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基于单片机温度计综述基于单片机的温度计综述摘要：温度测量系统应用广泛，涉及到各行各业的各个方面, 在各种不同的领域中都占有重要的位置。从降低开发成本、扩大适用范围、系统运行的稳定性、可靠性出发，设计一种以单片机为控制核心的温度测量系统。本文介绍了该温度测量系统中单片机的基本结构及引脚功能，单片机的时钟电路、复位电路、温度传感器、A/D转换电路、液晶显示电路以及报警电路。关键词：单片机/温度测量/A/D转换1 单片机单片机是单片微型计算机的简称，又称微控器，它是将中央处理器、存储器、中断系统定时器/计数器、端口、总线等部件做在一个芯片上的集成电路芯片1。中央处理器是单片机的核心部件，它由运算器和控制器组成，主要完成算术运算、逻辑运算和逻辑控制等功能。存储器是具有记忆功能的电子部件，分为只读存储器和随机存储器两类。只读存储器用于存储程序、表格等相对固定的信息；随机存储器用于存储程序运行期间所需要的数据和产生的结果。输入/输出端口是单片机与外界信息交换的通道，其主要功能是协调、匹配单片机与外部设备的工作。并行口传输并行信息，速度快，但需要的引脚数目较多，适合近距离传送。串行口传送串行信息，速度慢，但需要的引脚数目少，适合远距离传送。定时器/计数器用于实现系统定时或时间计数，并以定时或计数结果对操作对象进行控制；中断控制系统是单片机为满足各种实时控制而设置的功能部件，是重要的输入/输出机制；总线是各工作部件之间传送信息的公共通道。总线按照其功能可分为数据总线、地址总线和控制总线三类，分别传送数据信息、地址信息和控制信息2。单片机的引脚图如图1所示。图1 单片机引脚图2 时钟电路单片机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下有序进行的，这个脉冲是由时钟电路产生的。时钟电路由振荡器和分频器组成。振荡器产生基本的震荡信号，然后进行分频，得到相应的时钟3。时钟电路与单片机连接图如图2所示。图2 时钟电路与单片机连接图3 复位电路复位是单片机的初始化工作，它的主要功能是把单片机恢复到初始状态。除单片机在开机时要复位外，在运行过程中，当由于程序出错或操作错误使系统死机时，也可以按复位键重新启动，使机器进入复位状态4。复位电路与单片机连接图如图3所示。图3 复位电路与单片机连接图4 温度传感器4.1DS18B20温度传感器DS18B20引脚如图4所示。图4 DS18B20引脚图DALLAS 最新单线数字温度传感器DS18B20是一种新型的“一线器件”，其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。DALLAS 半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。温度测量范围为-55+125 摄氏度，可编程为9位12 位转换精度，测温分辨率可达0.0625摄氏度，分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROM 中，掉电后依然保存。被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可以在远端引入，也可以采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便5。4.1.1DS18B20工作原理DS18B20的读写时序和测温原理与DS18B20相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。 DS18B20测温原理：低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振 随温度变化其振荡率明显改变6，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。4.1.2DS18B20功能特点(1)采用单总线技术，与单片机通信只需要一根I/O线，在一根线上可以挂接多个DS18B20。(2)每只DS18B20具有一个独有的，不可修改的64位序列号，根据序列号访问地应的器件。(3)低压供电，电源范围从35V，可以本地供电，也可以直接从数据线上窃取电源（寄生电源方式）。(4)测温范围为-55+125,在-1085范围内误差为0.5。(5)可编辑数据为912位，转换12位温度时间为750ms（最大）。(6)用户可自设定报警上下限温度。(7)报警搜索命令可识别和寻址哪个器件的温度超出预定值。(8)DS18B20的分辩率由用户通过EEPROM设置为912位。(9)DS18B20可将检测到温度值直接转化为数字量，并通过串行通信的方式与主控制器进行数据通信7。4.1.3DS18B20使用中的注意事项DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：(1)DS18B20从测温结束到将温度值转换成数字量需要一定的转换时间，这是必须保证的，不然会出现转换错误的现象，使温度输出总是显示85。(2)在实际使用中发现，应使电源电压保持在5V 左右，若电源电压过低，会使所测得的温度精度降低8。(3)较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS18B20操作部分最好采用汇编语言实现9。(4)在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并非如此，当单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。(5)在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环，这一点在进行DS18B20硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视10。4.2PT100温度传感器4.2.1Pt100简介Pt100,就是说它的阻值在0度时为100欧姆，PT100温度传感器是一种以铂(Pt)作成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数,其电阻和温度变化的关系式如下：R=Ro(1+T)，Pt100温度传感器的主要技术参数如下：测量范围：-200+850；允许偏差值：A级（0.150.002t），B级（0.300.005t）； Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。