Informe del proyecto de graduación sobre el sistema de visualización de medición de temperatura con sensor de temperatura digital
(El informe incluye importancia de la investigación, desarrollo nacional e internacional, contenido de la investigación, métodos de investigación, medios de investigación, pasos y referencias de la investigación, etc.).< /p >
1) Importancia investigadora del proyecto.
Con el rápido desarrollo de la tecnología de la información moderna y la realización gradual de la transformación industrial tradicional, se han aplicado en muchos campos sistemas de detección y visualización de temperatura que pueden funcionar de forma independiente, lo que hace que el control de temperatura se utilice ampliamente en la producción y la vida.
La temperatura es la cantidad física más utilizada en la vida diaria, la industria, la medicina, la protección del medio ambiente, la industria química, el petróleo y otros campos. El método básico para medir la temperatura es leer la temperatura directamente con un termómetro. Los instrumentos más utilizados para medir la temperatura son diversos termómetros, como los termómetros de mercurio en vidrio, los termómetros de alcohol, etc. A menudo representan la temperatura en forma de escala, y es necesario leer el valor de la escala para medir la temperatura. El termómetro electrónico inteligente compuesto por una microcomputadora de un solo chip y un sensor de temperatura puede medir directamente la temperatura y obtener el valor digital de la temperatura, lo cual es simple, conveniente, intuitivo y preciso. En comparación con los termómetros tradicionales, el termómetro digital presentado en este diseño tiene las ventajas de una lectura conveniente, un amplio rango de medición de temperatura y una medición precisa de la temperatura. Su temperatura de salida se muestra en números y se utiliza principalmente en lugares o laboratorios de investigación científica con medición precisa de la temperatura. . El controlador de diseño utiliza la microcomputadora de un solo chip AT89S51, el sensor de temperatura usa DS18B20 y la pantalla de cristal líquido LCD1602 puede cumplir con precisión los requisitos anteriores.
2) Desarrollo nacional y extranjero
El desarrollo actual de los termómetros es muy rápido, desde el termómetro de tubo de vidrio inicial hasta el termómetro de resistencia térmica actual, el termómetro de termopar, el termómetro digital, y termómetro electrónico, etc. Los principales instrumentos de temperatura, como termopares, resistencias térmicas, termómetros de radiación, etc., son técnicamente maduros, pero sólo pueden usarse en situaciones tradicionales y no pueden cumplir con los requisitos de una medición de temperatura simple, rápida y precisa, especialmente en alta tecnología. campos. Por lo tanto, expertos de varios países están compitiendo para desarrollar varios sensores de temperatura nuevos y tecnologías de medición de temperatura especiales y prácticas, como nuevos termómetros que utilizan fibra óptica, láser y sensores remotos o tecnología de almacenamiento, y ya se han puesto en práctica.
Desde 2008, el mercado de termómetros y termostatos digitales de mi país se ha desarrollado rápidamente y la producción de productos ha seguido expandiéndose. Las políticas industriales nacionales alientan a la industria de los termómetros y termostatos electrónicos a desarrollarse hacia productos de alta tecnología, y las empresas nacionales han aumentado gradualmente su inversión en nuevos proyectos de inversión. Los inversores están prestando cada vez más atención a la industria de termómetros y termostatos electrónicos, lo que ha aumentado la demanda de desarrollo para la industria de termómetros y termostatos electrónicos. Para superar las deficiencias de los métodos tradicionales, este artículo estudia un sistema de control de temperatura basado en una microcomputadora de un solo chip.
3) Contenidos y métodos de la investigación.
Uso de un sensor de temperatura digital como dispositivo de detección para la detección de temperatura de un solo punto. El valor de la temperatura se muestra directamente mediante el cristal líquido LCD1602 y se utiliza un sistema de microcomputadora de un solo chip como sistema de control y visualización del termómetro electrónico.
Este sistema considera los siguientes tres aspectos:
(1) El rango de temperatura de detección es de 0 ℃ ~ 100 ℃ y la resolución de detección es de 0,5 ℃.
(2) Utilice LCD1602 para mostrar el valor de temperatura.
