设计二数字仪表的制作.pdf

设计二数字式温度计的设计一、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DS18B20 Keil c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TEKTRONIX TDS1002 60MHZ 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对于工业过程检测用数字式显示仪表，往往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 1.热电偶热电偶的工作原理是基于热电效应，将被测温度的大小转变为热电势的大小，热电偶主要是测高温度源热电阻是将被测温度转换成电阻变化的传感器，敏感元件是金属热敏电阻。

利用 K 型和 E 型热电偶作为测温敏感元件，将感测到的热电势经过信号转换、放大，标度转换、线性化处理等数字化显示出来，构成基于热电偶的数字温度测试仪1823 年塞贝克（ Seebeck）发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中就要产生热电势，称为塞贝克电势这个物理现象称为热电效应如图 1：两种不同材料的导体A和 B，两端联接在一起，一端温度为T0，另一端为T（设 T T0 ） ，这时在这个回路中将产生一个与温度T，T0以及导体材料性质有关的电势EAB （T，T0） ，显然可以利用这个热电效应来测量温度在测量技术中， 把由两种不同材料构成的上述热电交换元件称为热电偶，称A，B 导体为热电极两个接点，一个为热端（T） ，又称工作端，另一个为冷端（ T0） ，又称为自由端或参考端热电势 EAB （T，T0）的产生，是由两种效应引起的：2．智能温度传感器智能温度传感器采用了数字化技术，能以数字形式输出被测温度值其测温误差小、分辨力高、抗干扰 能力强、能远程传输数据、用户可设定温度上、下限、具有越限自动报警功能并且带串行总线接口，适配各 种微控制器 按照串行总线来划分，有单线总线 （1-wire ） 、二线总线 （含 SMBus、I2C 总线） 和三线总线 （含SPI 总线）几种类型。

典型产品有DS18B20(单线总线 ) DS18B20是 Dallas公司推出的单数字式测温芯片，它能在现场总线采集温度数据，并将温度数据直接换 成数字量输出DS18B20的内部结构如图2 所示 DS18B20只有 3个引脚，说明如下：DQ －数据输入输出漏极开路1 线接口也在寄生电源模式给设备提供电源DDV－可选的电源电压脚DDV在寄生电源模式时必须接地GND －地DS18B20是在 DS1820基础上生产的单线式数字温度传感器，其特点是： 可将被测温度直接转换成计算机 能识别的 9到12位二进制数字信号输出；准确度高；信息传送只需一根信号线DS18B20测温范围为 -55~125℃，准确度为2℃，而在 -10~85℃范围内，其准确度为±0.5℃它既可用于 单点测温，又可用于多点测温，由于其输出是数字信号，且是TTL 电平，因此，使用非常方便DS18B20输 出的二进制数从最低开始起有效，其中最高位为符号位，即“0”为正温度，“1”为负温度，其余位数表示被测温度A T T0图 1 热电偶B 图 2 DS18B20结构图DS18B20的读写 访问 DS18B20的顺序如下： 初始化；ROM 命令（接着是任何需要的数据交换）； DS18B20函数命令（接着是任何需要的数据交换）。

每一次访问DS18B20时必需遵循这一顺序，如果其中的任何一步缺少或打乱它们的顺序， DS18B20将不会响应 初始化时序： 所有与DS18B20的通信首先必须初始化：控制器发出复位脉冲，DS18B20以存在脉冲响应当DS18B20发出存在脉冲对复位响应时，它指示控制器该DS18B20已经在总线上并准备好操作 读/ 写时序：控制器在写时序写数据到DS18B20 ，在读时序从DS18B20中读数据每一总线时序传送1 位数据 读/ 写时序图见图2-2 3. 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融合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 理结果图 3 读/ 写时序图基于知识的专家系统检测、分类和识别算法基于特征 推理技术基于知识的模型基于物理的模型仿真最大似然估计 卡尔曼滤波最小方差句法图像代数贝叶斯方法基于参数的方法古典概率推理D-S 理论广义证据处理聚类算法基于信息论的方法人工神经网络表决方法熵量测逻辑模板模糊集理论品质因数模式识别相关量测图 4 检测、分类和识别算法的分类DS18B20·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；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=394 A/D 转换器输出的BCD 码是 0011 1001 0100 ，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=450 A/D 转换器输出的BCD 码是 0100 0101 0000，直接用BCD 码去寻址，然后EEPROM将该单元的BCD 码输出到相应。