传感器实训实用测温仪.docx
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传感器实训实用测温仪
传感器综合设计
实训论文说明书
题目：
实用测温仪
院（系）：
信息与通信工程
专业：
电子信息工程
学生姓名：
学号：
指导教师
2014年06月27日
摘要
温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。
在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展最快的感器之传一。
温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。
不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。
温度传感器随温度而引起物理参数变化的有：
膨胀、电阻、电容、而电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。
随着生产的发展，新型温度传感器还会不断涌现。
关键词：
温度传感器;STC89C52;单片机;DS18B20
Abstract
Temperaturesensorisanimportanttemperaturemeasurementandcontroldevices.Inawidevarietyofsensors,temperaturesensorsarethemostwidelyused,oneofthefastestgrowingofthesensor.Temperaturesensorbyanobjectchangeswithtemperaturechangesomefeaturestoindirectmeasurement.Manymaterials,devicecharacteristicschangewiththetemperaturechange,sothematerialcanbequitealotoftemperaturesensors.Temperaturesensorwithtemperaturechangescausedbyphysicalparametersare:
expansion,resistance,capacitance,andelectromotiveforce,magnetic,frequency,opticalpropertiesandthermalnoiseandsoon.Withthedevelopmentofproduction,thenewsensorwillcontinuetoemerge.
Keywords:
Temperaturesensor;STC89C52;Soc;DS18B20
目录
引言1
1温度传感器的基本概念2
1.1温度传感器的定义2
1.2温度传感器的物理原理2
1.2.1基本物理原理2
1.2.2温度传感器应满足的条件3
1.3温度传感器的种类及特点3
1.3.1接触式温度传感器3
1.3.2非接触式温度传感器3
1.4温度传感器的主要发展方向4
2整体设计思路4
2.1方案设计与论证4
2.2实现功能4
2.3操作设计4
3主要芯片介绍5
3.1STC89C52介绍 5
3.1.1主要性能5
3.1.2功能特性描述5
3.2DS18B20芯片介绍7
3.2.1主要性能7
3.2.2功能特性描述8
4总结8
谢辞10
参考文献11
附录12
引言
在当今信息化时代发展过程中，各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件--传感器或智能传感器，已经成为各个应用领域中不可缺少的重要技术工具。
获取各种信息的传感器无疑掌握着这些领域和系统的命脉。
传感器是信息采集系统的首要部件，是现实现代化测量和自动控制（包括遥感、遥测、遥控）的主要环节，是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。
现在传感器与信息技术、计算机技术并列成为支撑整个现代信息产业的三大支柱，可以设想如果没有高度保真和性能可靠的传感器，没有先进的传感器技术，那么信息的准确获取就成为一句空话，信息技术和计算机技术就成为无源之水。
目前从宇宙探索、海洋开发、环境保护、灾情预报到包括生命科学在内的每一项现代科学技术的研究以及人民群众的日常生活等等，无一不与传感器技术紧密联系着。
传感器（SENSOR）是由敏感元件和转换元件组成的可将电量或非电量转换为可测量的电量的检测装置。
如果把计算机比作人的大脑，通讯是神经网络，那么传感器就是人的感觉器官，它所采集的信息对于计算机大脑的思维及处理结果具有决定性的意义。
传感器是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动控制的主要环节，是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。
在信息技术不断发展，人类文明不断进步的时代，越来越多的电子产品开始占们的日常工作和生活.可见，应用、研究和开发传感器和传感器技术是信息时代的必要要求。
因此，毫无夸张地说：
没有传感器及其技术将没有现代化科学技术的迅速发展。
本次设计的目的就是让我们在理论学习的基础上，通过完成一个传感器件的设计，使我们学生不但能够将课堂上学到的理论知识与实际应用结合起来，而且能够对电子电路、电子元器件、印制电路板等方面的知识进一步加深认识，同时在排版调试、焊接技术、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高。
1温度传感器的基本概念
1.1温度传感器的定义
温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。
从17世纪初人们开始利用温度进行测量。
在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。
与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。
温度传感器是五花八门的各种传感器中最为常用的一种，现代的温度传感器外形非常得小，这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中，也为我们的生活提供了无数的便利和功能。
温度传感器有四种主要类型：
热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。
IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。
温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。
一般测量精度较高。
在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。
