【正文】 密 級(jí)學(xué) 號(hào)070403120院、(系)電子信息工程學(xué)院 題目：智能溫度測(cè)量?jī)x表的研究與設(shè)計(jì)學(xué)位申請(qǐng)人：徐思維指導(dǎo)教師：路青起學(xué)科專業(yè)：電子信息工程學(xué)位類別：工學(xué)學(xué)士2011年 06月本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：智能溫度測(cè)量?jī)x表的研究與設(shè)計(jì)院 （系）： 電子信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級(jí)： 070403 學(xué) 生： 徐思維 學(xué) 號(hào)： 070403120 指導(dǎo)教師： 路青起 2011年 6月摘要智能溫度測(cè)量?jī)x表的研究與設(shè)計(jì)摘 要溫度是一個(gè)重要的測(cè)量參數(shù)，并且熱電偶具有測(cè)溫范圍廣、準(zhǔn)確度高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其成為工業(yè)應(yīng)用中溫度測(cè)量的第一選擇。為準(zhǔn)確測(cè)量溫度，本論文將熱電偶測(cè)溫技術(shù)與單片機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了數(shù)字式智能測(cè)溫儀表，該儀表采用單片機(jī)芯片AT89C51作為微處理器，K型熱電偶(鎳鉻一鎳硅)作為溫度傳感器，數(shù)字溫度傳感器DS18B20進(jìn)行K型熱電偶冷端溫度的測(cè)量，以對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償，以便準(zhǔn)確測(cè)量其溫度。該論文主要由智能溫度測(cè)量?jī)x表的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分組成。在本論文中，首先設(shè)計(jì)了智能溫度測(cè)量?jī)x表的硬件。智能測(cè)溫儀表硬件電路由五個(gè)主要部分組成:單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)調(diào)理電路、液晶顯示電路及鍵盤(pán)輸入。分別介紹了各組成部分的主要所用芯片，并設(shè)計(jì)了其接口電路。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)中主要包括系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)、鍵盤(pán)顯示子程序以及數(shù)據(jù)采集等模塊組成，測(cè)溫程序適用于AT89C51單片機(jī)。最后分析了K型熱電偶的基本知識(shí)，設(shè)計(jì)了K型熱電偶的電路，采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20解決了K型熱電偶的冷端補(bǔ)償問(wèn)題。關(guān)鍵詞:智能儀表， K型熱電偶，溫度測(cè)量，冷端補(bǔ)償IAbstractIntelligent temperature measuring instrument research and designAbstract Temperature is an important measurement parameters, and a wide range of thermocouple temperature measurement with high accuracy and low cost, making it the temperature measurement in industrial applications, the first choice. In order to accurately measure temperature, thermocouple temperature measurement in this thesis bined with microcontroller technology, the design of the digital smart Thermometer, the instrument used as a single chip microprocessor AT89C51, Ktype thermocouple (Nia nickel chromium silicon) as a temperature sensor, digital temperature sensor DS18B20 the K type thermocouple cold junction temperature measurement to pensate for thermocouple cold junction in order to accurately measure its temperature. The paper by intelligent temperature measuring instrument hardware design, software design of two parts. In this thesis, the design of intelligent temperature measuring instrument hardware. Intelligent Thermometer hardware consists of five main ponents: microcontroller, A / D converter, signal conditioning circuits, liquid crystal display circuit and keyboard input. Introduced the main ponents used in chip and its interface circuit design. The software design including system design of the main program, the keyboard display routines, and data acquisition modules, temperature program for AT89C51 microcontroller. Finally