【正文】 、列氏溫度在德國使用較多，攝氏溫度廣泛用于大部分科技研發(fā)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。 在科技日新月異當代，不同規(guī)模的集成芯片大量涌現(xiàn)，引發(fā)了關(guān)于溫度計的革命。數(shù)字溫度計（ DTM），是以數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)的測量方式，將溫度的相對變化由連續(xù)變?yōu)殡x散的數(shù)字信號， 同時能夠?qū)崿F(xiàn)時時顯示的智能儀表。在數(shù)字化時代的今天，對儀器儀表的要求更高，不僅要求多功能，操作靈活方便，此外，其可擴展性、集成度還有精確性等性能指標也成為衡量標準。市場的需求反作用與生產(chǎn)，溫度計迎來了新世紀。 1． 2 數(shù)字溫度計的發(fā)展趨勢和特征 誠然，現(xiàn)代科學技術(shù)迎來了飛速發(fā)展的新時代，科學發(fā)現(xiàn)、技術(shù)突破和綜合學科的創(chuàng)新交叉融合的出現(xiàn)進一步發(fā)展，科技成果在經(jīng)濟社會發(fā)展中的廣泛應(yīng)用，對精準性和正確度要求的各種信息參數(shù)現(xiàn)代社會有幾何級的增長，數(shù)字溫度計也就應(yīng)運而生。 數(shù)字溫度計的發(fā)展在一定程度上取決于溫度控制 系統(tǒng)。雖然溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)的產(chǎn)業(yè)中已經(jīng)非常廣泛地應(yīng)用了，但由于外國在這一領(lǐng)域技術(shù)比較先進，國內(nèi)的發(fā)展水平與之仍有不小的差距。精密的溫控器產(chǎn)品以“點”控制和基于常規(guī) PID 控制器為主，不能適應(yīng)高智能化，自適應(yīng)控制儀器，國內(nèi)技術(shù)還不成熟。隨著中國加入世界貿(mào)易組織后，在政府和企業(yè)的高度重視下，相關(guān)的企業(yè)資源重組，建立了一批批研發(fā)中心開拓創(chuàng)新，給儀器儀表行業(yè)帶來個革新。 此外，主流數(shù)字溫度計的質(zhì)量是由微處理器和溫度傳感器決定的，便于攜帶的低 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 2 頁 共 37 頁 成本的微處理器和高精度、效率的溫度傳感器在其中占著舉足輕重的作用。在經(jīng)歷了傳 統(tǒng)的分立式溫度傳感器 、模擬集成溫度傳感器 和智能集成溫度傳感器是三個階段后，智能集成性溫度傳感器能適用于大部分微控制器并且輸出數(shù)據(jù)。 數(shù)字溫度計順應(yīng)時代發(fā)展的趨勢，經(jīng)歷了從最初的熱脹冷縮式溫度計到水銀式溫度計再到現(xiàn)今流行的數(shù)字溫度計，越來越方便，克服了克服了水銀溫度計讀數(shù)困難、容易破碎產(chǎn)生環(huán)境污染，簡易電子溫度計測量精度差等缺點；具有功能完善、性能穩(wěn)定、體積小、重量輕、功耗低、價格低等特點 [1]。同時，由于數(shù)字溫度傳感器能直接輸出數(shù)字化的溫度數(shù)據(jù)，可以很方便的與各種單片機連接，省去了調(diào)理電路，電路簡單， 穩(wěn)定可靠，精度也較好，因此利用數(shù)字式溫度傳感器取代舊式的溫度傳感器是必然的趨勢 [2]。此外，數(shù)字溫度計一般用電池供電，適用于日常生活的各種場合，在一些存在爆炸性氣體等等的特殊環(huán)境下，任然可以相對安全可靠的讀取溫度值，與水銀溫度計相比，從根本上解決了水銀破損可能帶來的危害。 