬導(dǎo) 體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測(cè)量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。 但是轉(zhuǎn)換成電信號(hào)需要 AD 模塊。 下面表 是幾種常用的熱電阻： 表 幾種常用的熱電阻 產(chǎn)品名稱 型號(hào) 分度號(hào) 測(cè)溫范圍 ℃ 鉑熱電阻 WZP Pt100 —200～ 650℃ 銅熱電阻 WZC Cu50 —50～ 150℃ （ 3）用模擬溫度傳感器作測(cè)溫元件 模擬集成溫度傳感器按輸出方式可以分為：電流、電壓、周期、頻率、比率輸出方式集成溫度傳感器。較 常用的 AD590 是電流輸出式集成溫度傳感器。 AD590 的性能特點(diǎn) 第 6 頁 共 53 頁 AD590 兼有集成恒流源和集成溫度傳感器的特點(diǎn)，具有測(cè)溫誤差小、動(dòng)態(tài)阻抗高、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等優(yōu)點(diǎn)，適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫、控溫，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)。 圖 AD590的內(nèi)部電路 AD590 的工作原理 ： AD590 的內(nèi)部電路如圖 所示。芯片中的 R1 和 R2 是采用激光修正的校準(zhǔn)電阻，它能使 (+25℃ )下的電流恰好為 。首先由 晶體管 VT8 和 VT11 產(chǎn)生與熱力學(xué)溫度（即絕對(duì)溫度）成正比的電壓信號(hào)，再通過 R5 和 R6 把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化電流信號(hào)。為保證良好的溫度特性， R5 、 R6 的電阻溫度特性應(yīng)該非常小，這里采用激光修正的 SiCr薄膜電阻，其電阻溫度系數(shù)低至 (30～ 50） 10ˉ6 /℃ 。 VT10 的集電極電流能夠跟隨 VT 9和 VT 11 的集電極電流的變化，使總電流達(dá)到額定值。 R5 、 R6 也需要在 25℃ 的標(biāo)準(zhǔn)溫度下校準(zhǔn)。 AD590 等效于一個(gè)高阻抗的恒流源其輸出 （ 阻抗﹥ 10M 歐 ） ，能大大減小 因電源電壓波動(dòng)而產(chǎn)生的測(cè)量誤差。 AD590 的測(cè)溫范圍是 50～ +150℃ ，對(duì)于熱力學(xué)溫度 T 每變化 1K，輸出電流就變化 第 7 頁 共 53 頁 1uA，這表明其輸出電流 I0 (uA)與熱力學(xué)溫度 T(K)嚴(yán)格成正比。電流溫度系數(shù) KI 的表達(dá)式為： KI =TI =qRk3 ln 8 (21) 經(jīng)過一系列的轉(zhuǎn)換，可得出熱力學(xué)溫標(biāo) (K)與攝氏溫度 (℃ )、華氏溫度 (℉ )之間的換算關(guān)系如下式： t(℃ )=T(K) (22) t(℉ )=59 t(℃ )+32 (23) （ 4）采用智能溫度傳感器 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： 64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 。 圖 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 的主要性能 : ① DS18B20 采用美國 DALLAS 半導(dǎo)體器件公司的 “單線總線 ”專有技術(shù)，通過串行通信口（ I/O）直接輸出被測(cè)溫度值，適配各種單片機(jī)或系統(tǒng)機(jī)。 ② 每一片 DS18B20 具有全球唯一的序列 號(hào)，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一單線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。 ③ DS18B20 的測(cè)溫范圍為： 55～ +125℃ ，在 10～ +85℃ 時(shí)，其精度為 +℃ 。測(cè)溫結(jié)果的數(shù)字量位數(shù) 9～ 12 位，可編程進(jìn)行選擇。 ④ DS18B20 內(nèi)部含寄生電源，器件既可由單線總線供電，也可用外部的電源（ ～ 第 8 頁 共 53 頁 ）供電。 ⑤ 用戶可分別設(shè)定各路溫度的上、下限并寫入隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM 中。 ⑥ DS18B20 采用特有的溫度測(cè)量技術(shù)，其內(nèi)部測(cè)溫電路如圖 圖 DS18B20 內(nèi)部測(cè)溫電路 溫度傳感器方案的 選 定 通過以上幾種測(cè)溫元件的分析、比較，可以知道，熱電偶溫度計(jì)可以應(yīng)用在比較高的溫度下進(jìn)行測(cè)量，如它可以測(cè)量在 1100℃ 以上的溫度，而電阻式溫度計(jì)相對(duì)來說，它主要于 200～ +500℃ 的溫度范圍內(nèi)獲得較廣泛的運(yùn)用。對(duì)于 多路 溫度的測(cè)量，傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻、熱敏電阻及半導(dǎo)體溫度傳感器需要配溫度變送 器，以獲得標(biāo)準(zhǔn)的模擬量（電壓或電流）輸出信號(hào)。 多路的 AD 轉(zhuǎn)換會(huì)占用 51 單片機(jī)的 大量 IO 口，這是很不合理的， 使用時(shí)還需配上二次儀表，才能完成溫度測(cè)量及控制功能。其主要缺點(diǎn)是外圍電路比較復(fù)雜、測(cè)量精度不是很高、分辨力不高、需進(jìn)行溫度校準(zhǔn)（例如非線性校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償、傳感器標(biāo)定等），另外，它們的體積較大，使用也不夠方便。用在 實(shí)時(shí)的溫度檢測(cè)中 ，實(shí)在不理想。因?yàn)椋?工業(yè)自動(dòng)化中的實(shí)時(shí)溫度測(cè)量 ，涉及到信號(hào)的傳輸，傳感器的響應(yīng)速度應(yīng)該較快，在這一點(diǎn)上，集成溫度傳感器稍微可以滿足，它的響應(yīng)速度快、傳輸距離也可以比較遠(yuǎn)，適合中 遠(yuǎn)距離測(cè)溫、控溫，不需進(jìn)行非線性校準(zhǔn)。但是模擬集成溫度傳感器功能單一（僅限于溫度測(cè)量） ，而且同樣需要使用 AD，多路采集時(shí)占用大量 IO 口。而 智能溫度傳感器其主要優(yōu)點(diǎn)是采用數(shù)字化技術(shù)，能以數(shù)字形式直接輸出被測(cè)溫度值， 可以省略掉外部 AD 電路， 具有 降低成本、 測(cè)溫誤差小、分辨力高、抗干擾能力強(qiáng)、能夠遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)、用戶可設(shè)定溫度上、下限、有越限自動(dòng)報(bào)警功能、適配各種微控制器（含微處理器和單片機(jī)）。 因此，經(jīng)過論證 ， 決定選用智能溫度傳感器，并選用具有代表性的 DS18B20 作為測(cè)溫元件。 第 9 頁 共 53 頁 測(cè)溫電路 的方案 圖 DS18B20 的引腳 測(cè)溫電路的方案要根據(jù)測(cè)溫的傳感器的結(jié)構(gòu)以及使用方法來確定。下面先從DS18B20 的數(shù)據(jù)構(gòu)成和讀寫方式進(jìn)行分析 。 如圖 所示， DQ 為數(shù)字信號(hào)輸入 /輸出端； GND 為電源地； VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由 7 部分組成：寄生電源、溫度傳感器、 64 位光刻 ROM 與單線接口 、高速暫存器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)寄存器 TH 和 TL、存儲(chǔ)與控制邏輯、 8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼 : (1)寄生電源由二極管和寄生電容組成，并有電源檢測(cè)電路用來判定供電方式并且輸出相應(yīng)的邏輯電平（ “0”表示用寄生電源供電， “1”表示用外部電源供電），以便高速暫存器能夠讀出數(shù)據(jù)和命令。寄生電源有兩個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：第一，遠(yuǎn)程檢測(cè)溫度時(shí)無需本地電源；第二，在缺少正常電源時(shí)也能讀 ROM。 (2)光刻 ROM 中的 64 位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 DS18B20 的地址序列碼。 64 位光刻 ROM 的排列是：開始 8 位（ 28H）是產(chǎn) 品類型標(biāo)號(hào)，接著的 48位是該 DS18B20 自身的序列號(hào)，最后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（ CRC=X8+X5+X4+1）。光刻 ROM 的作用是使每一個(gè) DS18B20 都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè) DS18B20 的目的。 (3)DS18B20 中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以 12 位轉(zhuǎn)化為例 :用 16 位符號(hào)