基于温度的数字测量系统设计开题报告

一、课题意义：（现实意义和理论意义）
 温度是工业中非常关键的一项物理量，在农业、工业、各种高新技术的开发和研究中也是一个非常普遍和常用的测量参数。目前，随着信息技术的发展，传感技术的广泛应用，温度测试技术已向自动化、智能化方向发展。基于此，提出了温度的数字化测量。
 随着人们生活水平的不断提高，数字温度计的要求也越来越高，为现代人工作、科研、生活、提供更好、更方便的设施就需要从新技术入手，一切向着数字化控制、智能化控制方向发展。
 本设计需要采用传感器技术与电子技术相结合。设计的数字温度计与传统的温度计相比，输出温度采用数字显示，具有读数方便，测温范围广，测温准确等重要特点。主要用于测温比较准确的场所。
二、文献综述 包括：1.理论的渊源及演进过程  2.国内外对本课题的研究现状和有待解决的问题  3.本人对所查文献的评述等
 (一)温度计系统的发展
 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。后来又相继出现华氏温度计、列式温度计、摄氏温度计，均用水银和酒精等制作，现在英、美国家多用华氏温度计，德国多用列氏温度计，而世界科技界和工农业生产中，以及我国、法国等大多数国家则多用摄氏温度计。随着科学技术的发展和现代工业技术的需要，测温技术也在不断地改进和提高。由于测温范围变得越来越广，根据不同的要求，又制造出不同需要的测温仪器：气体温度计、电阻温度计、温差电偶温度计、高温温度计等。而我需要研究的是数字温度计，它是通过一定的电路和温度传感器进行测控，将温度用数字准确的显示出来。数据显示比较直观而且测量精度也比较高，范围也比较大。
 （二）数字温度计的设计现状
 数字温度计的设计一般采用温度传感器与核心处理芯片相结合，将温度信号转换为电信号，经过A/D转换变成数字信号，用数字显示。
 根据温度传感器的不同，数字温度计可采用热电偶、热电阻、热敏电阻、PN结型温度传感器、集成温度传感器等。
 数根据核心处理芯片的不同，数字温度计可为采用单片机和PLC来设计。
 1、基于单片机的数字温度计设计
 本系统采用单片机AT89S51作为中央处理器，并扩展8155和8279等芯片构成最小控制系统，控制外围模块实现相应功能。在设计制作过程中，采用外围时间芯片DS1302计时、数字温度传感器DS18B20采集温度，通过可控硅组成的开关电路驱动输出
 本系统采用光控分时显示时间和温度数值，可见度可达2千米，应用于各种高楼大厦楼顶。该系统涵盖了单片机最小系统、时钟芯片DS1302、数字温度传感器DS18B20、模拟温度传感器AD590、8位A/D转换器ADC0809、继电器和可控硅BT137等器件的应用技术。其中硬件设计是：时间芯片DS1302与 温度传感器AD590采集的模拟信号，经放大、缓冲、滤波等调理电路处理后，由模拟开关电路选择后送A/D芯片（ADC0809）转换为数字信号，或时间芯片DS1302与数字温度传感器D S18B20转换为数字信号，送入单片机AT89S51，然后通过可编程的键盘/显示器接口芯片8279及键盘通过数码管交替显示时间和温度。或经扩展芯片8155及可控硅式继电器通过霓虹灯交替显示时间和温度。控制器设计采用数据流驱动多模块并行技术，以提高控制电路的执行效率。另外系统配备了直流电源，以满足室外便携采集的需要。
按照单片机设计的数字温度计,画出框图如下:

  
 
 2、基于PLC的数字温度计设计
 AD590温度传感器是一种电流型两端感温集成温度传感器，其输出电流与温度成线性关系，工作电压可在＋4-+30V范围内选用，测温范围为-55-150℃，不易受接触电阻，引线电阻和噪声的干扰，适用于单片机进行温度测量和控制。由于PIC16F87x系列单片机本身具有8路模拟输入通道，因而不需要专门的A/D转换器件就可以直接将模拟信号送至单片机输入口，硬件电路相对于其它型号单片机比较简单，基于以上独特优点，该数字温度计采用AD590作为温度传感器，选用PIC16F873单片机作为微处理器，测温范围为0-100℃，精确度为0.1℃可动态显示所测温度。基于单片机的数字温度计设计框图如下:
    
