数字显示温度计设计.docx

任务书一、任务设计一个数字显示的温度计，参考原理框图如下所示。二、要求 1.基本要求（1）能数字显示被测温度，测量温度范围0100 0C；（2）分辨率不低于0.5 0C；（3）带有计时和时间显示功能；（4）至少有高、低两路限温控制输出接口控制外部电路，实际制作时可以发光二极管模拟显示其控制状态输出；（5）高、低两路限温控制点可在0100 0C范围内独立设置，当温度达到高、低限温控制点发出声光报警。2.发挥部分（1）提高温度测量精度，使分辨率不低于0.10C；（2）自动顺时测量并保存温度值和测量时间；（3）可以查询、回显存储器中自动测量的温度值和测量时刻；（4）多路温度巡检（至少两路）和多路温度、时间保存；（5）其他发挥。第一章 课题背景1.1 信息采集与检测的意义测量控制的作用是从生产现场中获取各种参数，运用科学计算的方法，综合各种先进技术，使每个生产环节都能够得到有效的控制，不但保证了生产的规范化、提高产品质量、降低成本，还确保了生产安全。所以，测量控制技术已经被广泛应用于炼油、化工、冶金、电力、电子、轻工和纺织等行业。温度采集控制系统是在嵌入式系统设计的基础上发展起来的。嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，但是微型计算机的体积、价位、可靠性，都无法满足广大对象对嵌入式系统的要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路。这条道路就是芯片化道路。将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。单片机以其集成度高、运算速度快、体积小、运行可靠、价格低廉等优势，在过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到了广泛的应用，特别是单片机嵌入式技术的开发与应用，标志着计算机发展史上又一个新的里程碑。作为计算机两大发展方向之一的单片机，以面向对象的实时控制为己任，嵌入到如家用电器、汽车、机器人、仪器仪表等设备中，使其智能化。目前国内外各大电气公司，大的半导体厂商正在不断的开发、使用单片机，使其无论在控制能力，减小体积，降低成本，还是开发环境的改善等方面，都得到空前迅速的发展。温度检测控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用。在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。温度检测系统应用十分广阔。1.2 设计数字显示温度计的意义随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的应用，智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。温度测试控制系统，控制对象是温度。温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛，比如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视，其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。针对此问题，本系统设计的目的是实现一种可连续高精度调温的温度控制系统，它应用广泛，功能强大，小巧美观，便于携带，是一款既实用又廉价的控制系统。特别是近年来，温度控制系统已应用到人们生活的各个方面，但温度控制一直是一个未开发的领域，却又是与人们息息相关的一个实际问题。第二章 方案选取与论证2.1 方案一采用普通电阻式温度传感器，放大器，A/D转换器作为测量温度的电路。采用两种不同材质的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为“热电偶”。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在540微伏之间。热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到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。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。2.2 方案二采用数字可编程温度传感器作为温度检测元件。数字可编程温度传感器可以直接读出被测温度值。不需要将温度传感器的输出信号接到A/D转换器上，减少了系统的硬件电路的成本和整个系统的体积。美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。“一线总线”独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。使你可以充分发挥“一线总线”的优点。 同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55C+125C，在-10+85C范围内，精度为0.5C。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。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小它还有很多特性：适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，寄生电源方式下可由数据线供；独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；温范围55125，在-10+85时精度为0.5；可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温；在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。