基于单片机的数字温度计设计【文献综述】

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毕业设计（论文）文献综述题目：　　　　　基于单片机的数字温度计设计　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　专业：电子信息工程一、摘要：随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，用单片机和温度传感器来实现温度测温是数字温度设计的一大亮点。随着单片机的飞速发展，功能变得越来越强大，可以实现很多电路系统的设计。基于单片机的数字温度计系统就是一个很好的例子，将温度传感器与单片机最小系统相连，通过LED数码管或液晶显示屏显示出来，可以直观、方便、快速的测量温度。单片机通过编写程序亦可实现时钟显示、定时闹铃等其他功能，满足人们的需求。二、关键字：数字温度计、温度传感器、单片机三、1、数字温度计的研究背景和意义温度测量在物理实验、医疗卫生、食品生产等领域，尤其在热学试验（如：物体的比热容、汽化热、热功当量、压强温度系数等教学实验）中，有特别重要的意义。传统所使用的温度计通常都是精度为1℃和0.1℃的水银、煤油或酒精温度计。这些温度计的刻度间隔通常都很密，不容易准确分辨，读数困难，而且他们的热容量还比较大，达到热平衡所需的时间较长，因此很难读准，并且使用非常不方便。数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确等优点，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。目前温度计的发展很快，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、电子温度计等等，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。传感器应用极其广泛，目前已经研制出多种新型传感器。但是，作为应用系统设计人员需要根据系统要求选用适宜的传感器，并与自己设计的系统连接起来，从而构成性能优良的监控系统。20世纪90年代中期最早推出的数字温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1℃。目前，国外已相继推出多种高速度、高分辨力的数字温度传感器，所用的是9～12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5～0.0625℃。由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力数字 温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125℃，测温精度为±0.2℃。为了提高多通道数字温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道数字温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27μs、9μs。Maxim公司生产的DS1620，DS1620是直接数字输出的温度传感器，采用DS1620不需要在AT89S51系统中扩展A/D转换器，因此可以降低电路的复杂性。DS1620是一片8引脚的片内建有温度测量并转换为数字值的集成电路，他集温度传感、温度数据转换与传输、温度控制等功能于一体。测温范围：-55～+125℃，精度为0.5℃。该芯片非常容易与单片机连接，实现温度的测控应用，单独做温度控制器使用时，可不用外加其他辅助元件。DS1620可把测得的温度用9位的数据表示出来，同时，本身还有3个温度报警输出，因此在恒温箱、温度计及其它对温度敏感的系统中得到了广泛的应用。2.数字温度计的研究现状温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段：传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；主要是能够进行非电量和电量之间转换；模拟集成温度传感器/控制器；数字温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。传统的分立式温度传感器——热电偶传感器：热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-50~1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬，最低可测到-269℃，钨——铼最高可达2800℃。模拟集成温度传感器：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。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。数字温度传感器是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。目前，国际上已开发出多种数字温度传感器系列产品。数字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。有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。数字温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU），并且可通过软件来实现测试功能，即智能化取决于软件的开发水平。数字 温度传感器包括数字温度传感器和石英温度传感器。数字温度传感器被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。用石英作为温度传感器的数字温度计可实现多种功能：用于热化疗仪中对药液的温度进行测量，能获得较好的测温效果；用于温度检测系统，测温系统可用于各行各业中。比如：可用于温室大棚的温度检测，当温度过高就产生报警信号；在轮胎生产中,进行的温度检测。3.数字温度计的发展方向进入21世纪后，数字温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、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。提高测温精度和分辨力：20世纪90年代中期最早推出的数字温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1℃。目前，国外已相继推出多种高速度、高分辨力的数字温度传感器，所用的是9～12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5～0.0625℃。由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力数字温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125℃，测温精度为±0.2℃。为了提高多通数字能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道数字温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27μs、9μs。增加测试功能：新型数字温度传感器的测试功能也在不断增强。