基于单片机的微型嵌入式温度测量仪的设计与实现分析

news2024/10/6 18:21:58

摘要：作为信息技术中重要的技术手段之一嵌入式单片机系统已经被应用到越来越多不同的行业领域中。如，各种手持监测设备、智能家电设备等。当前展开对单片机的微型嵌入式温度测量仪的设计和实现研究，从微型嵌入式单片机相关理论入手，分析温度测量仪的工作原理和设计方案，旨在能够为单片机嵌入式系统的优化运行提供参考和借鉴，还可以提高社会中温度测量仪相关应用领域的信息化、智能化发展。

关键词：嵌入式单片机；温度测量仪；设计与实现

0 引言

温度的测量和控制在现代社会各行业发展中都占据重要作用。传统的温度测量仪主要是采用物理理论，根据内置液态物质的热胀冷缩的性质，在仪器外部设置标度值来获得温度值。这种温度测量器的使用寿命不高，容易损坏且温度测量存在些许误差。而事实上，现代工业生产、农业生产等行业中，温度测量仪的作用都无可替代。因此开发出一款新的原理的温度测量仪至关重要。本文主要是基于微型嵌入式单片机的基本原理入手，探索出基于单片机的微型嵌入式温度测量仪的工作原理和设计方案，按照需求选用 STC89S50 单片机和红外辐射式测温传感器 TN901。

1 微型嵌入式单片机系统与温度测量仪分析

1.1 微型嵌入式单片机系统

单片机是一种微处理器，它能够将 CPU、ROM、 RAM、I/O等设备全部继承在一个单片机硅片上，而这个硅片能够应用在工业控制、仪表仪器等信息化领域中，发挥着计算机系统所应有的功能作用。如，微型嵌入式单片机系统能够实现对任务管理的调度和控制，完成多个传感器之间的通信和数据存储，还可以发布指令，确保系统各个模块能够完成操作需求。

1.2 温度测量仪的构成

温度测量仪主要是对设备等进行实时的温度变化的监测，同时显示出测量结果，为设备的正常运行提供支持。首先是精度模块，测量的精确度必须能够控制在 0.1℃左右；其次是显示模块，将所检测到的温度数值呈现出来；然后是报警功能模块设置，对于所监测的设备物体的是否发生温度异常进行警示。最后还有自我诊断功能，温度测量仪需要接入电源使用，因此还需要对于温度测量仪的电流大小等进行自我监测保护，避免出现短路现象引起温度测量仪使用寿命较短。

2 基于单片机的微型嵌入式温度测量仪的设计原理

在温度测量仪的整体设计开发过程中，按照温度测量仪的功能需求，循序渐进的展开系统的开发设计。本文所设计开发的是非接触式的温度测量仪器，其通过辐射测温原理，采用各种辐射传感器作为测量的设备元件，从而展开对大面积物体的温度测量。同时这种非接触式的温度测量仪还可以被固定使用。选择红外线测温原理来设计微型单片机温度测量仪，主要的原理在于，红外侧温是借助黑体辐射定律，不同温度下黑体光谱辐射度是不同的，温度升高，黑体辐射的曲线也会随之升高。因此借助能量密度谱系来实现对物体向外辐射的温度大小的测量。

3 基于单片机的微型嵌入式温度测量仪的设计方案

按照温度测量仪的功能需求，以及所选用的设计方案，系统实现的总体框架如下图 1 所示。

3.1 硬件设计

基于微型嵌入式单片机下的温度测量仪设计，其主要的硬件结构有电源模块、传感器模块、单片机控制模块以及液晶现实模块等。

（1）单片机控制系统。本文所采用的单片机型号为STC89C5 单片机控制系统，该系统模具有低能耗的优势，能够进行物体的温度采集和保存，还可以将红外测温相关公式导入进去，对于温度值展开计算和现实。这些都是在单片机控制系统的操作下完成的。

（2）传感器模块设计。传感器芯片的选择直接影响到其温度分辨率情况，影响到其温度监测的效率以及精确度等。本文所采用的传感器为 TN901 传感器，该芯片的测量阈值为“-10℃ -50℃”，响应时间在 1 秒之内。传感器模块的电路设计中，拥有 5 个引脚，完成电源接口、数据接口以及测试接口，确保传感器在工作中能够进行特定的波长接收。

（3）显示器模块设计。在温度测量仪设计中主要采用的液晶显示器模块，其能够清晰明了的显示出多样化的图片，且具有低能耗等优势。当前采用的是 QC1602 液晶模块，该模块能够显示的容量为 2 行 16 个字节，能够显示出基本的符号、数字、英文字母以及简单的图形。

3.2 软件设计

软件设计是确保单片机微型嵌入式温度测量仪实现的核心所在。本文所采用的系统软件是 c 语言，该软件具有较为丰富的库函数可以直接调用，具有较高的变成效率以及运算速度。同时 c 语言已经拥有较为成熟完善的模块化程序结构，在温度测量仪中应用该软件较为一定的安全保障。如，设计

A/D 转换程序是连接传感器和单片机的重要桥梁，该软件转换速度的效率、转换的准确性等都直接影响后期的温度数值的显示。在进行 A/D 转换程序中，需要通过多种电路接口，实现对温度信号的准确输入，还需要对进行对读 / 转换脉冲的输入，进行信号的输出转换等。

4 基于单片机的微型嵌入式温度测量仪的调试

4.1 温度测量仪的实现

基于嵌入式单片机系统的红外温度测量仪在应用中通常会被一些干扰信号所侵扰，从而呈现出温度动态变化的情形。对此要求能够采用一些措施，实现对温度测量干扰的控制。如，在单片机系统中的 A/D 转换芯片中，加入高频电容元件，由此降低外部组件对于温度测量仪的影响。

4.2 温度测量仪的调试

在温度测量仪的硬件电路和软件程序开发之后，需要对整个温度测量仪进行系统调试，确保该温度测量仪能够稳定的运行。对此需针对温度测量仪的不同功能模块，采用不同的调试工具，展开不同的调试活动。如，对于电源模块的调试，可以采用万用表进行温度测量仪的不同硬件电路的电路基本指标进行测试，由此判断温度测量仪的电路安全性。另外还可以采用单片机仿真系统，展开对温度测量仪中的软件功能的代码进行跟踪、调试以及校验，从而提高其软件正确性。具体调试流程如下图 2 所示。