a basic knowledge of Ktype thermocouple, Ktype thermocouple designed circuit, digital temperature sensor to solve the Ktype thermocouple DS18B20 cold junction pensation issues.Keywords: intelligent instruments, Ktype thermocouples, temperature measurement, cold junction pensation.II西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄目錄摘 要 3ABSTRACT 4目錄 5第1章 緒 論 1 1 1 1 2 2 3 3第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 5 典型測(cè)溫系統(tǒng) 5 6 7第3章 儀表的硬件設(shè)計(jì) 8 K型熱電偶 8 K型熱電偶特點(diǎn) 8 8 信號(hào)調(diào)理電路 9 放大電路 9 濾波電路 10 A/D轉(zhuǎn)換電路 11 數(shù)字溫度傳感器DS18B20 13 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu) 13 功能簡(jiǎn)介 13 DS18B20與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì) 13 AT89C51單片機(jī) 14 LED 顯示電路 16 按鍵模塊 16 溫度報(bào)警模塊 16 本章小結(jié) 17第4章 軟件設(shè)計(jì) 18 KeilC51集成開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介 18 基于KeilC51軟件編程設(shè)計(jì) 184．2．1 主程序流程圖 18III西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 讀取DS18B20溫度子程序 19 讀出K型熱電偶溫度子程序 20 計(jì)算溫度子程序 20 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序 21 按鍵掃描處理子程序 22 23第5章 總結(jié)與展望 24 總結(jié) 24 研究展望 24致 謝 25畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明 26畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 27參考文獻(xiàn) 28附錄A 硬件電路圖 29附錄B 程序清單 30附錄C 外文文獻(xiàn)翻譯 36IV第1章 緒論第1章 緒 論溫度（temperature）是表示物體冷熱程度的物理量，微觀上來(lái)講是物體分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。溫度是人類生產(chǎn)活動(dòng)，科學(xué)實(shí)驗(yàn)，日常生活需要大量進(jìn)下的測(cè)量的一個(gè)非常重要的物理量。溫度測(cè)量的歷史：第一個(gè)溫度傳感器是由伽利略設(shè)計(jì)的。在他之后，溫度測(cè)量的一個(gè)重要里程碑，由法勒海特(Fahrenheit)在1706年設(shè)計(jì)制造的水銀溫度計(jì)。該溫度計(jì)以水銀為測(cè)溫介質(zhì)，制成玻璃水銀溫度計(jì)，選取氯化銨和冰水的混合物的溫度為溫度計(jì)的零度，人體溫度為溫度計(jì)的100度，把水銀溫度計(jì)從0度到l00度按水銀的體積膨脹距離分成100份，每一份為1華氏度，記作“1℉”。Anders Celsius(17011744)，其結(jié)冰點(diǎn)是0176。C，沸點(diǎn)為100176。C。 1740年瑞典人攝氏(Celsius)提出在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，把冰水混合物的溫度規(guī)定為0度，水的沸騰溫度規(guī)定為100度。根據(jù)水這兩個(gè)固定溫度點(diǎn)來(lái)對(duì)玻璃水銀溫度計(jì)進(jìn)行分度。兩點(diǎn)間作100等分，每一份稱為1攝氏度。記作1℃。溫度測(cè)量方法分為兩類：接觸式和非接觸式。溫度傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：分立式溫度傳感器、模擬集成溫度傳感器、數(shù)字溫度傳感器。熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器都屬于分立式溫度傳感器，其本身就是一個(gè)完整、獨(dú)立的感溫原件。熱電偶則是利用熱電效應(yīng)將溫度直接轉(zhuǎn)換成電勢(shì)，是一種能量轉(zhuǎn)換型溫度傳感器。并且熱電偶具有準(zhǔn)確度比較高，測(cè)量范圍廣，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。 但是由于溫度目標(biāo)測(cè)量范圍較大，各方面條件而限制不能較好的提高測(cè)量精度。因此，如何提高熱電偶測(cè)量精度成為當(dāng)今測(cè)溫研究的一個(gè)方向與重點(diǎn)。溫度是一個(gè)相當(dāng)重要的物理量，是國(guó)際單位制中的七個(gè)基本單位之一，同時(shí)也是工業(yè)生產(chǎn)中主要的工藝參數(shù)之一。但是要正確的測(cè)量溫度是很困難的，無(wú)論采用準(zhǔn)確度多么高的傳感器，假如傳感器選擇不正確，或者測(cè)溫方法選擇不適宜，都有可能得不到令人滿意的效果。在實(shí)際使用中，因?yàn)槭艿礁鞣N因素的影響，熱電偶的溫度和熱電勢(shì)之間呈非線性關(guān)系。實(shí)際使用中常采用查表法或者線性插值法進(jìn)行線形校正。查表法是將熱電偶整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的非線性熱電曲線存于內(nèi)存中，根據(jù)熱電偶的輸出電動(dòng)勢(shì)，查表匹配來(lái)獲得測(cè)量溫度。