盡管隨著時代的潮流，數(shù)字溫度計發(fā)展迅速，但不可避免的數(shù)字溫度計任然存在一些問題，主要體現(xiàn)在如下 2個方面： （ 1）高精度數(shù)字溫度計的穩(wěn)定性是由傳感器和儀表兩部分的性能決定的，情況比較復(fù)雜，存在的問題也比較多，是造成目前高精度數(shù)字溫度計實際使 用效果較差的主要原因 [3]。 （ 2）用常規(guī)的測量方法測量 , 檢測精度要求較高時 , 調(diào)理電路復(fù)雜 , 使系統(tǒng)的穩(wěn)定性很難得到保證 , 且成本較高，而復(fù)雜結(jié)構(gòu)帶來的功耗與體積問題 , 阻礙了便攜式高精度測溫儀的發(fā)展應(yīng)用 [4]。 1． 3 課題研究內(nèi)容及要求 課題研究內(nèi)容 本課題要求設(shè)計一款便于攜帶的數(shù)字式溫度計，便于攜帶要求硬件結(jié)構(gòu)簡單、功耗小，數(shù)字溫度計則要求有能直觀讀取溫度值的顯示器，所以選擇一款低功耗的單片機芯片顯得尤為重要，同時溫度傳感器 DS18B20是符合本課題要求的一款單總線芯片，當然，作為 基礎(chǔ)器件的顯示器也是極為重要的。在確定了系統(tǒng)所需要的芯片（ P89V51RD DS18B20 和 AMPIRE128X64）后，根據(jù)“自頂向下”和“模塊化”的原則，再設(shè)計之初，先設(shè)計的是顯示模塊，如果先設(shè)計溫度采集模塊，那么系統(tǒng)將無法驗證溫度是否讀取正確，而顯示模塊可以向單片機輸入固定的字符來檢測正確性，之后設(shè)計的就是溫度采集模塊，最后加入了報警模塊。本課題研究的主要是溫度采集模 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 3 頁 共 37 頁 塊采集溫度經(jīng)處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號發(fā)送到單片機， 單片機處理后分別轉(zhuǎn)發(fā)給顯示模塊和報警模塊這一過程的實現(xiàn)。 功能要求 本課題研 究的重點是以單片機為主控制器， DS18B20 為溫度采集器件，AMPIRE128X64 為顯示器件的便攜式數(shù)字溫度控制系統(tǒng)。設(shè)計目標如下： (1)技術(shù)指標： 1) 溫度計測溫范圍 10℃ 100℃； 2) 精度： ℃； 3) 溫度值顯示到小數(shù)點后 1位； (2)擴展內(nèi)容： 可考慮將溫度上下限值、當前溫度同時顯示 . 1． 4 章節(jié)內(nèi)容安排 本論文從軟件和硬件 2 個方面介紹了數(shù)字溫度計的設(shè)計過程，本論文共 5個部分： 第一章為選題的背景。簡要講述了課題背景，國內(nèi)外的發(fā)展與數(shù)字溫度計的優(yōu)勢和發(fā)展趨勢，以及主要任務(wù)和要達到的目標。 第 二章是方案的論證。將數(shù)字溫度計分為 4 個模塊，比較論證幾種典型的芯片，從中選取的合適的芯片。 第三章詳細介紹了硬件電路設(shè)計，包括主控芯片、采溫芯片和顯示屏的功能和優(yōu)勢。 第四章講述了結(jié)合硬件的軟件設(shè)計，對程序流程圖進行簡單介紹，程序編碼的注意事項與工作原理。 第五章講述了仿真結(jié)果并作了簡要分析說明。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 4 頁 共 37 頁 2 方案的選擇 本課題的實現(xiàn)方法是通過溫度采集系統(tǒng)將采集的溫度經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號發(fā)送到單片機，單片機經(jīng)處理判斷分別發(fā)送信號到顯示模塊和報警模塊。這就涉及到4個核心芯片的選取（如圖 ），本章節(jié) 講述了的選取的芯片及選取的理由。 本課題的實現(xiàn)方案是以 P89V51RD2 為主控芯片、 DS18B20 為溫度采集芯片、AMPIRE128X64 是顯示器件和蜂鳴器報警芯片。