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精品王晶晶文献综述
王晶晶...文献综述
文献综述
基于DS18B20温度传感器的数字温度计的设计
班级:
电科0602姓名:
王晶晶指导老师:
严朝雄
一、引言
在人们的日常生活中温度分布范围极宽,我们需要测量的温度对象也是多种多样的。
温度是表征物体冷热程度的物理量,它与人们的生活密切相关。
如在日常中的气温的高低;在检查身体时候的人的体温高低;在种植农作物时候的泥土温度和水温的高低;在大棚养殖花草时候的室温高低……测量温度的传感器种类很多,根据不同的温度范围和不同的被测对象,适当的选择不同的温度传感器。
不同类型的温度传感器是由不同材料随温度变化而改变某种特性来间接测量的,即不同类型的温度传感器具有不同的工作机理。
[1]例如,物体随温度变化导致该物体的电阻、电容、热电势、频率或磁性能的变化,温度与它们之间存在线性或非线性关系,因而通过测量电阻、电容、热电势、频率或磁性能等达到测量温度的目的。
目前市场上的温度计主要是液态温度计,其最大的缺点是易摔碎,并且读数不方便,会造成一定的误差。
现在的生活、生产中对温度测量的精度要求越来越高,现代电子、通讯技术的飞速发展为温度计的发展创造了有利的条件。
并且单片机技术的迅猛发展使得其普及到我们生活,工作,科研,各个领域,已经成为一种比较成熟的技术,使得我们对测温的控制有了更为方便有效的方法,[2]并且通过单片机控制LED数码管来进行温度的显示,方便使用者的读数,一切向着数字化控制,智能化控制方向发展。
[3]
本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计,它属于多功能温度计,具有读数方便,测温范围广,测温准确,其输出温度采用数字显示,主要用于对测温比较准确的场所,或科研实验室使用。
二、数字温度计的分析
1、温度计的发展
根据所用测温物质的不同和测温范围的不同,有煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计、温差电偶温度计、辐射温度计和光测温度计等。
最早的温度计是在1593年由意大利科学家伽利略(1564~1642)发明的。
他的第一只温度计是一根一端敞口的玻璃管,另一端带有核桃大的玻璃泡。
使用时先给玻璃泡加热,然后把玻璃管插入水中。
随着温度的变化,玻璃管中的水面就会上下移动,根据移动的多少就可以判定温度的变化和温度的高低。
这种温度计,受外界大气压强等环境因素的影响较大,所以测量误差大。
随着时间的推移,技术的不断更新,产生了煤油温度计,工作物质是煤油,它的沸点一般高于150℃,凝固点低于-30℃。
所以煤油温度计的量度范围约为-30℃~150℃。
其的测量范围窄,测量的精度不高,不能做精确的测量,只能用于粗略的测量中。
后来出现了酒精温度计,是利用酒精热胀冷缩的性质制成的温度计。
因酒精的沸点是78℃,凝固点是-114℃,酒精温度计能比煤油温度计测更低的温度,但高于78℃的温度它就不能测定了,因为酒精在1个标准大气压下,其沸点是78℃。
但是温度计内压强一般都高于1标准大气压,所以有一些酒精温度计的量程大于78度。
水银温度计是我们见过最多的,实验室中常用的水银温度计,是由一个盛有水银的玻璃泡,毛细管,刻度和温标组成的,生活中用来测体温的也是水银温度计。
水银温度计是膨胀式温度计的一种, 水银的凝固点是-38.87℃,沸点是356.7℃,用来测量0~150℃或500℃以内范围的温度,它只能作为就地监督的仪表。
用它来测量温度,不仅比较简单直观,而且还可以避免外部远传温度计的误差。
不过在北方寒冷的季节通常会使用酒精温度计来测量温度,这是因为水银的凝点是-39℃,在寒冷地区可能会因为气温太低而使水银凝固,无法进行正常的温度测量。
根据导体电阻随温度而变化的规律来测量温度的温度计是电阻温度计,其分为金属电阻温度计和半导体电阻温度计,都是根据电阻值随温度的变化这一特性制成的。
[4]
金属温度计主要有用铂、金、铜、镍等纯金属的及磷青铜合金的;半导体温度计主要用碳、锗等。
通常是把纯铂细丝绕在云母或陶瓷架上,防止铂丝在冷却收缩时产生过度的应变,在某些特殊情况里,可将金属丝绕在待测温度的物质上或装入被测物质中。
电阻温度计使用方便可靠,它的测量范围为-260℃至600℃左右,可作测温的标准。
随着集成电路技术的发展,单片微型计算机的功能也不断增强,基于单片机控制的数字温度计,具有读数方便,测温范围广,测温准确等优点。
[5]数字温度计是单总线器件,具有线路简单,体积小的特点。
温度计的发展很快,从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计等。
在日常生活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。
热电偶和热电阻测出的一般都是电压,再转换成对应的温度,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。
智能温度传感器可以直接得到被测温度,依据其制成的数字温度计可以解决这些的问题。
传统的温度计有着太多的自身局限性,从而制约了它在众多领域中的应用。
基于智能温度传感器的数字式温度计的出现,使得这些问题迎刃而解,它不仅拓宽了温度计的应用范围,而且具有实时性、准确性、高效性等特点。
2、数字温度计的原理及其主要部分
2.1数字温度计的原理
温度计可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应,在将随被测温度变化的电压或电流采集过来,进行A/D转换后,就可以用单片机进行数据的处理,[6]在显示电路上,就可以将被测温度显示出来,这种设计需要用到A/D转换电路,感温电路比较麻烦,软件调试复杂,制作成本高。
[7]则此设计中数字温度计用到智能温度传感器,控制器的控制,LED显示电路。
总体框图为:
图2-1
在温度传感器采集温度数据,传给控制器进行编码、检测、控制,然后传给LED显示电路显示温度。
还可以加入报警电路,在温度超过或者低于控制器所给的最高和最低温度时发声报警提示。
[8]
在本设计中控制器使用单片机AT89C4051,测温传感器使用DS18B20,用LED数码管以串口传送数据,实现温度显示。
