多通道温度测量仪解读.docx
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多通道温度测量仪解读
1绪论
1.1论文研究的目的与意义
温度是表示物体冷热程度的物理量，它是和我们生活息息相关的物理量之一。
在自然界中，任何化学过程和物理过程都紧紧地与“温度”二字联系着。
温度的测量与温度的控制不管是在农业（如大棚蔬菜）上，还是在工业（如冶金行业）上，还是在国防等行业上都有着很广泛的应用。
在很多的生产工艺中，温度的测量和控制的技术的好坏直接影响到能否安全生产、能否提高生产效率、能否保证产品质量、能否节约资源等重大技术经济指标。
因此，在国民经济的各个领域中都非常注重温度的测量和温度的控制。
随着经济的迅速发展，对温度测量的精度要求越来越高，各种电子技术、通信技术和计算机技术等快速发展，温度的测量技术也从以前的刻度温度计、指针温度计向现代化的数字显示智能温度测量仪发展。
在一般的工业生产和日常生活中，温度是最有可能遇到的测试参数，如每天的温度参数的检测，看病时人体体温的测量，设备的过热保护等等。
在特定的市场上，各种普通的温度测量控制仪器有很多，国内与国外界定一种温度测控仪器的先进与否主要考核以下几个技术指标参数：
（1）温度测量的精度；
（2）仪器的智能化水平；（3）仪器的功耗如何；（4）温度的测量范围。
1.2温度测量技术的研究情况
最近这些年来，温度的检测在理论上取得较多的成果，发展的比较成熟。
但是，在实际应用（温度测量和温度控制）中，怎么样保证实时地快速地对相应场合的温度进行采样，怎么样保证采样的温度数据的正确传输，并且怎么样能对该场合的温度进行比较准确地控制，依然是眼下急需解决的问题之一。
该问题包括两个方面：
温度测量技术的提高和温度控制技术的提升。
在温度的测量技术中，接触式测量发展较早，这种测量方法的优点是：
简单、可靠、低廉、测量精度较高，一般能够测得真实温度，但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确地测量，并且该方法不适于对腐蚀性介质测温，不能用于超高温测量，难于测量运动物体的温度。
另外的非接触式测量方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是：
不破坏被测温度，可以测量热容量小的物体，适于测量运动物体的温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。
但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表物体表现温度，测温装置结构复杂，价格昂贵等缺点。
因此，在实际的温度测量中，要根据具体对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入[2]。
另外，还有一个需要解决的问题就是温度测量的精度问题。
目前，国内生产的温度测量仪器的测量精度很少有高于0.1摄氏度的。
1.3论文主要研究内容和章节安排
本论文所研究的多通道温度测量仪的主要内容有：
（1）测量的精度不低于1℃；
（2）采样频率不低于10Hz；（3）测量的温度范围：
20～30℃；（4）测量的路数：
8路；（5）显示出测量的数据；（6）测量的温度超过上下限发出报警。
本论文的主要内容是阐述基于DS18B20的温度测量仪的各部分子电路的设计、各部分子电路程序的设计和系统仿真。
另外，还研究了其他两种方案的多通道温度测量仪的电路系统，并进行三种方案的比较。
本论文一共有五章。
第一章是绪论，本章主要是叙述研究温度的重要性和测温技术与控温技术目前的发展情况。
第二章是方案论证，本章主要叙述了方案一、方案二和方案三的总体设计以及应用到的主要元器件的简介。
第三章是方案三的具体硬件设计，即基于DS18B20的多通道温度测量仪的各部分子电路的设计，本章主要介绍了方案三各部分子电路和总电路的设计以及它们在电路中起到的作用。
第四章是方案三的软件设计，本章主要介绍了各部分子程序的流程框图、各部分子程序和方案三的系统仿真，本章主要介绍了在不同模式下仿真到的结果。
2方案的论证与确定
本课题的设计的多通道温度测量仪是应用在蔬菜大棚中的温度监测中。
设计的方向是研究出一个成本低、耐用和精确度较高的8路通道温度测量仪。
随着单片机技术和传感技术的迅速发展，温室环境自动监测控制方面的研究也有了明显的进步，并且必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的温度控制措施。
所以，本课题的目的是设计出一个成本低、耐用和精确度较高的多通道（8路）温度测量仪，这对提高检测效率、经济效益、可靠性还是在方便实用等方面都有重要意义。
因为本课题的测量精度不低于1℃，测量路数为8路，所以用8位的单片机作为CPU就已经足够了。
为此，我提出了三种设计方案。
方案一、方案二和方案三的大体设计将在本章中介绍。
2.1方案一
本方案应用线性度较好的热电阻Pt100作为温度传感器，8位单片机AT89S51作为处理数据的CPU,具有串行控制和11个输入端的12位开关电容逐次逼近A/D转换器TLC1543作为A/D转换器,4位的LED数码显示器作为显示器。
这个方案的系统的原理框图2.1所示：
图2.1方案一系统的原理框图
由图2.1可以得知，本方案主要有10大功能部分组成：
温度传感器、恒流源及信号切换电路、放大电路、模数转换电路、CPU、显示电路、报警电路、电源电路、存储电路和通信电路[3]。
2.1.1单片机的简介