但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。
它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。
在日常生活中人们也常常使用这些温度计。
随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。
低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。
1.2温度传感器的物理原理
1.2.1基本物理原理
*随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化；
*蒸气压的温度变化；
*电极的温度变化
*热电偶产生的电动势；
*光电效应
*热电效应
*介电常数、导磁率的温度变化；
*物质的变色、融解；
*强性振动温度变化；
*热放射；
*热噪声。
1.2.2温度传感器应满足的条件
*特性与温度之间的关系要适中，并容易检测和处理，且随温度呈线性变化；
*除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低；
*特性随时间变化要小；
*重复性好，没有滞后和老化；
*灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要小；
*机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；
*能大批量生产，价格便宜；
*无危险性，无公害等
1.3温度传感器的种类及特点
1.3.1接触式温度传感器
1）常用热电阻
范围：
-260～＋850℃；精度：
0.001℃。
改进后可连续工作2000h，失效率小于1％，使用期为10年。
2）管缆热电阻测温范围为-20～＋500℃，最高上限为1000℃，精度为0.5级。
3）陶瓷热电阻测量范围为–200～+500℃，精度为0.3、0.15级。
4）超低温热电阻两种碳电阻，可分别测量–268.8～253℃-272.9～272.99℃的温度。
5）热敏电阻器适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。
经济性好、价格便宜。
接触式温度传感器的特点：
传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。
因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。
1.3.2非接触式温度传感器
l）辐射高温计用来测量1000℃以上高温。
分四种：
光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。
2）光谱高温计前苏联研制的YCI—I型自动测温通用光谱高温计,其测量范围为400～6000℃,它是采用电子化自动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。
3）超声波温度传感器特点是响应快（约为10ms左右），方向性强。
目前国外有可测到5000℉的产品。
4）激光温度传感器适用于远程和特殊环境下的温度测量。
如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度，精度为1％。
美国麻省理工学院正在研制一种激光温度计，最高温度可达8000℃，专门用于核聚变研究。
瑞士BrowaBorer研究中心用激光温度传感器可测几千开（K）的高温。
接触式温度传感器的特点：
非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。
其制造成本较高，测量精度却较低。
优点是：
不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。
1.4温度传感器的主要发展方向
（1）超高温与超低温传感器，如+3000℃以上和–250℃以下的温度传感器。
（2）提高温度传感器的精度和可靠性。
（3）研制家用电器、汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器。
（4）发展新型产品，扩展和完善管缆热电偶与热敏电阻；发展薄膜热电偶；研究节省镍材和贵金属以及厚膜铂的热电阻；研制系列晶体管测温元件、快速高灵敏CA型热电偶以及各类非接触式温度传感器。
（5）发展适应特殊测温要求的温度传感器。
（6）发展数字化、集成化和自动化的温度传感器。
2整体设计思路
2.1方案设计与论证
在日常生活及工农业生产中经常要用到温度的检测及控制，传统的测温元件有热电偶和热电阻。
而热电偶和热电组测出的一般都是电压，再转换成对应得温度，需要比较多的外部硬件支持，硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高。
本数字温度计设计采用美国DALLAS半导体公司继DS18B20之后推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件，测温范围为-55℃~125℃，分辨率最大可达0.0625℃。
DS18B20可以直接读出被测温度值。
而且采用3线制与单片机相连，减少了外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点。
2.2实现功能
本实训实现了对温度的监测，范围在0~99℃。
当设置好温度监测范围后，当DS18B20传感器检测到温度超过设置范围后就开始警报，当温度降回温度范围后警报解除。
2.3操作设计
（1）3个按键分别控制复位、温度上下限报警设置、加减计数。
（2）上电并下载程序后，数码管显示当前周边环境温度值。
（3）超过设置的温度上下限之后，蜂鸣器鸣响实现报警功能。
3主要芯片介绍
3.1STC89C52介绍
3.1.1主要性能
与MCS-51产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：
0Hz～33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。
3.1.2功能特性描述
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
STD89C52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM。
32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，STD89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
8位微控制器8K字节在系统可编程FlashSTD89C52
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