(3) Cuando se excede el valor de alarma (personalizado), se debe generar un mensaje de alarma.
La función de detección de temperatura del DS18B20 se utiliza principalmente para detectar el valor de temperatura actual, que se muestra en la pantalla LCD. Cuando el valor de temperatura detectado excede el rango de temperatura establecido, se emitirá un recordatorio de alarma para lograr el propósito de una detección precisa.
El sistema consta principalmente de cuatro partes:
1) Módulo de detección de temperatura, que es la parte de recopilación de datos del sensor. Si se utiliza un termistor, puede cumplir con el rango de medición de 40. ℃ a 90 ℃, pero el termistor tiene poca precisión, repetibilidad y confiabilidad y no es adecuado para detectar señales a 1 °C, por lo que se puede usar el sensor de temperatura digital integrado inteligente DS18B20. DS18B20 es un sensor de temperatura digital de un solo cable producido por DALLAS Company y tiene un encapsulado de tamaño pequeño TO-92 de 3 pines. El rango de medición de temperatura es de -55 ℃ ~+125 ℃, la precisión de conversión A/D programable de 9 bits a 12 bits y la resolución de medición de temperatura puede alcanzar 0,0625 ℃. La temperatura medida se emite en serie en modo digital de 16 bits con signo extendido. Su potencia de trabajo puede introducirse de forma remota o generarse en forma de energía parásita; se pueden conectar múltiples DS18B20 a una línea, y la CPU solo necesita una línea de puerto para comunicarse con múltiples DS18B20, ocupando menos puertos en el microprocesador y ahorrando mucho tiempo. de cables y circuitos lógicos.
2) La parte de visualización de temperatura puede utilizar un tubo digital LED o una pantalla de cristal líquido LCD. Este módulo utiliza LCD1602.
3) Los módulos de ajuste de alarma superior e inferior configuran la temperatura de alarma a través de botones y utilizan un timbre para alarmar.
4) El módulo inteligente de la placa base del microcontrolador se refiere principalmente al microcontrolador, que completa principalmente la recepción y el procesamiento de las señales del sensor. En el diseño de este módulo, primero debemos seleccionar un microcontrolador. Teniendo en cuenta el rendimiento y el costo, elegimos AT89S52.
Todo el sistema funciona bajo el control de AT89S52. El proceso de trabajo es el siguiente: primero, el botón de temperatura establece los rangos de temperatura superior e inferior, luego el sensor de temperatura DS18B20 recopila la señal de temperatura actual, el microcontrolador recibe la señal y la muestra en el cristal líquido LCD1602 después del procesamiento. Si la temperatura medida excede el rango establecido, el timbre emitirá una señal de alarma.
En vista de esto, los objetivos de este proyecto de grado son:
(1) Diseñar la parte de detección de señal del termómetro electrónico.
(2) Diseño de la parte de procesamiento de señal del termómetro electrónico.
(3) Diseño del controlador principal del termómetro electrónico.
(4) La parte de visualización y la parte de alarma del termómetro electrónico están diseñadas.
(5)Escribir y depurar diseños de software relacionados.
(6) Construcción de plataforma experimental
(7) Depuración completa de la máquina
4) Tendencias de desarrollo futuro de sensores globales y cuatro áreas importantes (transferencia)
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En los últimos años, la investigación sobre nuevos principios, nuevos materiales y nuevas tecnologías en tecnología de sensores se ha vuelto más profunda y extensa, y constantemente surgen nuevas variedades, nuevas estructuras y nuevas aplicaciones. en,? ¿Cinco transformaciones? convertirse en una tendencia importante en su desarrollo.