4.2.2PT100温度传感器三根芯线的接法PT100铂电阻传感器有三条引线,可用A、B、C（或黑、红、黄）来代表三根线,三根线之间有如下规律：A与B或C之间的阻值常温下在110欧左右,B与C之间为0欧，B与C在内部是直通的，原则上B与C没什么区别。仪表上接传感器的固定端子有三个：A线接在仪表上接传感器的一个固定的端子。B和C接在仪表上的另外两个固定端子，B和C线的位置可以互换,但都得接上，。如果中间接有加长线,三条导线的规格和长度要相同。热电阻的3线和4线接法：是采用2线、3线、4线，主要由使（选）用的二次仪表来决定。一般显示仪表提供三线接法，PT100一端出一颗线，另一端出两颗线，都接仪表，仪表内部通过桥抵消导线电阻。一般PLC为四线，每端出两颗线，两颗接PLC输出恒流源， PLC通过另两颗测量PT100上的电压，也是为了抵消导线电阻，四线精确度最高，三线也可以，两线最低，具体用法要考虑精度要求和成本。4.2.3Pt100温度传感器的主要技术参数测量范围：-200+850；允许偏差值：A级（0.150.002t），B级（0.300.005t）；热响应时间30s；最小置入深度：热电阻的最小置入深度200mm；允通电流5mA。另外，Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。为了提高温度测量的准确性，应使用1V电桥电源、A/D转换器的5V参考电源要稳定在1mV级；在价格允许的情况下，Pt100传感器、A/D转换器和运放的线性度要高。同时，利用软件矫正其误差，可以使测得温度的精度在0.2。Pt100温度传感器的使用，Pt100温度传感器是一个模拟信号，它在实际应用中有二种形式：一种是不需要显示的主要采集到PLC，这样的话在使用的时候就是只需要一块Pt100的集成电路，要注意的是这个集成电路采集的不是电流信号是电阻值，Pt100的集成电路（需要一个12VDC电源提供工作电压）直接把采集到的电阻变为1-5VDC输入到PLC，经过简单的+-*/计算就可以得到相应的温度值（这样的形式可以同时采集多路），还有一种就是单独的一个Pt100温度传感器（工作电源是24VDC），产生一个4-20mA的电流，然后再通过一个4-20mA电流电路板把4-20mA的电流变为1-5V电压，这个不一样的就是可以窜连一个电磁指示仪表，其他的基本一样。5 A/D转换电路5.1ADC0809ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口11。 5.1.1ADC0809引脚及功能ADC0809引脚图如图5所示。其功能如下：D7-D0：8位数字量输出引脚。IN0-IN7：8位模拟量输入引脚。VCC：+5V工作电压。GND：地。REF（+）：参考电压正端。REF（-）：参考电压负端。START：A/D转换启动信号输入端。ALE：地址锁存允许信号输入端。（以上两种信号用于启动A/D转换）。EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK：时钟信号输入端（一般为500KHz）。A、B、C：地址输入线12。图5 ADC0809引脚图ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路13。 5.2ADC0809应用说明 (1)ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。 (2)初始化时，使ST和OE信号全为低电平。 (3)送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 (4)在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 (5)是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。 (6)当EOC变为高电平时，这时OE为高电平，转换的数据输出给单片机14。 5.2ADC08045.2.1ADC0804引脚及功能ADC0804的管脚图如图6所示。图6 ADC0804管脚图5.2.2ADC0804与单片机的接口电路ADC0804与单片机的连接如图7所示。图7 ADC0804与单片机的接口电路图6 液晶显示电路液晶显示器即LCD，其应用很广泛，简单如手表上的液晶显示屏，仪表仪器上的液晶显示器或者是电脑笔记本上的液晶显示器等。在一般的办公设备上也很常常见到LCD的足迹。常见的液晶有LCD1602和1286415。6.1LCD1602引脚及功能LCD1602的引脚如图8所示。图8 LCD1602的引脚图6.2LCD1602与单片机的接口电路LCD1602与单片机的连接如图9所示。图9 LCD1602与单片机的接口电路7 报警电路当温度值达到预设的上下限时，微控制器就会启动蜂鸣器报警装置，同时LED发光二极管闪烁。蜂鸣器与家用电气上的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作电流比较大，电路上的TTL点评基本上驱动不了蜂鸣器，需要增加一个电流放大电路才可以驱动蜂鸣器发出声音，因此，增加了一个三极管来增加通过蜂鸣器的电流16。报警电路如图10声光报警电路所示。图10 声光报警电路总结通过大量文献分析及总结，本设计以单片机为控制器，设计一种数字温度计，数字温度计采用温度敏感元件也就是温度传感器采集数据信号，如果采集的信号是模拟信号，需要将模拟信号通过A/D转换器转换成数字信号，再将数字信号送给单片机进行数据处理，处理单元经过内部的软件计算将这个数字信号和温度联系起来，即转化成可以显示出来的温度数值，然后通过显示单元显示出来，当温度越限时，可以实现报警功能。基本要求是：1.设计一种基于单片机的数字温度计，并使用proteus软件进行仿真；2.实现温度的LCD显示，并可以同时显示摄氏温度和华氏温度；3.实现温度的上下限报警，并可以通过键盘自行设定报警温度值；4.温度的精度误差小于0.1。参考文献1李林功.单片机原理及应用M.科学出版社，2013：24-272宋戈，黄鹤松，员玉良等.51单片机应用开发范例大全M.人民邮电出版社，2010：3-133张毅刚，彭喜元，姜守达等.新编MCS-51单片机应用设计M.哈尔滨工业大学出版社，2003：22-234楼然苗，李光飞等.单片机课程设计指导M.北京航空航天大学出版社，2007：35-395强易富，胡生清，于晓洋等.传感器M.机械工业出版社，2001：27-306张开