随着大规模集成电路技术的发展，可以将CPU、RAM、ROM、定时器/计数器以及输入/输出（I/O）接口电路等主要计算机部件，集成在一块电路芯片上。
这样所组成的芯片几微型计算机称为单片微型计算机（singlechipmicrocomputer），直译为单片微机或者单片机。
虽然单片机只是一个芯片，但是从组成和功能上，它已经具有了微机系统的含义。
由于单片机从功能和形态来说都是应控制领域应用的要求而诞生的，并且发展到新一代80c51、M68HCO5、M68HC11系列单片机时，在其中着力扩展了各种控制功能，如A/D、PWM、PCA、计数器的捕获、比较逻辑、高速I/O口、WDT等，已经突破了微型计算机（microcomputer）的传统内容，所以，更准确地反应单片机本质的叫法应是微控制器（microcontroller）。
根据单片机的结构和微电子设计的特点，虽然应用系统中往往仅以单片机为核心，但是它已经完全融入应用系统之中，故而也有将单片机称为嵌入式微控器（embeddedmicrocontroller）的。
在我国，单片机的叫法仍然有普遍的意义，但是我们应把它认为是一个单片形态的微控制器。
目前，按内部数据通道的宽度，可以把单片机分为4位、8位、16位、32位及64位单片机。
1970年微型计算机研制成功之后，随着就出现了单片机（即单片微型计算机）。
美国Intel公司1971年生产的4位单片机4004和1972年生产的雏形8位单片机8008，特别是1976年MCS-48单片机问世以来，在短短51年之间，经历了四次更新换代，其发展速度大约每二三年要更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番。
发展速度之快、应用范围之广，已经达到惊人的地步。
它已经渗透到生产和生活的诸领域，可谓无孔不入[4]。
2.1.2AT89S51的简介
Atmel生产的AT89C51的性能相对于8051已经算是非常优越的了。
但是在市场化方面，AT89C51受到了PIC单片机阵营的挑战，不支持ISP（在线更新程序）功能是AT89C51最致命的缺陷，必须加上ISP功能等新功能才能更好延续MCS-51的传奇。
就是在这样的背景下AT89C51被AT89S51取代了。
目前，AT89S51已经成为了实际应用市场上新的宠儿，作为市场占有率第一的Atmel目前公司已经停产AT89C51，将用AT89S51代替。
与AT89C51相比较,AT89S51增加许多新的功能，性能方面也有了较大的提升，但其价格基本上是不变的，甚至比AT89C51更低！
AT89S51的新功能有：
1、ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。
是一个强大易用的功能。
2、最高工作频率为33MHz，而AT89C51的极限工作频率是24M，也就是说AT89S51有更高工作频率，因而计算速度变得更加快速。
3、AT89S51具有双工UART串行通道。
4、AT89S51内部集成看门狗计时器，AT89S51不再需要像AT89C51那样外接看门狗计时器单元电路。
5、双数据指示器。
6、电源关闭标识。
7、全新的加密算法，这使得对于AT89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。
8、AT89S51在兼容性方面，向下完全兼容51全部字系列产品，比如8051、AT89C51等等早期MCS-51兼容产品，也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的单片机是8051还是AT89C51还是MCS-51等等），在AT89S51上可以照常运行，这就是所谓的“向下兼容”[5]。
单片机AT89S51的主要性能参数：
1、与MCS-51产品兼容；
2、4K字节可编程闪速程序存储器；
3、全静态工作（0—33MHz）；
4、3级程序存储器加密锁定；
5、128*8位内部RAM；
6、32条可编程I/O线；
7、2各16位定时器/计数器；
8、5个中断源；
9、可编程串行通道；
10、低功耗的闲置和掉电模式，从掉电模式中断恢复；
11、看门狗定时器；
12、双数据指针；
13、断电标志。
AT89S51的管脚封装如图2.2所所示：
图2.2AT89S51的管脚图
2.1.3热电阻温度传感器Pt100的简介
Pt100当它在-200℃时其阻值为18.52欧，当它在0℃时其阻值为100欧姆，当它在+200℃时其阻值为175.86欧姆，当它在+800℃时其阻值为375.70欧姆。
Pt100的阻值与温度关系为：
（1）当温度为-200℃＜t＜0℃时，Rt=Ro[1+A*t+B*t*t+C（t-100）*t*t*t]；
（2）当温度为0℃≤t≤850℃时，Rt=Ro（1+A*t+B*t*t）。
式中，t表示摄氏温度，Ro是零摄氏度时的电阻值，A、B、C都是规定的系数（A=0.00390802；B=-0.000000580；C=0.0000000000042735）。
所以对于Pt100,Ro就等于100欧姆。
可见Pt100在常温0~100摄氏度之间变化时线性度非常好，其阻值表达式可近似简化为：
RPt=100（1+At），当温度变化1摄氏度，Pt100阻值近似变化0.39欧。
Pt100温度传感器为正温度系数热敏电阻传感器，主要技术参数如下：
1、允通电流≤5mA；
2、测量范围：
-200℃～+850℃；
3、最小置入深度：
热电阻的最小置入深度≥200mm；
4、允许偏差值△℃：
A级±（0.15＋0.002│t│），B级±（0.30＋0.005│t│）。