2.2温度传感器的选择与其原理
目前的温度计中传感器是它的重要组成部分,它的精度、灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。
温度传感器使用范围广,数量多,居各种传感器之首,其发展大致经历了以下3个阶段:
①传统的分立式温度传感器(含敏感元件)——热电偶传感器,主要是能够进行非电量和电量之间转换。
②模拟集成温度传感器/控制器。
集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的,因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。
③智能温度传感器。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE_)的结晶。
智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。
其的优点是数字化输出、测试及控制功能强、传输距离远、抗干扰能力强、微型化、低功耗、易于配微控制器(MCU)或微型计算机进行数据处理和温度控制。
[9]
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器,与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温度。
[10]DS18B20单总线数字式智能型传感器,直接将温度物理量转化为数字信号并以总线方法传送到计算机进行数据处理。
[11]
DS18B20数字式智能型温度传感器对于实测的温度提供了9~12位的数据和报警温度寄存器,它的测温范围为-55℃~+125℃,其中在-10℃~+85℃的范围内的测量精度为±0.5℃,此传感器可适用于各种领域、各种环境的自动化测量及控制系统。
[12]它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点。
·DS18B20的性能特点如下:
[13]
·独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信;
·多个DS18B20可以并联在惟一的三线上,实现多点组网功能;
·无须外部器件;
·可通过数据线供电,电压范围为3.0~5.5V;
·零待机功耗;
·温度以9或12位数字;
·用户可定义报警设置;
·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;
·负电压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作。
采用温度传感器DS18B20,可以直接读出温度被测温度值,而且采用三线制与单片机相连,减少了外部的硬件电路,具有低成本和易使用的特点。
[14]使用DS18B20温度传感器使得电路变得简单,控制器的控制更为简便。
2.3控制器的选择与其原理
随着大规模集成电路技术的发展,有越来越多集成化的智能芯片出现,为智能控制、工业自动化带来很大的方便。
[15]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,单片机的单芯片的微小体积和极低的成本,可广泛地嵌入到玩具、家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、舰船及通信产品中,成为现代电子系统中重要的智能化工具。
[16]基于MCS-51单片机的数字温度表的设计,是单片机在自动控制、通信领域中的应用。
单片机具有以下的特点:
·性能价格比高;
·集成度高、体积小、可靠性高;
·控制功能强;
·低功耗、低电压、便于生产便携式产品;
·外部总线增加了I²C及SPI等串行总线方式,进一步缩小了体积,简化了结构;
·单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范,易于构成各种规模的应用系统。
使用单片机来控制智能仪器仪表有着其独特的优点:
·可以提高测量精度;
·可以扩展测量范围;
·可以增加仪器的功能(可以直接对测量的结果进行处理);
·提高了可靠性,使得集成电路的可靠性提高。
单片机广泛应用于各种仪器仪表中,使得仪器数字化、智能化、微型化,且功能大大提高。
[17]
2.4显示电路和报警电路的选择
显示电路采用LED数码管,从P1、P2或P3口输出断码,可以使用串口传输也可以使用并口传输,可以使用扫描的方法来使数码管显示。
[18]
报警器使用蜂鸣器,蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时,发出报警鸣叫声音,同时LED数码管将没有被测温度值显示,这时可以调整报警上下限,从而测出被测的温度值。
[19]
可以加上复位电路。
按健复位电路是上电复位加手动复位,使用比较方便,在程序运行时,可以手动复位,这样就不用重起单片机电源也可以实现复位。
三、总结
在数字温度计的设计中,注意硬件电路的设计总体规划,要确定规划每个模块的功能以及模块间的连接方式,在确定模块电路的设计时候,选择简单的,实用价值高的,性价比高的器件。
要充分的了解DS18B20的工作原理以及其的优点,有效的运用智能温度传感器的优点。
程序的设计编写注意简单易懂,条理清晰,易于检查更改。
[20]
认真学习单片机的特点以及其的每个端口的用途,在设计中各个端口的运用方法。
智能温度传感器作为具有前景和影响力的一项高科技产品,正引起国内外电子信息界的高度重视。
在温度计的发展中,基于智能温度传感器的数字温度计的产生解决了很多传统温度计的不足与缺陷。
使得温度计的使用范围更广,精确度更高。
智能温度传感器可广泛用于工业、农业、军事、过程控制、环境监测、现代办公设备及家用电器等领域。
智能温度传感器正朝着高测温精度和分辨率、不断增加测试功能、总线技术的标准化与规范化、高可靠性与安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
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