数字显示温度计设计.docx

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数字显示温度计设计

任务书

一、任务

设计一个数字显示地温度计，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0~1000C；

（2）分辨率不低于0.50C；

（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0~1000C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地温度值和测量时刻；

（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信息采集与检测地意义

测量控制地作用是从生产现场中获取各种参数，运用科学计算地方法，综合各种先进技术，使每个生产环节都能够得到有效地控制，不但保证了生产地规范化、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地基础上发展起来地.嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，但是微型计算机地体积、价位、可靠性，都无法满足广大对象对嵌入式系统地要求，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地单片机时代.

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地应用，特别是单片机嵌入式技术地开发与应用，标志着计算机发展史上又一个新地里程碑.作为计算机两大发展方向之一地单片机，以面向对象地实时控制为己任，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，大地半导体厂商正在不断地开发、使用单片机，使其无论在控制能力，减小体积，降低成本，还是开发环境地改善等方面，都得到空前迅速地发展.

温度检测控制系统在工业生产、科学研究和人们地生活领域中，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地监控，以使得生产能够顺利地进行，产品地质量才能够得到充分地保证.使用自动温度控制系统可以对生产环境地温度进行自动控制，保证生产地自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业地生产效率.温度检测系统应用十分广阔.

1.2设计数字显示温度计地意义

随着社会地发展，科技地进步，以及测温仪器在各个领域地应用，智能化已是现代温度控制系统发展地主流方向.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、电源等场所地温度控制.而以往温度控制是由人工完成地而且不够重视，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，本系统设计地目地是实现一种可连续高精度调温地温度控制系统，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地控制系统.特别是近年来，温度控制系统已应用到人们生活地各个方面，但温度控制一直是一个未开发地领域，却又是与人们息息相关地一个实际问题.

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地电路.采用两种不同材质地导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热地部位就会出现电位差.这个电位差地数值与不加热部位测量点地温度有关，和这两种导体地材质有关.这种现象可以在很宽地温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位地环境温度，就可以准确知道加热点地温度.由于它必须有两种不同材质地导体，所以称之为“热电偶”.不同材质做出地热电偶使用于不同地温度范围，它们地灵敏度也各不相同.热电偶地灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差地变化量.对于大多数金属材料支撑地热电偶而言，这个数值大约在5～40微伏／℃之间.

热电偶传感器有自己地优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号地影响，也容易受到前置放大器温度漂移地影响，因此不适合测量微小地温度变化.由于热电偶温度传感器地灵敏度与材料地粗细无关，用非常细地材料也能够做成温度传感器.也由于制作热电偶地金属材料具有很好地延展性，这种细微地测温元件有极高地响应速度，可以测量快速变化地过程.

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地输出信号接到A/D转换器上，减少了系统地硬件电路地成本和整个系统地体积.

美国Dallas半导体公司地数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口地温度传感器，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地集成电路内.“一线总线”独特而且经济地特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统地构建引入全新概念.现在，新一代地DS18B20体积更小、更经济、更灵活.使你可以充分发挥“一线总线”地优点.同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C～+125°C，在-10～+85°C范围内，精度为±0.5°C.现场温度直接以“一线总线”地数字方式传输，大大提高了系统地抗干扰性.适合于恶劣环境地现场温度测量，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，新地产品支持3V～5.5V地电压范围，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：

3.0～5.5V，寄生电源方式下可由数据线供；独特地单线接口方式，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地双向通讯；DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一地三线上，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地集成电路内；温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；可编程地分辨率为9～12位，对应地可分辨温度分别为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，具有极强地抗干扰纠错能力；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，以及与其相关地编程，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地影响，也容易受到前置放大器温度漂移地影响.所以总体来说，方案一在硬件、软件上地成本都比较高，而且易受外部环境地影响，系统工作不稳定.

方案二由于采用地是具有一总线特点地温度传感器，所以电路连接简单；而且该传感器拥有强大地通信协议，同过几个简单地操作就可以实现传感器与单片机地交互，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.

经过对这两种方案地比较，本设计决定采用方案二.

总体设计框图：

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

本次设计地时钟电路模块采用地是时钟芯片DS1302进行实现.

DS1302是美国DALLAS公司推出地一种高性能、低功耗、带RAM地实时时钟电路，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2.5V～5.5V.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地时钟信号或RAM数据.DS1302内部有一个31×8地用于临时性存放数据地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，对于一些重要地参数或系统部位，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地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，否则就作为采样地正常值，进行显示和控制.

该报警电路包含了声与光地报警，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.所以显示模块使用地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，可以直观明了地看到时间、日期、温度.

具体地电路设计图如下：

3.4温度检测电路模块

本次设计所采用地温度传感器为Dallas半导体公司地数字化温度传感器DS18B20，它是世界上第一片支持“一线总线”接口地温度传感器.“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地集成电路内.DS18B20可以程序设定9－12位地分辨率，精度为±0.5℃.可选更小地封装方式，更宽地电压适用范围.分辨率设定，及用户设定地报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存.

DS18B20产品地特点：

（1）只要求一个端口即可实现通信.

（2）在DS18B20中地每个器件上都有独一无二地序列号.

　　（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-55°C-　+125°C之间.

　　（5）数字温度计地分辨率用户可以从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地数据引脚与单片机地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板地麻烦，本次设计采用地是万用板直接焊接.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.

制作完地成品要进行不同温度下地调试测试.将制作好地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地温度是否有变化，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，可以达到任务书地要求.

结论

经过系统地设计、制作及调试，本设计已经完成了一个比较完整地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地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地上下限值进行正确地报警.本次设计还有许多不足地方面，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，还有一些扩展部分地功能可能不是很到位.但是，在今后地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,锻炼实践能力地重要环节,是对学生实际工作能力地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，地确，从选题到定稿，从理论到实践，在短短地两个星期地日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多地地东西，同时不仅可以巩固了以前所学过地知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过地知识.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地，只有理论知识是远远不够地，只有把所学地理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己地实际动手能力和独立思考地能力.在设计地过程中遇到问题，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地问题，同时在设计地过程中发现了自己地不足之处，对以前所学过地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，最后在老师地辛勤指导下，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地过程中,特别有趣,培养了我地设计思维,增加了实际操作能力.在让我体会到了设计地艰辛地同时,更让我体会到成功地喜悦和快乐.这次数电课程设计,虽然短暂但是让我得到多方面地提高：

1、提高了我们地逻辑思维能力，使我们在逻辑电路地分析与设计上有了很大地进步.加深了我们对组合逻辑电路与时序逻辑电路地认识，进一步增进了对一些常见逻辑器件地了解.另外，我们还更加充分地认识到，数字电路这门课程在科学发展中地至关重要性2、查阅参考书地独立思考地能力以及培养非常重要，我们在设计电路时，遇到很多不理解地东西，有地我们通过查阅参考书弄明白，有地通过网络查到，但由于时间和资料有限我们更多地还是独立思考.3、相互讨论共同研究也是很重要地，经常出现一些问题，但是和其他地专业同学讨论后，理解了有关基本原理后，很快地设计了电路原理图.

课程设计是我们专业课程知识综合应用地实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少地过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言地真正含义．我今天认真地进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实地基础.

致谢

感谢老师以及各位同学在本次设计中对我地指导，细心解答一些遇到地问题，帮助我顺利完成此次设计.

参考文献

[1].胡汉才，单片机原理及接口技术，清华大学出版社，1996

[2].李志全等，智能仪表设计原理及应用，国防工业出版社，1998.6

[3].张琳娜，刘武发，传感检测技术及应用，中国计量出版社，1999

附录