另外，铂热电阻的线性较好，在0℃～100℃之间变化时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度，Pt100的分度表如表2.1所示。
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。
表2.1Pt100的分度表（0℃～100℃）
℃
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
100
100.39
100.78
101.17
101.56
101.95
102.34
102.73
103.12
103.51
10
103.90
104.29
104.68
105.07
105.46
105.85
106.24
106.63
107.02
107.40
20
107.79
108.18
108.75
108.96
109.35
109.73
110.12
110.51
110.9
111.28
30
111.67
112.06
112.45
112.83
113.22
113.61
114.99
114.38
114.77
115.15
40
115.54
115.93
116.31
116.70
117.08
117.47
117.85
118.24
118.62
119.01
50
119.40
119.78
120.16
120.55
120.93
121.32
121.70
122.09
122.47
122.86
60
123.24
123.62
124.01
124.39
124.77
125.16
125.54
125.92
126.31
126.69
70
127.07
127.45
127.84
128.22
128.60
128.98
129.37
129.75
130.13
130.51
80
130.89
131.27
131.66
132.04
132.42
132.80
133.18
133.56
133.94
134.32
90
134.70
135.08
135.46
135.84
136.22
136.60
136.98
137.36
137.36
138.12
100
138.50
138.88
139.26
139.64
140.02
140.39
140.77
141.55
141.53
141.91
Pt100温度传感器是一个模拟信号，它在实际应用中有两种形式。
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，经过简单的加减乘除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温度信号。
还有一种应用就是单独的一个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，这种应用不一样的地方就是可以串联一个电磁指示仪表，其他的基本一样[6]。
2.1.3A/D转换器TLC1543的简介
TLC1543是美国TI司生产的10路通道、低价格的模数转换器。
采用串行通信接口，具有输入通道多、性价比高、易于和单片机接口的特点，可广泛应用于各种数据采集系统。
TLC1543十位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成转换过程，由于是串行输入结构，能节省单片机的I/O接口，价格合理，分辨率较高，适用于一定精度和一定速度的场合[7]。
TLC1543的管脚图如图2.3所示。
TLC1543的主要性能参数：
1、10位的A/D分辨率转换器；
2、11个模拟输入通道；
3、3路内置自光测试方式；
4、总不可调误差±1LSBMax；
5、固有的采样保持功能；
6、6片内系统时钟；
7、转换结束输出（EOC-EndofConversion）；
8、采用CMOS技术。
图2.3TLC1543的管脚图
表2.2TLC1543的引脚说明
引脚号
名称
I/O
说明
1～9，11，12
A0～A1
I
模拟输入端，这11个模拟输入由内部多路器选择，输入信号源阻抗应小于等于1K。
15
/CS
I
片选端。
该引脚的一个由高到低的变化将复位内部计数器并控制和使能DATAOUT,ADDRESS,I/OCLOCK。
一个由低到高的变化将在一个设置时间和两个内部时钟下降沿内禁止ADDRESS和I/OCLOCK。
17
ADDRESS
I
串行数据输入端。
一个四位的串行地址选择一个即将被转换的所需模拟或测试电压。
串行数据以MSB为前导在I/OCLOCK的前四个上升沿被移入。
在四个地址位被读入地址寄存器后，这个输入端对后续的信号无效。
16
DATA
OUT
用于A/D转换结果输出的二态串行输出端。
DATAOUT在/CS为高时处于高阻抗状态。
而当/CS为低时处于激活状态。
/CS一旦有效，按照前一次转换结果的MSB值将DATAOUT从高阻抗状态转变为相应的逻辑电平，剩下的各位依次移除，而LSB在I/OCLOCK的第九个下降沿出现。
在I/OCLOCK的第十个下降沿，DATAOUT端被驱动为逻辑地电平，因此多于十个时钟时串行接口传送的是一些“零”。
19
EOC
O
转换结束端。
在第十个I/OCLOCK该输出端从逻辑高电平变为低电平并保持低直到转换完成及数据准备输出。
10
GND
地。
18
I/OCLOCK
I
输入/输出时钟端。
I/OCLOCK接收串行输入并完成以以下四个功能：
1.在I/OCLOCK的前四个上升沿，它将四个输入地址位键入地址寄存器。