： 主控制器復(fù) 位 電 路溫 度 采 集振 蕩 電 路顯 示 電 路報 警 電 路 圖 硬件設(shè)計框圖 2． 1 主控芯片的選擇 ATMEL 公司的 AT89C52 微處理器 AT89C52 是常見的一款低電壓 ,高性能單片機 ,片內(nèi)含 8k字節(jié)的可多次擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 256 字節(jié)的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），它的體積小而且供電量低，它 的四個端口只需要兩個就能滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計需要，適合用于便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計使用 [5]。 AT89C52 是最基礎(chǔ)的一款單片機，許多功能需要外接才能實現(xiàn)。 TI 公司 MSP430F4013 MSP430 微處理器是 TI 公司的一個超低功耗微控制器系列，片內(nèi)組合了不同功能模塊，可適應(yīng)不同應(yīng)用層次的需要，提供了 5 種底功耗模式，可最大限度的延長手持設(shè)備的電池壽命 [6]。給低功耗設(shè)計帶來了很大的方便，但是 MSP430 系列的價格非常高，與其他芯片在都能實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上，并沒有突出的優(yōu)勢。而且工作電壓在 到，遠不如 5V的接口電路來的方便 飛利浦 P89V51RD2 P89V51RD2 是一款 8051 內(nèi)核的微處理器，內(nèi)含 65KB FLASH 和 1KB 字節(jié)的 RAM， 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 5 頁 共 37 頁 該芯片有一個典型特性： X2 方式，即每個周期 12個時鐘周期和每個周期 6個時鐘周期（ X2），設(shè)計工程師可任意選擇，在 X2模式下，不僅獲得 2 倍的吞吐量而且極大程度上降低了電磁干擾。 此外， P89V51RD2 完全兼容 MUC51 指令系統(tǒng)，而且一樣有 32 個 I/O 口，工作電壓是 5V，但是該芯片的 3組 I/O 做了擴展 —— 內(nèi)置了電阻，此外 ROM、 RAM的存儲空間都擴大了。而且， P89V51RD2 具有低功耗模式，即掉電模式和空閑模式。 綜上所述， P89V51RD2 兼容 MUC51，是基礎(chǔ) 51 芯片的擴展芯片，且功耗較低，價格便宜，比較 MSP430F4013 和 AT89C52 而言 是一款較合理的芯片。 2． 2 溫度傳感器的選擇 溫度傳感器根據(jù)輸出信號可分為三類：邏輯輸出溫度傳感器、模擬式溫度傳感器和數(shù)字式溫度傳感器。 邏輯輸出溫度傳感器 邏輯輸出式溫度傳感器并不能嚴格的測出溫度值，而是測出大概的溫度范圍，該溫度傳感器適用于報警系統(tǒng)等其他控制設(shè)備，不適于溫度計的 制作。 所以，邏輯輸出溫度傳感器不予考慮。 模擬式溫度傳感器 模擬式溫度傳感器是傳統(tǒng)的傳感器的統(tǒng)稱，常見的有熱電偶、電阻等，利用敏感元件的感溫特性，在溫度變化是，測出其電壓或電流或電阻值的變化，信號經(jīng)過采集、A/D 轉(zhuǎn)換等步驟，在經(jīng)過微處理器的數(shù)據(jù)處理后，將其傳送到顯示電路。盡管國際上一些機構(gòu)和學者對于采用 ITS9國際溫標的固定點法分度工業(yè)鉑電阻溫度設(shè)計得出了一些階段性的結(jié)論和研究成果 [ 8]。即在 0~100℃內(nèi)，降低了誤差 —— 在 ℃內(nèi)。但是一方面，模擬式溫度傳感器常常需要冷端補償，而 且響應(yīng)慢等不住；另一方面金屬熱電阻特別是銅、鐵、鉑等熱電阻的標定既復(fù)雜又要求苛刻，且成本較高 [9]。