设计三数字式温度计的设计与制作

1设计三数字式温度计的设计与制作一、目的和要求1.目的（1）通过本次综合设计，进一步了解智能传感与检测技术的基本原理、智能检测系统的建立和智能检测系统的设计过程。（2）学生设计制作出数字式温度计，提高学生有关工程系统的程序设计能力，。（3）进一步熟悉掌握单片机技术、c语言、汇编语言等以及在智能检测设计中的应用。2.要求（1）充分理解设计内容，并独立完成综合设计报告。（2）综合设计报告要求：综合设计题目，综合设计具体内容及实现功能，结果分析、收获或不足，程序清单，参考资料。二、实验设备及条件热电偶Easypro编程软件热电偶或智能传感器DS18B20Keilc安装盘PC机、剥线钳、面包板、镊子、导线、电源、示波器、万用表、频率计单片机及其外围电路所需元器件烙铁、焊接板等焊接工具万用表电源TEKTRONIXTDS100260MHZ示波器三、实验原理、内容本实验培养学生了解便携式数字仪表的制作，数字式显示仪表是一种以十进制数形式显示被测量值的仪表，与模拟式的显示仪表相比较，数字显示仪表具有读数直观方便，无读数误差准确度高，响应速度快，易于和计算机联机进行数据处理等优点。数字式显示仪表的基本构成方式如下，图中各基本单元可以根据需要进行组合，以构成不同用途的数字式显示仪表。将其中一个或几个电路制成专用功能模块电路，若干个模块组装起来，即可以制成一台完整的数字式显示仪表。其核心部件是模拟/数字转换器，可以将输入的模拟信号转换成数字信号，以A/D转换器为中心，可将显示仪表内部分为模拟和数字两大部分。仪表的模拟部分一般设有信号转换和放大电路，模拟切换开关等环节。信号转换电路和放大电路的作用是将来自各种传感器或变换器的被测信号转换成一定范围内的电压值并放大到一定幅值，以供后续电路处理。仪表的数字部分一般由计数器，译码器，时钟脉冲发生器，驱动显示电路以逻辑控制电路等组成。经放大后的模拟信号由A/D转换器转换成相应的数字量后，译码，驱动，送到显示器件去进行数字显示。还设有标度变换和线性化电路。标度变换电路用于对信号进行量纲换算，将仪表显示的数字量和被测的物理量统一起来。而线性化电路的作用是为了克服某些传感器（如热电偶，热电阻等）的非线性特性，使显示仪表输出的数字量与被测参数间保持良好的线性关系。这两个环节的功能既可以在数字仪表的模拟部分实现，也可以在数字部分实现，还可以用软件来实现。数字温度测试仪有许多种，其温度信号的敏感元件也有许多种，如：半导体热敏电阻、金属热电阻、集成温度传感器、热电偶等。前几种热敏元件测温范围比较窄，一般在负几十度至正几百度左右，测温范围比较大的一般使用热电偶作为敏感元件，尤其是在高温测量的情况下，用热电偶作为敏感元件是一个比较理想的选择，目前市场上出售的热电偶最高温度可达2800C。这是使用热电偶测温的优点之一。使用热电偶测温2的另一个优点是，它可以直接将敏感到的温度信号转化成热电势，易于信号的获取和处理。基于实验室条件限制，数字仪表的传感器采用温度传感器，热电偶或智能传感器DS18B20，了解其工作原理及应用，包括其信号的获取和处理；采用微处理器技术设计和制作基于DS18B20的数字温度计用于巩固学生所学的智能传感器理论和方法；研究数据融合技术，包括基于知识型专家系统的原理，采用微处理器技术设计和制作智能体温计，应用于医院的发烧门诊，实现根据病人的当前体温特征快速诊断病人疾病和疾病的分类，同时巩固学生所学的智能传感器理论和方法，着重于培养智能检测系统的设计构想、实际方案和实验方法，培养和建立智能系统概念。热电偶和智能温度传感器见教材章节。数据融合及方法多传感器数据融合的原理是充分利用不同时间与空间的多个传感器资源，采用计算机技术对按时序获得的多传感器观测信息在一定准则下加以分析、综合、支配和使用，获得对被测对象的一致性解释和描述，以完成所需的决策和估计任务，使系统获得比它的各组成部分更优越的性能，可见从融合方式上，数据融合可以分为时间融合、空间融合，在本系统运用了空间和时间融合，即先在同一时间对各传感器的观测值进行融合，得出各个不同时间的目标位置估计，然后进行时间融合得出最终状态空间融合，包括采用参数估计理论；时间融合可采用模糊理论以及基于知识的专家系统。