1、毕业设计文献综述 电子信息工程 多路温度检测电路的设计 摘要： 温度是半导体工业生产制造中常见的和最基本的工艺参数之一 , 任何物理变化和化学变化的过程都与温度密切相关 , 因此 , 在半导体生产过程中常需对温度进行检测和监控 1。 采用微型机进行温度检测、数字显示、信息存储及实时控制 , 对于提高生产效率和产品质量、节约能源和人力资源利用等具有重要作用 。 研制采用 AT89C51 单片机为主控芯片的多路温度检测自动控制系统 5。 关键词： 温度检测，单片机， AT89C51 一、温度检测的发展过程： 最早的温度测量仪表 ，是意大利人伽利略于 1592 年创造的。它是一个带细长颈的大玻璃泡，
2、倒置在一个盛有葡萄酒的容器中，从其中抽出一部分空气，酒面就上升到细颈内 9。当外界温度改变时，细颈内的酒面因玻璃泡内的空气热胀冷缩而随之升降，因而酒面的高低就可以表示温度的高低，实际上这是一个没有刻度的指示器 1。 1709 年，德国的华伦海特于荷兰首次创立温标，随后他又经过多年的分度研究，到 1714 年制成了以水的冰点为 32 度、沸点为 212 度、中间分为 180 度的水银温度计，即至今仍沿用的华氏温度计 9。 1742 年，瑞典的摄尔西乌斯制成另 一种水银温度计，它以水的冰点为 0 度、沸点作为 100 度 6。到 1745 年，瑞典的林奈将这两个固定点颠倒过来，这种温度计就是至今仍
3、沿用的摄氏温度计 9。 早在 1735 年，就有人尝试利用金属棒受热膨胀的原理，制造温度计，到 18世纪末，出现了双金属温度计； 1802 年，查理斯定律确立之后，气体温度计也随之得到改进和发展，其精确度和测温范围都超过了水银温度计 4。 1821 年，德国的塞贝克发现热电效应；同年，英国的戴维发现金属电阻随温度变化的规律，这以后就出现了热电偶温度计和热电阻温度计。 1876 年，德国的西门子 制造出第一支铂电阻温度计 9。 辐射温度计和光学高温计是 20 世纪初，维思定律和普朗克定律出现以后，才真正得到实用。从 60 年代开始，由于红外技术和电子技术的发展，出现了利用各种新型光敏或热敏检测元
4、件的辐射温度计 (包括红外辐射温度计 )，从而扩大了它的应用领域 2。 国际现代通用的温标是 1967 年第 13 次国际权度大会通过的 ， 1968 年国际实用温标。它以 13 个纯物质的相变点，如氢三相点，即氢的固、液、气三态共存点(-259 34 )；水三相点 (0.01 )和金凝固点 (1064.43 )等，作为定义固定点来复现热力学温度的 3。 温度在 -259.34 630.74 之间 ，用基准铂电阻；在 630.74 1064.43 之间，用基准铂铑 -铂热电偶；在 1064.43 以上用普朗克公式实现 3。 一般的温度测量仪表都有检测和显示两个部分。在简单的温度测量仪表中，这两
5、部分是连成一体的，如水银温度计；在较复杂的仪表中则分成两个独立的部分，中间用导线联接，如热电偶或热电阻是检测部分，而与之相配的指示和记录仪表是显示部分 2。 测温方法可为接触式与非接触式两大类。用接触式方法测温时，感温元件需要与被测介质直接接触，液体膨 胀式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计等均属于此类。当用光学高温计、辐射高温汁、 红外测温仪 探测器测温时，感温元件不必与被测介质相接触，故称为非接触式测温方法。接触式测温简单、可靠、测量精度高，但由于达到热平衡需要 定时间，因而会产生测温的滞后现象 1。此外，感温元件往往会破坏被测对象的温度场，并有可能受到被测介质的腐蚀 。非接触式测温是通过
6、热辐射来测量温度的，感温速度一般比较快，多用于测量高温， 但由于受物体的发射率、热辐射传递空间的距离、烟尘和水蒸气的影响，故测量误差较大 9。 常用的测温仪表主要有：一、膨胀式温度计 利用测温物质的体积 (或长度 )随温度发生变化的性质制作的温度测量仪表称为膨胀式温度计。分两类：玻璃管式温度计及双金属温度计 4。 l、玻璃管式温度计 水银玻璃管温度计是热工过程中使用最为广泛的一种液体膨胀式温度计。优点：结构简单、使用方便、准确度高，价格便宜；缺点：易损坏，读数较难且易产生误差，测量结果不能 远距离传送和自动记录且有较大的热惯性。 水银玻璃管温度计按其结构可分为三种基本类型，即棒式、内标式和外标
7、式。 热工测量用的水银温度汁按其测量精度可分成三种，即工业用的、实验室用的和标准温度计。在热工实验中，还常常用到一种特殊的玻璃管温度汁，称为电接触式水银温度计。 2、双金属温度计 利用两种膨胀系数非常不同的弹性金属薄片组合在一起，可构成另 类膨胀式温度计 双金属温度计。这类温度计经常用于环境温度的自动测量和控制，测温范围为 -80 600 。它的测量误差较大，通常不作为精密测量用 . 二、压力表式温度计 压力 表式温度计是根据在封闭容器中液体、气体或蒸汽受热后压力变化的原理而进行测温的 .由于压力的变化用压力表测出，所以称为压力表式温度计 : 根据压力的变化再推算出温度 .常用的压力表式温度计
8、有气体温度计和蒸汽温度计两类。 三、电阻温度计 利用金属和半导体的电阻随温度的变化也可以用来测量温度。其特点是准确度高，在低温下 (500 )测量时，它的输出讯号比热电偶要大得多、灵敏度高 5。电阻温度计输出是电信号，因此便了于远距离传送和实现多点切换测量 电阻温度汁是电热电阻。显示仪表和连接导线所组成：热电阻由电阻体、绝缘管和保 护套等主要部件所组成 .热电阻是测温的敏感元件，它可由导体或半导体制成，大多数金属导体当温度升高时，其电阻值增大；而半导体的电阻值则要减小。 使用电阻温度计测量温度时，其测量误差的主要来源是： (1)电阻自热效应引起的误差； (2)引线误差； (3)安装误差。 四、
9、热电偶温度计 热电偶温度计价格便宜。制作容易。结构简单。测温范围广 (14K 1300 )，准确度高， 而且可以把温度信号转变成电讯号进行远距离传送，所以应用很广泛。 其工作原理基于金属和合金的下列性质，当在两种不同种类的导线的接头 (接点 )上加热时， 会产生温差热电势。 这两种不同种类的导线连接起来就成为热电偶 8。 随着电子器件的不断发展，便携式数字温度计已逐渐得到应用。它配有各种样式的热电偶和热电阻探头，使用比较方便灵活。便携式红外辐射温度计的发展也很迅速，装有微处理器的便携式红外辐射温度计具有存贮计算功能，能显示一个被测表面的多处温度 ，或一个点温度的多次测量的平均温度、最高温度和最
10、低温度等 4。 二、温度检测的方法和技术： 1.目前红外线检测技术是国际上比较常用的温度检测方法，红外测温仪一般用于探测目标的红外辐射和测定其辐射强度，确定目标的温 度。它采用滤光片可分离出所需波段，因而该仪器能工作在任意红外波段 6。 在光谱中波长自 0.76 至400 微米的一段称为红外线，红外线是不 可见光 线。所有高于绝对零度（ -273.15 ）的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。医用红外线可分为两类：近红外线与远红外线 7。 2.单片机温度检测技术，采用单片机对温度传感器进行控制，实现数据采集，可以降低温度检测失真， DS18B20 温度传感器共有 9 个字节的内部暂存
