【正文】 方法 [1,2,3]： （ 1）利用熱脹冷縮原理制成的溫度計 通過此原理設計而成的溫度計主要有三類：玻璃溫度計、雙金屬溫度計、壓力式溫度計。它以其應用技術較為成熟成為目前應用最為廣泛的檢測元件之一。 （ 3）利用熱阻效應技術制成的溫度計 通過此種技術設計的溫度計主要可分為三種：電阻測溫元件、導體測溫元件、陶瓷熱敏元件。 （ 5）其他新型溫度測量技術 [8] 為了使得溫度檢測更加精確，目前國內外專家學者都在研究和開發(fā)各種新型溫度測量技術和各類溫度傳感器。 ① 芯熱電偶。為了了解整個爐內的溫度分布，傳統(tǒng)溫度 測量已無法滿足要求，因此可采用分布式測量爐內環(huán)境溫度。光纖式溫度分布測量裝置是一種新型傳感器件，它可以通過一個傳感器就能測量出線狀溫度分布。當需要對被測表面進行溫度測量和控制時，可以采用熱像儀或輻射溫度計的方法進行測量。 ⑤ 用耐熱數(shù)據(jù)記錄儀與短熱電偶相結合測量表面溫度分布。目前的溫度檢測技術存在檢測范圍小，精度不夠高等問題，故無法適合大范圍高精度的溫度測量?；谀壳斑@一情況，國內外關于溫度測量技術的發(fā)展主要有以下幾個動向 [4,5,6,7]： （ 1）擴展檢測范圍 目前工業(yè)生產(chǎn)過程中的溫度檢測范圍是 200 ~ 3000? ℃ ，無法測量超高溫和超低溫，尤其是對液化氣體的極低溫度的檢測。 （ 2）擴大測溫對象 由最初的以點測溫，溫度檢測技術已經(jīng)逐步 發(fā)展到以線測溫和以面測溫，甚至是立體測溫。 （ 3）發(fā)展新型產(chǎn)品 對于出現(xiàn)的不同場合和不同工況，需要人們通過現(xiàn)有的檢測技術制造出不同的新型產(chǎn)品，用以滿足用戶需要，同時發(fā)展新的檢測技術。 （ 5）對新原理、新材料、新加工工藝的開發(fā) 近年來，已經(jīng)成功開發(fā)出炭化硅薄膜熱敏電阻溫度檢測器，厚膜、薄膜鉑電阻溫度檢測器，硅單晶熱敏 電阻溫度檢測器等。它具有直觀、無讀數(shù)誤差、分辨率高等顯著優(yōu)點。通過采用微型計算機將判斷和指令等功能加到新型溫度測量儀表之中，使其可以自動地、智能地進行溫度檢測。故本文對數(shù)字式溫度計進行設計，旨在滿足測量范圍在 40~100? ℃ ，測量精度誤差小于 ℃ 。設計出的數(shù)字溫度計還具有另一特色，即可以通過按鍵對數(shù)字溫度計的顯示分辨率進行選擇切換，共有、 、 三檔分辨率可供用戶選擇。目前，國外內許多公司都生產(chǎn)出了各種新型溫 度傳感器，極大豐富了大家的設計視野。為滿足以上幾個要求，目前有兩種常用方法。兩跟 異金屬導線 焊接在一起，并且形成兩個結點，由此構成熱電偶。首先將參考結點維持在已經(jīng)的溫度上，并測量出此時的電壓，然后經(jīng)過A/D 轉換，在單片機中進行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理后將被測溫度在顯示電路上顯示出來。雖然熱電偶具有工作溫度范圍寬、體積小的優(yōu)點，但是它的輸出電壓小，容易受外界電磁波干擾，存在溫漂。 DS18B20 具有體積小 、功耗低、性能高，抗干擾能力強、易配微處理器等優(yōu)點 。只需要一根端口線就可以對 DS18B20 讀信息或寫信息，數(shù)據(jù)總線為其提供讀寫及溫度變換功率，此外該數(shù)據(jù)總線也可以向所接入的 DS18B20 芯片供電，因此不需要額外電源。 通過比 較以上兩個方案可以看出，方案二的設計比較簡單，可以很容易的實現(xiàn)軟件設計，所以本文擬采用方案二進行設計。 溫度傳感器 DS18B20 介紹 武昌工學院本科畢業(yè)論文（設 計）專用稿紙 5 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 芯片是 DALLAS公司生產(chǎn)的可編程集成數(shù)字測溫器件。在工業(yè)控制、產(chǎn)品設計、溫度測量等方面，該芯片得以廣泛應用。DS18B20 芯片可以直接對被測物的溫度進行讀取，并且編程可以實現(xiàn) 912位的溫度讀數(shù)。 DS18B20芯片的封裝形式有多種，其中主要是 TO 92? 封裝、 SOIC 封裝和 CSP 封裝。 引腳 定義：（ 1） DQ 代表數(shù)字信號輸入 /輸出端；（ 2） GND 代表外接電源地；（ 3） VDD 代表外接供電電源輸入端。該芯片在正常工作時，可以將溫度測量值直接通 過“單總線”的數(shù)字方式進行傳輸，這樣可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。在出廠時 DS18B20芯片已具有唯一的 64位序列號，這樣可以在一條總線上同時接入多個 DS18B20芯片，并且不會出現(xiàn)雜亂情況。