 
 
 
 
 
 温度是我们日常生产和生活中实时在接触到的物理量，但是它是看不到的，仅凭感觉只能感觉到大概的温度值，传统的指针式的温度计虽然能指示温度，但是精度低，使用不够方便，显示不够直观，数字温度计的出现可以让人们直观的了解自己想知道的温度到底是多少度。
 目前数字温度计的研究种类比较多，非接触温度测量技术有红外非接触温度测量技术，单总线数字式温度测量技术等等,此外激光测量温度技术，基于彩色CCD三基色的温度测量技术每一种新的温度计研究都尤其新的出发点，随着近几年来科学的发展和人们的需要，温度计也变得小型、快捷，方便起来。虽然在医疗等方面还在用比较平常的玻璃温度计，但是在工业，科研等方面很多时候测量的温度范围比较大，而且所需精度高……鉴于这之类的要求，本人对数字温度计进行研究。目前数字温度计的研究已采用进口芯片组装精度高、高稳定性，误差≤0.5%， 内电源、微功耗、不锈钢外壳，防护坚固，美观精致。
 国内有些数字温度计采用进口高精度、低温漂、超低功耗集成电路和宽温型液晶显示器，内置高能量电池连续工作≥5年无需敷设供电电缆，是一种精度高、稳定性好、适用性极强的新型现场温度显示仪。是传统现场指针双金属温度计的理想替代产品，广泛应用于各类工矿企业，大专院校，科研院所等。
 根据用途数字温度计可分为袖珍式和多用数字温度计。
 1、袖珍式数字温度计：
 袖珍式数字温度计有许多优点,它与传统的旧型温度计相比,显得轻便灵敏、精确稳定与安全可靠,配有各种型号规格的探头,使测温范围由-180℃延伸至1770℃,被广泛地应用来测量液体、气体、半固体和固体表面的温度。国内已有一些单位在研制和小批量生产这类仪表,但无论从数量、质量、品种和性能等方面都还存在不少问题，还在进行进一步研究。 

 2、多用数字温度计
 国外计量.1991年第8期.多用数字温度计7563 1.前言温度测量的应用范围已由基本的物理测量扩大到极低温计测及与生物相关联的测量,在使用多样化温度传惑器的同时,对测量器具的测量精度提出了更高的要求.而且随着近年来计算机的应用也使自动测量技术得到普及,这些自动计测仪器在生产线或研究开发领域是不可缺少的，并且根据这类用户的使用要求,测量仪器的计算机接口装置也是不可少的.这次,根据这样的市场背景,开发了对应16种热电偶及热电阻传感器并可同时测量直流电压,电阻的多用数字温度计/7563.2.开发目的(1)实现高精度,多功能在进行热电偶,热电阻高精度温度测量的同时,还可进行直流电压,电阻的测量.'(2)遥控功能装备有—或--232标准接口,由使用的计算机遥控功能可进行自动计测.(3)数据存贮内藏存贮器用于高功能数据收集,井装备存贮器卡用的采集缓冲器。
 （三）本人对所查文献的评述
通过大量文献和资料的查阅，我所设计的数字温度计中的温度传感器，需要查传感器应用方面的书籍但是多半的书都没有很确切的温度传感器，相关的热偶传感器和PN结传感器，红外传感器等，通过了解这些传感器可以深入了解温度传感器工作原理，温度传感器在数字温度计中的作用。[1]接下来查阅的资料是关于数字电路这一块,需要查阅的资料是数字电路中A/D转换的原理,还有电子电路中变压器的变压过程和原理,可以查阅的书籍有电子电路、数字电路和实验方面的书籍。[2][5][7][8]查阅了关于制作电路板的书籍，首先是查阅关于CAD的书籍，绘制电路图，再仿真制作成电路板，这就需要电子工业方面的书[12][13][14]

 三、课题研究内容与方法
 (一)研究内容
设计内容：1掌握常用温度传感器的工作原理和温度的数字测量原理  2、掌握单片A/D转换器CC7107的工作原理  3、熟悉CC7107的使用方法  4、综合设计指标选择合适的温度传感器和A/D转换器CC7107设计和制作数字温度测量电路