此外，信號經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換可能存在失真和漂移，測量并不是非常精確，實際操作有點麻煩。 所以，模擬式溫度傳感器不予考慮。 數(shù)字式溫度傳感器 如果采用數(shù)字式溫度傳感器上述問題在得到簡化的同時，在減少 A/D 轉(zhuǎn)換的同時節(jié)省了 I/O 口，簡化了設(shè)計電路。 以 DALLAS 公司生產(chǎn)的智能型數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 為例：用 1Wire（單總線器件） DS18B20 來組成的測溫系統(tǒng)的數(shù)字溫度計，與半導體器件作為 測溫元件構(gòu)成的 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 6 頁 共 37 頁 溫控系統(tǒng)相比有以下優(yōu)勢：一是硬件線路簡單，并且系統(tǒng)可外連接多個基于 DS18B20 的數(shù)字溫度計；二是能夠直接讀出測溫結(jié)果；三是能夠進行遠距離多點溫度測量。 綜上所述， DS18B20 具有結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活、無須外接電路的優(yōu)點，符合本設(shè)計要求 [10]。 2． 3 顯示屏的選擇 數(shù)碼管 LED 數(shù)碼管是將 8個發(fā)光二極管組合的器件，由 a,b,c,d,e,f,g,dp 表示段，數(shù)碼管有段選和位選 2 種方式。為了顯示字母和數(shù)字，需要通過軟件編碼或硬件譯碼來顯示數(shù)字或字母。雖然數(shù)碼管價格低、體積?。?相對于液晶屏），但是耗電較大，而且只能同時顯示一個字符，不夠智能。 字符型 1602 字符型 1602 是工業(yè)級的液晶顯示屏，同一屏幕能顯示 32 個字符?？刂坪唵?，價格低廉，但是屏幕較小，不能再同一界面顯示實時溫度和上下限，需要軟件編程達到屏幕切換的目的。此外，不能顯示漢字也是一個弊端。 點陣式 12864 12864 是液晶顯示器的一種統(tǒng)稱，具 有顯示信息多、體積小、功耗低等的特點，被廣泛應(yīng)用 [11]。 點陣式 12864 不僅具有的顯示字符、數(shù)字的功能，還可以顯示圖形、曲線及漢字 。 AMPIRE128X64 是 PROTEUS 中常見的一款點陣式 12864 芯片，功能強大，能同時顯示實時溫度和上下限，比較直觀，符合本課題設(shè)計要求。而且，不帶字庫的液晶顯示器可以根據(jù)自己的需求選擇想要的字體，方便又靈活，而帶字庫的液晶顯示屏只能顯示 GB2312 的宋體，而想要顯示其他形式的字體則必須以圖片的形式展現(xiàn)。 綜上所述，本課題選取 AMPIRE128X64 為顯示器。 2． 4 報警器的選擇 蜂鳴器是常見的一種結(jié)構(gòu)化的訊響器，廣泛由于各種需要聲音報警或提醒的設(shè)備中。而就單片機系統(tǒng)設(shè)計中，蜂鳴器可以接直流電源（驅(qū)動電壓趨近于 5V），而且有源蜂鳴器自帶振蕩源，只要單片提供電信號，蜂鳴器就會工作，不僅編程簡單，硬件電路也是簡潔明了的。此外，在實際實物制作中，蜂鳴器具有價格低廉、體積小，便于攜帶等優(yōu)勢，蜂鳴器是報警模塊的不二選擇。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 7 頁 共 37 頁 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 數(shù)字溫度計分為：主控電路 (即 P89V51RD2 為主的最小系統(tǒng) )、溫度采集電路（ DS18B20 為傳感器）、顯示電路（ AMPIRE128X64 液晶顯示屏 ）以及超限報警電路。設(shè)計框圖如圖 所示： 本課題的硬件仿真是