此外，根據(jù)需要可以自行設定非易失性溫度報警的上限值 TH和下限值 TL。 圖 DS18B20芯片的內部存儲結構圖，它主要由一個暫存 RAM和一個非易失性可擦除 EERAM組成。光刻 ROM中的 64位序列號的前 8位（ 28H ）代表產(chǎn)品類型標號，中間的 48 位代表 DS18B20 芯片本身的序列號，后 8位代表前面 56位的循環(huán)冗余校驗碼（ C R C X8 X5 X4 1? ? ? ?）。 （ 2） DS18B20 芯片中的溫度傳感器的功能是對溫度進行測量。 表 DS18B20 溫度值格式表 bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0 LS Byte 32 2 12 02 12? 22? 32? 42? bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8 MS Byte S S S S S 62 52 42 上表為 12位轉化后得到的 12位數(shù)據(jù)，存儲在 DS18B20 芯片的兩個 8bits 的RAM中，符號位由二進制中的前面 5位表示，當測得的溫度大于 0時，這 5位為 0，只要將測得的數(shù)值乘于 ；當測得的溫度小于 0時，這 5位為 1，只需將測得的數(shù)值取反后加 1再乘于 。 （ 3） DS18B20 溫度傳感器的存儲器 DS18B20 芯片 的溫度傳感器主要由一個高速暫存 RAM和一個非易失性的可電擦除的 EEPRAM 組成，高溫度觸發(fā)器 TH和低溫度觸發(fā)器 TL以及結構寄存器存武昌工學院本科畢業(yè)論文（設 計）專用稿紙 7 儲在后者之中。出廠時， DS18B20 芯片的該位被設置成 0，一般情況下用戶不需要改動。 表 溫度值分辨率設置表 R1 R0 分辨率 溫度最大轉換時間 0 0 9位 0 1 10位 1 0 11位 375ms 1 1 12位 750ms DS18B20 與單片機的連接 DS18B20芯片與單片機的連接非常簡單，通過將 DS18B20芯片的信號線與單片機的一位雙向端口相連便可完成兩者的連接 ，如圖 。當然也可以只使用兩個端口，把接收口和發(fā)送口分開，這樣等于分開了讀操作口和寫操作口，可以避免信號競爭的現(xiàn)象 ,如圖 。當出現(xiàn) VDD與 GND脫開現(xiàn)象時，該芯片將會只傳輸+℃的溫度值。 武昌工學院本科畢業(yè)論文（設 計）專用稿紙 8 8 0 5 1P 1 . 0V S SD S 1 8 B 2 0 D S 1 8 B 2 0+ 5 V 圖 DS18B20 與單片機的接口，三線制方式 8 0 5 1P 1 . 0P 1 . 1D S 1 8 B 2 0 D S 1 8 B 2 0+ 5 VP 1 . 2T XR X 圖 DS18B20 與單片機的接口，寄生電源方式 武昌工學院本科畢業(yè)論文（設 計）專用稿紙 9 3 數(shù)字溫度計硬件設計 數(shù)字顯示溫度計系統(tǒng)主要由單片機最小系統(tǒng)、溫度檢測端部分、檢測溫度范圍和分辨率設置電路、聲光報警電路、結果顯示五個部分組成，圖 構圖。 M C UA T 8 9 C 5 1最小系統(tǒng)D S 1 8 B 2 0傳 感 器 電 路按 鍵 控 制 電 路聲 光 報 警 電 路L C D 1 6 0 2液 晶 屏 顯 示 圖 硬件結構圖 單片機 最小 系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng) ，又 稱為最小應用系統(tǒng) ，它是由 最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng) 。 本文選用的單片機型號為 AT89S51 。 圖 單片機最小系統(tǒng) 武昌工學院本科畢業(yè)論文（設 計）專用稿紙 10 主控制芯片 AT89 系列單片機是 MCS 51? 系列單片機的派生產(chǎn)品。 AT89S51 單片機是新一代超強抗干擾、高運算速度、低功耗的單片機。 AT89S51 單片機的一系列的優(yōu)點，使得其在系統(tǒng)應用和編程時，占用資源很少。 與普 通 8051 單片機相比， AT89 系列單片機的最大優(yōu)點有以下三點： 1．最大可擁有 1K bit 片內 RAM 普通的 8051 系列單片機只有 128bit(8051)或 256bit(8052)片內 RAM，通過低128bit(地址： 00H~7FH )可以直接或間接尋址，通過高 128bit(地址： 80H~FFH )只能間接尋址。