2.3 方案论证方案一硬件电路复杂，需要设计A/D转换电路，以及与其相关的编程，总体设计起来较困难，软件、硬件调试复杂，硬件成本较高。而且器传感器有以下缺点：它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响。所以总体来说，方案一在硬件、软件上的成本都比较高，而且易受外部环境的影响，系统工作不稳定。方案二由于采用的是具有一总线特点的温度传感器，所以电路连接简单；而且该传感器拥有强大的通信协议，同过几个简单的操作就可以实现传感器与单片机的交互，包括复位传感器、对传感器读写数据、对传感器写命令。软件、硬件易于调试，制作成本较低。也使得系统所测结果精度大大提高。经过对这两种方案的比较，本设计决定采用方案二。总体设计框图：主 控 制 器LED显 示温 度 传 感 器单片机复位时钟振荡报警点按键调整第三章 硬件电路部分该温度显示控制器总体上包含时钟电路模块、温度报警模块、显示电路模块、温度检测电路模块、按键模块。3.1 时钟电路模块本次设计的时钟电路模块采用的是时钟芯片DS1302进行实现。DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。该部分电路设计图如下：3.2 温度报警模块在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。其方法就是把计算机采集的数据或记过计算机进行数据处理、数字滤波，标度变换之后，与该参数上下限给定值进行比较，如果高于上限值（或低于下限值）则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示和控制。该报警电路包含了声与光的报警，具体电路如下：3.3 显示电路模块由于此次设计，任务书要求显示日期时间以及温度。所以显示模块使用的是字符型液晶显示器LCD1602。该显示芯片可以显示内容为16X2,即可以显示两行。刚好满足设计要求，可以直观明了的看到时间、日期、温度。具体的电路设计图如下：3.4 温度检测电路模块本次设计所采用的温度传感器为Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20，它是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20产品的特点： （1）只要求一个端口即可实现通信。 （2）在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。 （3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。 （4）测量温度范围在-55C-+125C之间。 （5）数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。 （6）内部有温度上、下限设置。具体设计电路图，及与单片机借口连接图如下：DS18B20的数据引脚与单片机的P13引脚相连。3.5 按键模块此次设计中用到四个按键，分别负责加、减、设置、时间显示与温度报警模式切换。电路如下：第四章 软件设计部分软件设计包含一个主程序，以及若干个子程序组成。该部分软件程序详见附录。系统总流程图如下：读温度流程图：第五章 制作及调试过程为了免去设计PCB板的麻烦，本次设计采用的是万用板直接焊接。使用万用板焊接跳线比较多，应该避免漏接或者短路。整个制作过程比较顺利，未出现严重问题。制作完的成品要进行不同温度下的调试测试。将制作好的数字显示温度计接入电源，查看显示器中各个功能模块显示是否正常，像时钟模块若异常，则会显示问号；温度感应模块若异常则表现为当前温度为负零度。若出现以上这些情况，应该检查相应模块电路连接是否正确，是否短路，是否有某些电路漏接。当所有模块均正常工作以后，便要开始检测温度感应是否灵敏了。我们可以模拟不同温度下看看显示器中的温度是否有变化，若条件不允许，可以直接用手捂住DS18B20芯片，观察温度是否有变化。经过各项调试后，各模块功能正常，温度感应正常，报警正常，可以达到任务书的要求。结论经过系统的设计、制作及调试，本设计已经完成了一个比较完整的温度检测预与报警系统。它可以通过键盘输入温度上限、下限值，然后计算其上限和下限的中间值作为最适温度值。温度感应芯片不断读取环境温度，再根据使用者所设计的上下限值进行正确的报警。本次设计还有许多不足的方面，例如：程序设计不够精炼，器件排版不明确导致跳线增加许多，增加了出错可能性，还有一些扩展部分的功能可能不是很到位。但是，在今后的设计中一定加以改进。心得体会课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在短短的两个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次数电课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做数电课程设计，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。 这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。总体来说,这次实习我受益匪浅.在摸索该如何设计程序使之实现所需功能的过程中,特别有趣,培养了我的设计思维,增加了实际操作能力.在让我体会到了设计的艰辛的同时,更让我体会到成功的喜悦和快乐. 这次数电课程设计,虽然短暂但是让我得到多方面的提高：1、提高了我们的逻辑思维能力，使我们在逻辑电路的分析与设计上有了很大的进步。加深了我们对组合逻辑电路与时序逻辑电路的认识，进一步增进了对一些常见逻辑器件的了解。另外，我们还更加充分的认识到，数字电路这门课程在科学发展中的至关重要性2、查阅参考书的独立思考的能力以及培养非常重要，我们在设计电路时，遇到很多不理解的东西，有的我们通过查阅参考书弄明白，有的通过网络查到，但由于时间和资料有限我们更多的还是独立思考。3、相互讨论共同研究也是很重要的，经常出现一些问题，但是和其他的专业同学讨论后，理解了有关基本原理后，很快