数据融合所用到的各种检测、分类与识别算法的分类情况如图3所示。主要分为基于物理模型的算法、基于特征推理技术的算法和基于知识的算法。在最近几年中，又发展了基于现代数学模型的数据融合方法，主要包括随机集合理论、条件代数、相关事件代数等。随机集合理论处理的随机变量为集合，而不是传统的随机变量。Goodman等人运用随机集合理论将多传感器多目标估计问题转换成单传感器单目标估计问题，还应用随机集合理论把模糊证据（例如用自然语言描述的报表和规则）引入到多传感器多目标估计问题中，同时还应用该理论把不同的专家系统模型（例如模糊逻辑和基于规则的推理逻辑）引入到多传感器多目标估计问题中。1.基于知识型专家系统的数据基于知识的系统是将规则或知名的专家知识结合起来实现自动对目标的识别。当人工推理由于某种原因不能进行时，专家系统可以运用专家的知识进行辅助推理。基于计算机的专家系统一般包括以下4个逻辑部分：①一个知识库，包括基本事实、算法和启发式规则等；②一个大型的包含动态数据的全局数据库；③一个控制结构或推理机制；④人机界面。由推理机制运用数据、事实和规则在知识库中进行搜索，最后得出推理结果。2.分布式自适应动态数据融合方法设被测对象由N个智能传感器组成的多传感器共同测量，各个智能传感器具有独立的测量、运算和存储能力，传感器向数据处理中心实时发送实测数据，系统融合的过程如下：（1）网络中N个智能传感器分别对目标进行测量，得到测量向量值；（2）系统数据处理中心得到N组测量值，根据外部定义的各传感器测量精度确定各结点测量数据范围；（3）根据所确定的各传感器测量数据范围，以“表决”方式判别是否存在故障传感器，如有则将该传感器对应得测量数据范围剔出；（4）由“表决”后处于正常工作状态的传感器测量数据范围推导包含正确测量值的最优范围；（5）由最优范围中选取本智能传感器的融合结果；（6）综合N个智能传感器的融合结果得出最终的融合结果。在以上测量中，系统测量数据范围的推导，首先根据各智能传感器的测量值及其测量误差推算测量数据范围，用户还可以根据环境因素的变化实时改变误差范围，以进一步满足动态测量的需求。系统数据处理中心根据接收到各智能传感器传递的测量数值并确定各数据范围后，将进一步推导包含正确测量值的最优范围，由此得出以下结论：正确测量值必然包含在各正常传感器的测量数据范围交集内；测量范围与大部分传感器不相交的传感器为故障传感器。求解包含正确测量值的最优范围步骤为：将N组数值范围以升序排列，依次将排序后各上界与当前上界比较，若该值大于当前上界，则当前上界不变；若该上界小于当前上界大于当前下界，则将该上界定义为当前上界；若该上界小于当前下界，则对应传感器为故障传感器。若故障传感器的数量超过传感器总数的一半，则原序列的第一组数值对应的传感器为故障传感器，将其剔出后再次重复以上过程直至故障传感器的数量低于传感器总数的一半。最后，用各纬度最优范围与各传感器测量范围交集的大小作为权重（交集越大则该传感器所测得数值的置信度越高），将加权平均值作为系统的融合结果，即3DS18B20·探测DS18B20探测DS18B20探测特征提取单片机目标状态测量目标属性测量∶∶显示电路显示实时温度值特殊状况处理如报警iniixanx11以上计算过程完成了智能传感器的局部融合结果。为了减少计算量，在保证融合精度的前提下，各智能传感器局部融合结果的算术平均值可作为最终融合结果。3.基于多点温度传感器的数据融合方案多点温度测量系统如图5所示，可采用一个、两个、三个等温度传感器测量被测对象的不同的温度采用点的当前温度值，该系统的工作原理是二、三个DS18B20分布在不同位置用来感受被测对象不同位置的温度，然后经单片机处理，主要是数据融合的方法对不同位置的传感器温度数据进行空间数据融合，获得有关温度的一致性测量结果，对这些测量结果在显示电路实时显示。