基于單片機溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計【開題報告】

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)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(shè)計</p><p>　　一、選題的背景、意義</p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)過程中，控制對象五花八門，溫度控制在生產(chǎn)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(fù)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(shù)以及應(yīng)用需求的發(fā)展，單片機技術(shù)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(shù)有了更好的飛躍，我們現(xiàn)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(xué)、建筑、機械等領(lǐng)域最常遇到的一個物理量。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)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(chǎn)品的成本，簡化操作，節(jié)省勞動力，提高生產(chǎn)效率[1]。</p><p>　　在現(xiàn)實生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究中，溫度的測量非常的重要。在工業(yè)生產(chǎn)過程中需要實時測量溫度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(nóng)業(yè)、工業(yè)有相當(dāng)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(chǎn)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(yuǎn)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(shù)問題，才能夠達到較高的測量精度

5、。另外一般監(jiān)控現(xiàn)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(chǎn)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(shù)字溫度傳感器是解決這些問題的最有效方案，新型數(shù)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(wǎng)等優(yōu)點，在實際應(yīng)用中取得了良好的測溫效果[2]。</p><p>　　二、相關(guān)研究的最新成果及動態(tài) </p>&

6、lt;p>　　目前國內(nèi)外普通采用傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)體PN結(jié)之類的模擬溫度傳感器與單片機結(jié)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(dāng)前普遍采用測溫系統(tǒng)的優(yōu)缺點和適用范圍</p><p>　　（1）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(zhì)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(gòu)造非常之簡單，使用也相當(dāng)?shù)姆奖?。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(dǎo)體或者半導(dǎo)體對接起來后，就構(gòu)成了

8、一個閉合的回路。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個接點1和2之間存在溫差時，兩導(dǎo)體之間便產(chǎn)生了一個電動勢,因而在回路中就形成了一個電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。然后，熱電偶上產(chǎn)生的信號經(jīng)取樣、放大后通過模數(shù)轉(zhuǎn)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(jīng)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(yīng)是熱電阻測溫的特性，即導(dǎo)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?zé)犭娮璧淖柚底兓涂梢詼y量出溫度的度數(shù)變化。然后，熱電阻上產(chǎn)生的信號經(jīng)取樣、放大后通過模數(shù)轉(zhuǎn)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(jīng)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(dǎo)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(shù)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(yán)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(nèi)的溫度測量，其特點是測量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、性能可靠，在程控制中的應(yīng)用極其廣泛[5-7]。</p><p>　?。?）單片機和半導(dǎo)體PN結(jié)組成的測溫系統(tǒng)</p><p

11、>　　利用PN結(jié)的特性，研發(fā)出了一種新的溫度傳感器，叫作PN結(jié)溫度傳感器。PN結(jié)溫度傳感器是一種半導(dǎo)體敏感器件, 它實現(xiàn)溫度與電壓的轉(zhuǎn)換。在常溫范圍內(nèi)，PN結(jié)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(chǔ)元器件之一。但是，被測溫度信號從溫敏元件到單片機，經(jīng)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(jīng)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(jié)果出現(xiàn)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(shù)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(xiàn)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(shù)據(jù)處理。DS18B20與AT89C51結(jié)合可以實現(xiàn)最簡溫度檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強，適合于惡劣環(huán)境下進行現(xiàn)場溫度測量，有廣泛的應(yīng)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(shù)據(jù)的沖突，必須按照單總線協(xié)議規(guī)定的時序來進行工作。為了讓每個設(shè)備都能使用這條總線，單總線

14、協(xié)議采用了一個三態(tài)門，這樣，一個設(shè)備如果暫時不傳輸數(shù)據(jù)就能空出這條總線給其他設(shè)備使用。在外部設(shè)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(xiàn)了9到12位的溫度度數(shù)。</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(nèi)容及擬采取的研究方法（技術(shù)路線）、研究難點

15、及預(yù)期達到的目標(biāo)</p><p>　　圖1基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　1．預(yù)期目標(biāo)</b></p><p>　　本次設(shè)計的任務(wù)是獨立完成一款基于單片機的溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計。為了滿足系統(tǒng)的功能，要求溫度測量系統(tǒng)應(yīng)具備的功能及特點應(yīng)具有以下功能：</p><p>　　（1）具有正常的數(shù)據(jù)采集。能夠準(zhǔn)確完成對

16、溫度的數(shù)據(jù)進行采集、處理、存儲工作。</p><p>　?。?）具有直觀的溫度讀數(shù)的顯示，通過1602液晶顯示器來完成。</p><p>　?。?）自動復(fù)位功能。程序運行時，如果出現(xiàn)死循環(huán)，或者錯誤，系統(tǒng)能自動復(fù)位，重新加載運行程序，加強系統(tǒng)的安全性和可靠性。</p><p>　　（4）抗干擾能力。系統(tǒng)在信號產(chǎn)生或者傳輸過程中，由于外界的干擾使系統(tǒng)信號嚴(yán)重失真，影響

17、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(xiàn)嚴(yán)重錯誤，或者溫度失控時，能發(fā)出警報聲。</p><p>　?。?）外接設(shè)備。為了使系統(tǒng)更加完善，加入外接鍵盤，數(shù)碼管等設(shè)備。</p><p><b>　　2.功能設(shè)計與實現(xiàn)</b></p><p>　?。?）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(shù)據(jù)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(nèi)部RAM</p><p>　　◆32可編程I/O線</p><p>　　◆兩個16位定時器/計數(shù)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(nèi)振蕩器和時鐘電路</p><p>　?。?）溫度傳感器DS18B20</p><p>　　DS18B20的主要特征：</p><p>　　◆適應(yīng)電壓范圍寬，電壓范圍：3.0～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù) 據(jù)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(xiàn)

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(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)</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(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.

22、0625℃，可實現(xiàn)高精度測溫</p><p>　　◆在9位分辨率時最多在 93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快</p><p>　　◆測量結(jié)果直接輸出數(shù)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(fù)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(shè)備</b></p><p>　　內(nèi)部存儲器又稱內(nèi)存，用來存放“程序”和“數(shù)據(jù)”。中央處理器執(zhí)行程序時，從內(nèi)存中讀取程序和數(shù)據(jù)。 內(nèi)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、　（4） 警報電路</b></p><p>　　通過一個蜂鳴器，當(dāng)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(jié)構(gòu)的電子訊響器，廣泛地被應(yīng)用在計算機、打印機、復(fù)印機、報警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機、定時器等電子產(chǎn)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(jù)已掌握的文獻，查找相關(guān)開關(guān)電源書籍，查詢各類期刊，學(xué)術(shù)報告，學(xué)術(shù)會議論文，學(xué)位論文，科技檔案等。</p><p>　　（2）對比法：對開關(guān)電源設(shè)計所采用的不同的設(shè)計方案進行對比研究。</p><p>　?。?）專家訪談法: 根據(jù)本研究內(nèi)容，向?qū)熂跋嚓P(guān)專業(yè)的老師請教有關(guān)知識。</p><p>　　四、研究工作詳細(xì)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(xí)單位</p><p>　　2011.03.12—201

27、1.05.03 畢業(yè)實習(xí)，結(jié)合實習(xí)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(chǔ)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

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29、<p>　　[6]劉法治.常用電子元器件及典型芯片應(yīng)用技術(shù),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(shè)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(shù)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(shè)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(xué)院學(xué)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(shù)，1996.<

31、/p><p>　　[13]于風(fēng)明 ．單片機原理及接口技術(shù),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>