11、存储器， 3个字节的非易失性 EEPROM 和每片出厂时已写入的唯一 64 位 ROM 编码 6。 单片微 型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（ Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写 MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有 CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。 INTEL的 Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳 2。 早期的单片机都是 8位或 4位的。其中最成功的是
12、INTEL的 8031，因为简单可靠而 性能不错获得了很大的好评。此后在 8031上发展出了 MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用 3。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了 16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。 90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着 INTEL i960系列特别是后来的 ARM系列的广泛应用， 32位单片机迅速取代 16位单片机的高端地位，并且进入主流市场 2。而传统的 8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起 80年代提高了数百倍。目前，高端的 32位单片机主 频已经超过 300MHz，性
13、能直追 90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至 1美元，最高端的型号也只有 10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上 3。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的 Windows和 Linux操作系统 5。 单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机 4。手机 、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有 1-2部单片机。而个人电脑中也会有为
14、数不少的单片机在工作。汽车上一般配备 40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过 PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多 4。 单片机又称单片微控制器 ,它不是完成某一个逻辑功能的芯片 ,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了 I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜 、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择 7。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如 CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存
15、储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过 10元即可 ,用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、 VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！它主要是作为控制部分的核心部件。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗 干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用 PC）的主要区别 6。单片机是靠程序运行的，并且可以修改 8。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能
16、要是用美国 50年代开发的 74系列，或者 60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大 PCB板！但是如果要是用美国 70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可 靠性 7！ 由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的 CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也
17、会达到几十 K的尺寸！对于家用 PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。 单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理 ，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用 PC上来运行，家用 PC的也是承受不了的 3。 AT89C51是美国 ATMEL公司生产的低电压，高性能 CMOS8位单片机，片内含 4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（ PEROM）和 128 bytes的随机存取数据存储器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51指令系统，片内置通用 8位中央处理器（ CPU
18、）和 Flash存储单元，功能强大 AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域 5。 AT89C51 提供以下标准功能： 4k 字节 Flash 闪速存储器， 128字节内部 RAM，32 个 I O 口线，两个 16位定时计数器，一个 5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时， AT89C51可降至 0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU的工作，但允许 RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位 5
19、。 当今时代，科学技术发展迅速，温度检测的 手段也层出不穷，采用 AT89C51 单片机为主控芯片的多路温度检测自动控制系统，方便有效，成为一种主流技术 6。 【 参 考 文 献 】 1 张国雄 .测控电路 M.机械工业出版社， 2004 2 何立民 .单片机应用系统 M.北京航空航天出版社 ,2004 3 胡汉才 .单片机原理及接口技术 M.清华大学出版社， 2008 4 穆兰 .单片微型计算机原理及接口技术 M.机械工业出版社， 1996 5 杨丽君 AT89C51单片机控制的多路温度检测系统 J.计算机应用， 2000. 6 张开生 ,郭国法 .MCS-51单片机温度控制系统的设计 M.机械工业出版社，1991 7 瞿星志 .单片微型计算机技术 M.湖南大学出版社 ,1995 8 日 松井邦彦，传感器实用电路设计与制作，科学出版社， 2005 9 王晓兰等 .多路温度测量中热电阻的非线性机引线电阻的补偿方法，测控技术，2002.