四、实验步骤及方法1）基于E2ROM的数字温度仪表系统设计：基于热电偶的数字温度测试仪的设计方案如图6所示。图6数字温度仪的设计方案方框图数码输出数字显示时钟计数译码逻辑控制电路模拟开关A/D转换基准电源放大电路信号转换被测信号线性化电路及标度变换4系统的工作过程如下：当选用K型热电偶测温时，若被测温度经过热电偶和数字温度补偿器后的热电势为20.636mv，经过放大器的K型倍数放大后的A/D输入电压为0.394V，那么A/D转换器的输出读数为：N=Ux/UR*2000=0.394/2*2000=394A/D转换器输出的BCD码是001110010100，直接用BCD码去寻址，然后EEPROM将该单元的BCD码输出到相应的4511上，它将输入BCD码转换成七段输出，直接驱动共阴极型七段数码管，进行读数显示。当选用E型热电偶测温时，若被测温度经过热电偶和数字温度补偿器后的热电势为27.452mv，经过放大器的E型倍数放大后的A/D输入电压为0.450V，那么A/D转换器的输出读数为：N=Ux/UR*2000=0.450/2*2000=450A/D转换器输出的BCD码是010001010000，直接用BCD码去寻址，然后EEPROM将该单元的BCD码输出到相应的4511上，它将输入BCD码转换成七段输出，直接驱动共阴极型七段数码管，进行读数显示。可以用上述方法编制出K型和E型的分度表格，其它的测量参数表格的编制方法与这种表格方式类同。被测信号与信号转换：采用K型和E型两种热电偶采集温度信号，温度源使用烘箱。放大电路：采用ICL7650作为放大器，它具有极低的输入失调电压，温漂、时漂也较低。A/D转换器：采用MC14433作为A/D转换器，它的转换速度和转换精度非常适用于温度测量系统。线性补偿：利用查询EEPROM的非线性补偿方法，可以将非线性补偿和标度变换一起完成，简化电路设计。计数译码：整个系统的工作频率由A/D转换器时钟电路决定，在段码转换时采用了4511七段码转换芯片。数字显示与数码输出：最终的温度值显示使用LED数码管输出，也可以将其输入计算机中做进一步运算处理。硬件电路设计：本设计在全局上是采用集成电路芯片组建的模拟/数字混合电路系统，这些芯片都是市场上常见的芯片，而且价格适中，主要是根据实验要求进行选购，使用的集成电路芯片有：(1)热电偶：K型（镍铬-镍硅）和E型（镍铬-铜镍）两种型号热电偶(2)前置放大器：ICL7650CMOS斩波稳零单片集成运算放大器(3)A/D转换器：MC144333.5位双积分型A/D转换器(4)锁存器：74系列的74LS373(5)EEPROM线性化器：MC28C64(6)七段数码管转换器：BCD码到七段码转换器4511开发环境如下：(1)PC机一台(2)示波器一台(3)万用表一个(4)频率计一个(5)高精度电源一台(6)面包板一块(7)剥线钳，镊子各一个(8)导线，不同阻值电阻若干5热电偶微弱电压信号的提取与放大：热电偶输出的热电势信号，其大小只有毫伏级，不能做为后续电路的输入信号，必须进入前置放大器进行信号放大。因此选用ICL7650作为放大器，它具有极低的输入失调电压（典型值为1uV），失调电压的温漂和时漂也极低，分别为0.01V/C和3.33nV/d。也可选用OP-07超低失调运算放大器作为前置放大器，但是失调电压比ICL7650要大，因此，本方案采用ICL7650作为放大器。ICL7650的使用方法比较简单，它和其他的运算放大器的使用方法类似，为了更好得起到放大的作用，需要对该芯片有一个电容补偿元件，电容的型号为104即可，ICL7650的芯片资料如下面所示：Cextb：外接电容1Cexta：外接电容2-Input：反向输入端+Input：同向输入端V-：负电源端Cretn：外接电容的公共端Output：输出端V+：正电源端I