例如，DS1629型单线数字温度传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的E2PROM存储器，可存储用户的短信息。另外，数字温度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。数字温度传感器都具有多种工作模式可供选择，主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式，有的还增加了低温极限扩展模式，操作非常简便。对某些数字温度传感器而言，主机(外部微处理器或单片机)还可通过相应的寄存器来设定其A/D转换速率(典型产品为MAX6654)，分辨力及最大转换时间(典型产品为DS1624)。数字温度控制器是在数字温度传感器的基础上发展而成的。典型产品有DS1620、DS1623、TCN75、LM76、MAX6625。数字温度控制器适配各种微控制器，构成数字化温控系统；它们还可以脱离微控制器单独工作，自行构成一个温控仪。总线技术的标准化与规范化：目前，数字温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线(1-Wire)总线、I2C总线、SMBus总线和spI总线。温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。 可靠性及安全性设计：传统的A/D转换器大多采用积分式或逐次比较式转换技术，其噪声容限低，抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差。新型智能温度传感器(例如TMP03/04、LM74、LM83)普遍采用了高性能的Σ－Δ式A／Ｄ转换器，它能以很高的采样速率和很低的采样分辨力将模拟信号转换成数字信号，再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术，来提高有效分辨力。Σ－Δ式A／D转换器不仅能滤除量化噪声，而且对外围元件的精度要求低；由于采用了数字反馈方式，因此比较器的失调电压及零点漂移都不会影响温度的转换精度。这种数字温度传感器兼有抑制串模干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。为了避免在温控系统受到噪声干扰时产生误动作，在AD7416/7417/7817、LM75／76、MAX6625／6626等数字温度传感器的内部，都设置了一个可编程的“故障排队(fAultqueue)”计数器，专用于设定允许被测温度值超过上、下限的次数。仅当被测温度连续超过上限或低于下限的次数达到或超过所设定的次数n(n=1~4)时，才能触发中断端。若故障次数不满足上述条件或故障不是连续发生的，故障计数器就复位而不会触发中断端。这意味着假定n=3时，那么偶然受到一次或两次噪声干扰，都不会影响温控系统的正常工作。LM76型数字温度传感器增加了温度窗口比较器，非常适合设计一个符合ACPI(AdvancedConfigurationAndPowerInterface，即“先进配置与电源接口”)规范的温控系统。这种系统具有完善的过热保护功能，可用来监控笔记本电脑和服务器中CPU及主电路的温度。微处理器最高可承受的工作温度规定为tH，台式计算机一般为75℃，高档笔记本电脑的专用CPU可达100℃。一旦CPU或主电路的温度超出所设定的上、下限时，INT端立即使主机产生中断，再通过电源控制器发出信号，迅速将主电源关断起到保护作用。此外，当温度超过CPU的极限温度时,也能直接关断主电源，并且该端还可通过独立的硬件关断电路来切断主电源，以防主电源控制失灵。上述三重安全性保护措施已成为国际上设计温控系统的新观念。为防止因人体静电放电(ESD)而损坏芯片。一些数字温度传感器还增加了ESD保护电路，一般可承受1000~4000V的静电放电电压。通常是将人体等效于由100PF电容和1.2K欧姆电阻串联而成的电路模型，当人体放电时，TCN75型数字温度传感器的串行接口端、中断／比较器信号输出端和地址输入端均可承受1000V的静电放电电压。最新开发的数字温度传感器(例如MAX6654、LM83)还增加了传感器故障检测功能，能自动检测外部晶体管温度传感器(亦称远程传感器)的开路或短路故障。MAX6654还具有选择“寄生阻抗抵消”(PArAsiticResistAnceCAncellAtion，英文缩写为prc)模式，能抵消远程传感器引线阻抗所引起的测温误差，即使引线阻抗达到100欧姆，也不会影响测量准确度。远程传感器引线可采用普通双绞线或者带屏蔽层的双绞线。 4.总结在传统的测温电路设计中，使用热敏电阻之类的温度传感元件，利用其感温效应，将被测温度转换成电压或电流采集过来，进行A/D转换，将模拟温度值转换成对应的数字温度值，再通过显示设备显示出来。这种电路需要A/D转换电路，所以电路相对复杂。智能温度传感器集成了A/D转换器，可以很容易的连接到单片机的I/O口。随着工业生产效率的不断提高，自动化水平与范围的不断扩大，对温度传感器的要求也越来越高。所以在扩展测温范围、扩大测温对象、显示数字化和检定自动化等方面的研究应投入更多的时间和精力。四、参考文献郭[1]李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.杭州：北京航空航天大学出版社，1998[2]李广弟.单片机基础［Ｍ］.北京：北京航空航天大学出版社，1994[3]阎石.数字电子技术基础（第三版）.北京：高等教育出版社，1989[4]廖常初.现场总线概述［J］.电工技术，1999.[5]新颖电子模块应用手册.北京：机械工业出版社，2005[6]周美娟.单片机技术及系统设计[M].北京：清华大学出版社，2007.[7]韩志军沈晋源王振波.单片机应用系统设计——入门向导与设计实例[M].北京：机械工业出版社，2005[8]王幸之钟爱琴等.AT89系列单片机原理与接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004[10]Yang.Y.,Yi.J.,Woo,Y.Y.,andKim.B.:‘OptimumdesignforlinearityandefficiencyofmicrowaveDohertyamplifierusinganewloadmatchingtechnique’,Microw.J.[J],2001,44,(12),pp.20–36[11]LaboratoryattheNASALangleyResearchCenter.TheDataAcquisitionandControlSystemsoftheJetNoise.[M]1998.[12]滕召胜，李继锋，黄大春，等.基于数字温度传感器DS1620的储粮温度自动测试系统[J].仪表技术和传感器，2000，（2）：28-30.[13]王主军.数字式温度测控芯片DS1620在温度测量中的应用[J].电子技术应用，1999，25（6）：71-72.[14]刘洋,吴双,赵永刚.热电偶温度传感器的研究与发展现状[M].中国仪器仪表,2003,11:1-3[15]孙涵芳，徐爱御.单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社，1988:105[16]张琳娜，刘武发．传感检测技术及应用[M]．中国计量出版社，1999:52. 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