在第四个上升沿之后多路地址有效。
2.在I/OCLOCK的第四个下降沿，在选定的多路器输入端上的模拟电容充电并继续到I/OCLOCK第十个下降沿。
3.它将前一次转换的数据其余9位出DATAOUT端。
4.在I/OCLOCK的第十个下降沿它将转换的控制信号传送到内部的状态控制器。
14
REF+
I
正基准电压端。
基准电压的正端（通常为VCC）被加到REF+。
最大的输入电压范围取决于REF+对REF-端的电压差。
13
REF-
I
负基准电压端。
基准电压的低端（通常为地）被加到REF-。
20
VCC
正电源端。
2.2方案二
此方案的智能数字温度测量仪采用AT89C51作为CPU，采用恒流测温元件AD590作为温度传感器，采用ADC0809作为A/D转换器，采用4位LED数码管作为显示电路。
这个系统主要由9部分子电路组成，它们分别是CPU电路、时钟电路、复位电路、键盘电路、报警电路、温度采集电路、A/D转换电路、电源电路和数码管显示电路。
本方案的系统原理框图如图2.4所示：
图2.4方案二的系统原理框图
2.2.1AT89C51的简介
单片机AT89C51是美国Atmel公司生产的低电压（其工作电压为+5V），高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，AT89C51单片机功能强大，可灵活应用于各种控制领域。
AT89C51的标准功能特性有[8]：
1、4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM；2、32个I/O口线；3、两个16位定时/计数器；4、一个5向量两级中断结构；5、一个全双工串行通信口；6、片内振荡器及时钟电路；7、可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式；8、空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作；9、掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
AT89C51的主要性能参数：
1、与MCS-51产品指令系统完全兼容；
2、4k字节可重擦写Flash闪速存储器；
3、1000次擦写周期；
4、全静态操作：
0Hz－24MHz；
5、三级加密程序存储器；
6、128×8字节内部RAM；
7、32个可编程I/O口线；
8、2个16位定时/计数器；
9、6个中断源；
10、可编程串行UART通道；
11、低功耗空闲和掉电模式；
AT89C51的管脚图如图2.5所示：
图2.5AT89C51的管脚图
表2.3AT89C51管脚功能说明
引脚号
名称
说明
40
VCC
电源电压。
20
GND
地线。
32～39
P0
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
1～8
P1
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
21～28
P2
P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。
10～17
P3
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（
IL）。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能：
P3.0RXD（串行输入口），P3.1TXD（串行输出口），P3.2INT0（外中断0），P3.3INT1（外中断1），P3.4T0（定时/计数器0外部输入），P3.5T1（定时/计数器1外部输入），P3.6WR（外部数据存储器写选通），P3.7RD（外部数据存储器读选通）。
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
9
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
续表2.3
引脚号
名称
说明
9
RST
平将使单片机复位。
30
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。
即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的l/6输出固定的正脉冲信号，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DO位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。
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无效。
29
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AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次
有效，即输出两个脉冲。
在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的
信号不出现。
31
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V
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