引脚号第二功能：
P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出。
P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P1.5MOSI（在系统编程用）
P1.6MISO（在系统编程用）
P1.7SCK（在系统编程用）
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
P3口亦作为STD89C52特殊功能（第二功能）使用，如下所示：
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
端口引脚第二功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2INTO（外中断0）
P3.3INT1（外中断1）
P3.4TO（定时/计数器0）
P3.5T1（定时/计数器1）
P3.6WR（外部数据存储器写选通）
P3.7RD（外部数据存储器读选通）
此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。
RST——复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ALE/PROG——当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
PSEN——程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP——外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。
FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
3.2DS18B20芯片介绍
3.2.1主要性能
*独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯
*每个器件有唯一的64位的序列号存储在内部存储器中
*简单的多点分布式测温应用
*无需外部器件
*可通过数据线供电。
供电范围为3.0V到5.5V。
*测温范围为-55～＋125℃（－67～＋257℉）
*在－10～＋85℃范围内精确度为±5℃
* 温度计分辨率可以被使用者选择为9～12位
* 最多在750ms内将温度转换为12位数字
* 用户可定义的非易失性温度报警设置
*报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件
*与DS1822兼容的软件
* 应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统
3.2.2功能特性描述
图3.2.2
说明
DS18B20数字温度计提供9-12位摄氏温度测量而且有一个由高低电平触发的可编程的不因电源消失而改变的报警功能。
DS18B20通过一个单线接口发送或接受信息，因此在中央处理器和DS18B20之间仅需一条连接线（加上地线）。
它的测温范围为-55～＋125℃，并且在-10～＋85℃精度为±5℃。
除此之外，DS18B20能直接从单线通讯线上汲取能量，除去了对外部电源的需求。
每个DS18B20都有一个独特的64位序列号，从而允许多只DS18B20同时连在一根单线总线上；因此，很简单就可以用一个微控制器去控制很多覆盖在一大片区域的DS18B20。
这一特性在HVAC环境控制、探测建筑物、仪器或机器的温度以及过程监测和控制等方面非常有用。
4总结
通过本次实训我对数电、模电、传感器等知识有了更深入的了解，加深了自己对课在短短的两周里，同学们为了完成任务，很多人学会了熬夜。
在平房、在宿舍，很晚了本理论知识的理解与应用。
还能看到有些同学在焊板和调试，担心不能按时完成实训要求。
我记得刚焊接好板时开始调试发现效果并不怎么理想时，心理失望的感觉真的很难受，还好经过自己和老师、同学的帮助自己最终查出了原因所在，克服了困难，解决了问题。
从这个过程中我学会了合作，学会了互相帮助，这是我感触最深收获最大的一面。
当然，在实训过程中，我发现了自己的许多不足之处：
在实际设计中需要注意很多的细节,包括程序设计和硬件设计都需要我们认真严谨,一个地方出错就可能会使整个系统失效。
由于对模电基础理论知识掌握得不怎么牢固，造成设计电路图时遇到些许麻烦，比如对DS18B20放大电路的不能灵活运用，设计不同的芯片周围的外围电路，就会有不同的放大效果，有同相放大、反相放大、差动放大等不同的放大效果；还有就是由于自己对单片机知识的掌握也不够扎实，从而在设计显示部分的电路图时，刚开始对51单片机的各个端口分配不怎么合理，造成PCB布线时非常困难，有很多跳线，后来经过更正，布线时就容易了很多，尽管结果还是用了几根跳线才完成了布线；再有就是在调试的过程中我遇到了最大的麻烦，在确定了硬件设计没有问题后，剩下来主要是对程序的编写了。
编程我是用C结合着找来的参考资料和同组成员的帮助来编写的，由于自己的编程功底不好，在实际调试过程中，有些功能的实现又不得不通过反复更改程序来实现，期间花费了大量的时间和精力才完成了设计任务。
因为心中始终有一个信念，我相信只要通过自己的不断努力，就一定能克服种种困难，完成任务。
还好，功夫不负有心人，经过两周的实训时间，我完成了实训设计任务，学到了很多平时课堂学不到的知识。
这个过程也使我学会了怎样更好地为人处世，以诚待人，互帮互助，团队协作等等。
实际操作速度不够快速、准确等都反映出自己还有太多的知识要学习，并且要加强动手能力。
要做到能将所学的知识运用自如的运用到实际生活中，就要不断的扩大自己的阅读面，不断提高自己的动手能力。
谢辞
两周的实训就这样匆匆而过，虽然期末考试的紧张气氛压迫着我们，虽然我们每天都要忙碌于教室和实验室，但是被时间刻印下来的除了昨日历历在目的实训情景和忙碌身影外还有我的无限感恩。
深深感谢老师们！
是你们，与我们一同走过实训的日子；是你们，在实训过程中给予了我悉心的指导；是你们，以严谨的工作作风、渊博的知识和务实的工作态度，让我受益匪浅并深深的感动。
通过这次实训，同学们不但学到了许多关于传感器技术方面的知识，而且大大提高了我们的动手操作能力和团结协作能力。
其实作为一个现代人，我们必须认识到：
跟不上时代的步伐就要被淘汰。
尤其是电子通信行业，发展日新月异，我们只有不断学习，不断更新，不断进步，才能跟得上时代的发展，因此“活到老，学到老”是我们每个人都必须做到的。
在此我要特别感谢老师对我的指导，还有组员的帮助，正是你们给予我的帮助加上自己的努力，我才能在本次实训中完成了实训任务，并学到了许多知识。
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附录
元件清单：
实
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