由于 768bit 的片內 RAM (地址： 000H ~ 2FFH)與片外 RAM 地址重疊，故可以通過軟件設置 ，來設定 AT89 系列單片機使用片內 RAM 還是片外 RAM ，系統(tǒng)默認使用片內 RAM 。在物理位置上，兩個 Flash 存儲塊中Block0 在前面， Block1 在后面。 3． ISP技術 ISP主要在在線 (或遠程 )升級中使用。在出廠時， AT89 系列單片機的片內已經(jīng)被燒錄了 ISP 引導碼，該引導碼占用了 Block1 程序空間的前2K bit，并且設置了從 Block1 啟動。但是無論是下載程序還是正常啟動， ISP 引導碼最后都會把REMAP 取消，并且恢復 Block0 的前 8K 地址空間，然后運行 Block0 中的用戶程序。 時鐘電路 AT89S51 內部有一個高增益反相放大器，它主要用來組成振蕩器。時鐘可以由內部方式產(chǎn)生或者外部方式產(chǎn)生。一般由石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路構成定時元件。 圖 （ b）為 外 部方式產(chǎn)生的時鐘電路，圖中 XTAL1 引腳接地， XTAL2 引腳與外部振蕩器連接。 X T A L 1X T A L 2X T A L 1X T A L 2+ 5 V外 部 振 蕩 器 （ a） 內部方式時鐘電路 （ b） 外部方式時鐘電路 圖 時鐘電路 武昌工學院本科畢業(yè)論文（設 計）專用稿紙 12 通過片內時鐘發(fā)生器將振蕩頻率二分頻，生成一個兩相時鐘 P1 和 P2 ，用來供單片機使用。它的主要作用是把 PC 初始化為 0000H ，讓單片機可以從 0000H 單元開始運行程序。 復位操作會對一些寄存器的狀態(tài)有影響，表 31為它們的復位狀態(tài) 。復位信號采用高電平有效方式，有效時間應該至少持續(xù) 24個振蕩周期以上。 圖 。首先將由外部電路產(chǎn)生的復位信號 (RST 信號 )傳到施密特觸發(fā)器的輸入端，然后通過片內復位電路對施密特觸發(fā)器的輸出進行采樣，這主要在每個機器周期的 S5P2 時刻進行采樣，最終得到復位電路所需要的復位信號 。 通過外部復位電路的電容充電可以實現(xiàn)上電自動復位，其電路圖如圖 (a)所示。 按鍵手動復位又可分為電平方式和脈沖方式。 （ a） 上電復位 （ b） 按鍵電平復位 （ c） 按鍵脈沖復位 圖 復位電路 對于 6MHz 的晶振，以上電路圖中的電阻和電容參數(shù)均可適用，并且能保證復位信號的高電平持續(xù)時間大于 24個振蕩周期。 測溫電路設計 圖 復位信號的電路邏輯圖 武昌工學院本科畢業(yè)論文（設 計）專用稿紙 14 傳統(tǒng)的溫度傳感器可以分為多種類型，目前主要有熱敏電阻，熱電偶，半導體溫度傳感 器等常用幾種。通過一根數(shù)據(jù)線便可以完成從主機到 DS18B20 的連接，可以通過單線接口把信息輸送到DS18B20 或者從 DS18B20 端口送出，并且 DS18B20 的電源可以通過自身的數(shù)據(jù)線供電。 DS18B20 溫度傳感器的工作電源為直流 3 5V～ ，溫度的測量范圍為 55 125℃ ～ ℃??，溫度增量是 ℃ ，最高精度可以達到 ℃ ，轉換速率小于 1s 。又因為 AT89C51 單片機自身具有兩個串行端口，故可通過硬件連接來實現(xiàn)串口通信。 DS18B20 采用外部供電的方式，實現(xiàn)方法為通過一個電阻把溫度傳感器 DS18B20 的 I/O 口和電源直接連接，同時起到上拉的功能。本文中采用 DS18B20 的周圍環(huán)境作為被測物體。 LCD1602 液晶共有 16個引腳 ， 其功能分別如下所示： 第 1腳： VSS 是 地電源 。 第 3腳： V0是 液晶顯示器對比度調整端， 如果 接 入 正電源 ，則 對比度最弱，如果 接 入 地 ，則 對比度最高， 但是當 對比度過高 時，會 產(chǎn)生 “鬼影 ”現(xiàn)象 ， 這時 通過 接入 一個 10K 的電位器 加以 調整 便可解決 。 第 5腳： RW為讀寫信號線， 當輸入為 高電平時 ，為 讀操作， 當輸入為 低電平時 ，為 寫操作。 第 6腳： E端 是 使能端 口 ， 如果 E端 口的電平從 高電平跳變 至 低電平， 那么 液晶模塊 開始 執(zhí)行 命令。 第 15～ 16腳：背光電源。 在下一章中將著重介紹液晶模塊的軟件編程。 第 3管 腳直接 與 地 相連 ， 即對比度 最高， LCD1602 的 第 4管 腳 RS端、第 5腳 RW端和第 6腳 E端分別 與 單片機的 I/O 口 對應連接 。 武昌工學院本科畢業(yè)論文（設 計）專用稿紙 16 圖