设计指标：1、温度的测量范围：0-200℃  2、测量精度要求为0.1℃  3、数字的显示位数为3 1/2位

 设计思路：
　平时多数的数字温度计采用温度敏感元件也就是温度传感器（如铂电阻，热电偶，半导体，热敏电阻等），将温度的变化转换成电信号的变化，如电压和电流的变化，温度变化和电信号的变化有一定的关系，如线性关系，一定的曲线关系等，这个电信号可以使用模数转换的电路即A/D将模拟信号转换为数字信号，数字信号再送给处理单元，如单片机或者PC机等，处理单元经过内部的软件计算将这个数字信号和温度联系起来，成为可以显示出来的温度数值，如25.0摄氏度，然后通过显示单元，如LED,LCD或者电脑屏幕等显示出来给人观察。这样就完成了数字温度计的基本测温功能。
 本人根据温度传感器及单片A/D转换器CC7107设计一种能显示四位数据的温度计。温度计的设计原理是：将随温度变化而变化的物理参数，如膨胀、电阻、电容、热电动势、磁性、频率、光学特性等通过温度传感器转变成电的或其他信号，传给处理电路，最后转换成温度数值显示出来。
 根据设计思路和电路组成部分将电路框图设计如下：
 
 其中图中第一部分是电源，输入的电压是+220V交流电，经过变压器降压达到合适的电压在经过桥式整理将电压输到运放器，同时将温度传感器的热敏电阻将温度信号转换为电信号，送入运放器
运放器使电压乘以一个比例系数,使一度的变化得到一个整数变化的电压值，再经集成块CC7107，将模拟信号转换为数字信号，再经三极管放大送到LED电路显示温度的确切数字.
 （二）研究方法
 1.首先查阅课题相关的资料，对资料进行整理和研究，结合实际需要提出设计方案。
 2.设计方案包括：
 (1)选择合适温度传感器和变换器CC7107的工作原理；
 (2) 掌握温度传感器、变换器CC7107的工作原理和LED译码电路；
 (3)按照要求画出电路图；
 (4)应用电子CAD软件制作电路图并仿真；
 (5)结合电路图，组合各部分制作成完整电路板；
 (6)验证设计的正确性进行调式（7）总结本次设计。
 四、课题研究进度安排
 2009年11月至2009年12月5日：查阅相关文献，并写出开题报告，进行开题答辩。
 2009年12月6日至2010年3月1日：熟悉常用温度传感器的工作原理、温度的数字测量原理和单片A/D转换器CCD7107的工作原理。
 2010年3月2日至2010年4月25日：根据设计要求，选择合适的温度传感器和A/D转换器CCD7107设计、制作和调试数字温度测量系统。
 2010年4月26日至2010年5月6日：完成文档设计的撰写。
 2010年5月7日至2010年5月15日：完成文档设计答辩工作。
 2010年5月16日：文档设计答辩。
 
  五、主要参考文献目录
 [1]黄贤武、郑筱霞.传感器原理及应用[M].成都:电子科技大学出版社,1999:101-106
 [2]丁慎训、张连芳.物理实验教程[M].北京:清华大学出版社.2002:170-172
 [3]阮亮、高红、长缨等用非平衡电桥设计和组装电子数字温度计[J].物理实验室.,2001,21(10):24-26
 [4]汪建军基于非平衡电桥的电阻数字温度计设计[J].浙江万里学院学报,2009,22(2):62-54
 [5]　阎石.数字电子技术基础（第三版）[M]. 北京：高等教育出版社，1989
 [6] 宋文绪、杨帆.传感器与检测技术[M].高等教育出版社,2004:
 [7]陈光明.电子技术课程设计与综合实训[M].北京航空航天大学出版社,2007
 [8]高吉祥.电子技术技术实验与课程设计[M].电子工业出版社,2002
 [9]高吉祥.基本技能训练与单元电路设计[M].电子工业出版社,2007
 [10].刘迎春、叶湘滨.现代新型传感器原理与应用[M].国防工业出版社,2004:185-207
 [11]李国洪、胡辉.电子CAD实用教程[M].机械工业出版社,2003
 [12]吴建设、余宏生.电子CAD技能实训[M].人民邮电出版社,2006
 [13]逻辑 。电子工艺实习教程[M]。重庆大学出版社，2007
 [14]段维莲、李敬伟.电子工艺训练教程.电子工艺出版社,2005
[15]　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[16]　李广弟.单片机基础［Ｍ］.北京：北京航空航天大学出版社，1994