但是熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)是測(cè)量端得溫度和參考端的函數(shù)差，因此如果參考端的溫度是變化的，那么測(cè)量誤差也就是一個(gè)變量，影響了測(cè)量的準(zhǔn)確度。因此在本論文中嘗試使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為其冷43西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）端補(bǔ)償，以修正測(cè)量溫度，求得實(shí)際的溫度。隨著國(guó)內(nèi)外工業(yè)的日益發(fā)展，溫度測(cè)量技術(shù)也有了長(zhǎng)足地進(jìn)步。目前的溫度檢測(cè)包括以下方法:1)利用物體熱脹冷縮原理制成的溫度計(jì)利用這種原理制成的溫度計(jì)大致分成三大類:雙金屬溫度計(jì)、玻璃溫度計(jì)以及壓力式溫度計(jì)。2)利用熱輻射原理制成的高溫計(jì)熱輻射高溫計(jì)通常分為兩種:一種是單色輻射高溫計(jì)，稱為光學(xué)高溫計(jì)。另一種是全輻射高溫計(jì)，其工作原理是物體吸收熱輻射后，視物體本身的性質(zhì)，能將它吸收、透過(guò)或反射。3)利用熱電效應(yīng)技術(shù)制成的溫度檢測(cè)元件利用此技術(shù)制成的溫度檢測(cè)元件主要是熱電偶。由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、測(cè)量范圍寬、精度較高、熱慣性小等特點(diǎn)，因此被廣泛作為溫度傳感器的敏感元件。4)利用熱阻效應(yīng)技術(shù)制成的溫度計(jì)用此技術(shù)制成的溫度計(jì)大致可分成以下幾種:電阻測(cè)溫元件、導(dǎo)體測(cè)溫元件、陶瓷熱敏元件。、由線到面溫度分布的測(cè)溫技術(shù)(l)多芯熱電偶。傳統(tǒng)的溫度測(cè)量可稱為對(duì)某一“點(diǎn)”的溫度測(cè)量。如用熱電偶測(cè)量爐窯溫度，只能給出測(cè)量端所處的溫度。但是了解整個(gè)爐內(nèi)溫度分布是十分必要的，所以采用多芯愷裝熱電偶，可以分布式測(cè)量爐內(nèi)環(huán)境溫度。(2)光纖式溫度分布測(cè)量裝置。光纖式溫度分布測(cè)量裝置是用一只傳感器就能測(cè)出線狀溫度分布的一種新型傳感器件。該裝置的基本原理是將激光脈沖射到光纖中，依據(jù)到達(dá)各處返回的散射光中的斯托克及反斯托克光之比，求其溫度。這種光纖式溫度分布測(cè)量裝置可以測(cè)得最遠(yuǎn)30km以內(nèi)的溫度分布。光纖溫度測(cè)量裝置由于用光纖傳輸或敏感溫度，具有電磁絕緣性好、高靈敏度、體積小、重量輕，便于在特殊場(chǎng)合下安裝等特點(diǎn)。(3)用輻射溫度計(jì)或熱像儀測(cè)量表面溫度分布。對(duì)于被測(cè)表面的溫度測(cè)量與控制，可以選用熱像儀或輻射溫度計(jì)測(cè)量。(4)用長(zhǎng)熱電偶測(cè)量表面溫度分布。對(duì)于步進(jìn)式加熱爐等爐內(nèi)溫度的測(cè)量，通常將熱電偶焊接或鉚接在耐熱物體上，然后逐漸向爐內(nèi)移動(dòng)測(cè)量溫度。(5)用耐熱數(shù)據(jù)記錄儀與短熱電偶相結(jié)合測(cè)量表面溫度分布。將小型半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置放入耐熱容器內(nèi)，并與短熱電偶一起隨物體放入爐內(nèi)，就可以很方便的測(cè)量爐內(nèi)溫度分布。由表面到內(nèi)部、深部的測(cè)溫技術(shù)對(duì)于物體內(nèi)部溫度，可以將帶有保護(hù)管的溫度傳感器插入物體內(nèi)部測(cè)量。但是，有時(shí)卻受到很多制約，有時(shí)不能直接插入。例如測(cè)量人體體溫的溫度計(jì)，溫度計(jì)中間有絕緣層，上下各有一個(gè)熱敏電阻，并在其上放一個(gè)加熱器。如將此溫度計(jì)放在人體表面上，因此在上、下熱敏電阻間有溫度差，所以要用加熱器加熱來(lái)消除溫度差。在內(nèi)部附有發(fā)熱體的物體中，熱量將由內(nèi)向外擴(kuò)散，因此表面溫度要比內(nèi)部溫度低，其間有溫度差。因此，在加熱物體的表面，如能消除此溫度梯度，就能測(cè)量出便可知內(nèi)部溫度。應(yīng)用上述原理，欲測(cè)量工程管道內(nèi)的流體溫度，在此不用加熱器，而在管道內(nèi)部安放一塊與管道具有相同材質(zhì)的墊片。其外部再纏繞保溫材料，用此方法減少或盡量消除溫度梯度。這種管道包括墊片在內(nèi)與內(nèi)部流體的溫度梯度將由有線到無(wú)線的測(cè)溫技術(shù)傳統(tǒng)的高熱溫度計(jì)均由熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線以及顯示儀表組成，即測(cè)溫元件與儀表間具有不可分割的聯(lián)系。通常都是采用帶有電纜的有線連接方式。然而對(duì)于旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)的物體溫度進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，則遇到很大障礙，因此采用無(wú)線傳輸方式的測(cè)溫技術(shù)就具有非常大的優(yōu)勢(shì)。無(wú)線巡回溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是采用無(wú)線傳輸?shù)囊环N測(cè)溫儀表，這種測(cè)溫方式對(duì)于危險(xiǎn)場(chǎng)所和高部位溫度檢測(cè)是十分方便的。隨著對(duì)生產(chǎn)效率的要求不斷提高，對(duì)溫度檢測(cè)的要求也越來(lái)越高，融合現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)和控制理論的智能檢測(cè)是當(dāng)今溫度檢測(cè)的一大趨勢(shì)，研究和開(kāi)發(fā)適用場(chǎng)合多樣化、測(cè)溫對(duì)象多樣化、檢測(cè)設(shè)備數(shù)字化以及檢測(cè)元件新型化的測(cè)溫儀表是國(guó)內(nèi)外測(cè)溫儀表研究的重點(diǎn)。根據(jù)上述要求