Una es la inteligencia, y las dos trayectorias de desarrollo van de la mano. Una dirección es la integración de varias funciones de detección con procesamiento de datos, almacenamiento, comunicación bidireccional, etc. , puede realizar total o parcialmente la detección de señales, el procesamiento de transformación, el juicio lógico, el cálculo de funciones, la comunicación bidireccional, así como la autoprueba interna, la autocalibración, la autocompensación y el autodiagnóstico. Tiene las características de bajo costo, recopilación de información de alta precisión, almacenamiento y comunicación de datos, automatización de programación y diversificación funcional. Por ejemplo, el sensor inteligente de Linear Technology en Estados Unidos tiene un procesador de 32 bits basado en arquitectura ARM. Otra dirección es la tecnología de medición suave, es decir, la combinación de sensores inteligentes e inteligencia artificial. En la actualidad, han aparecido y se han aplicado en hogares inteligentes y otros aspectos varios sensores altamente inteligentes basados en tecnologías de inteligencia artificial, como el razonamiento difuso, las redes neuronales artificiales y los sistemas expertos. Por ejemplo, ¿NEC desarrolló un nuevo método para simplificar el monitoreo de una gran cantidad de sensores? ¿Técnicas de análisis invariante? , se ha puesto en funcionamiento este año como sistema de infraestructura.
El segundo es la movilidad, y la aplicación de la tecnología de redes de sensores inalámbricos se está acelerando. La clave de la tecnología de redes de sensores inalámbricos es superar las limitaciones de recursos de los nodos (suministro de energía, capacidades informáticas y de comunicación, espacio de almacenamiento, etc.) y cumplir con los requisitos de escalabilidad de la red de sensores y tolerancia a fallas. Esta tecnología ocupó el primer lugar entre las diez tecnologías emergentes que tendrán un profundo impacto en la vida humana en el futuro según la revista Technology Review del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT). En la actualidad, la investigación y el desarrollo se centran en el diseño de protocolos de enrutamiento, tecnología de posicionamiento, tecnología de sincronización horaria, tecnología de fusión de datos, tecnología de sistemas operativos integrados, tecnología de seguridad de red, tecnología de recolección de energía, etc. Hasta ahora, algunos países y ciudades desarrollados han aplicado tecnología en campos como hogares inteligentes, agricultura de precisión, monitoreo forestal, ejército, edificios inteligentes y transporte inteligente. Por ejemplo, el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos encargó a Voltree Power LLC, una empresa independiente del MIT, que instalara sensores de temperatura en zonas montañosas de California y otros lugares, y construyera una red de sensores para detectar incendios forestales y reducir las pérdidas por incendios.
El tercero es la miniaturización, y de repente ha surgido la investigación y el desarrollo de sensores MEMS. Con la madurez de la tecnología de procesamiento microelectromecánico integrado, los sensores MEMS han introducido tecnologías de procesamiento de semiconductores (como oxidación, fotolitografía, difusión, deposición y grabado) en la producción y fabricación de sensores, logrando una producción a gran escala y brindando oportunidades para la miniaturización. Desarrollo de sensores. Importante soporte técnico. En los últimos años, Japón, Estados Unidos, la Unión Europea y otros países han logrado grandes avances en dispositivos semiconductores, microsistemas y microestructuras, medición de velocidad, métodos/equipos de procesamiento de microsistemas, micrófonos/altavoces, nivelación/alcance/giroscopios, tecnología de fabricación de placas de fotolitografía. y propiedades de los materiales. Se han logrado avances importantes en los campos técnicos de medición/análisis. En la actualidad, la investigación y el desarrollo de la tecnología de sensores MEMS se centran principalmente en las siguientes direcciones: (1) miniaturización y reducción del consumo de energía; (2) mejora de la precisión (3) realización de la integración e inteligencia de los sensores MEMS; Óptica, nuevos sensores de integración cruzada en biología y otros campos técnicos, como sensores MOMES (combinados con microóptica), sensores bioquímicos (combinados con biotecnología y electroquímica) y nanosensores (combinados con nanotecnología).
En cuarto lugar, los sensores integrados y multifuncionales han recibido amplia atención. La integración de sensores incluye dos tipos: uno es la integración de múltiples sensores del mismo tipo, es decir, múltiples elementos sensores con las mismas funciones se organizan en el mismo plano mediante tecnología de integración para formar un sensor lineal (como un sensor de imagen CCD). . La otra es la integración multifuncional, por ejemplo, crear varios elementos sensibles diferentes en el mismo chip de silicio para crear un sensor multifuncional integrado con alta integración, tamaño pequeño y fácil compensación y corrección. Es la dirección principal de la corriente. Desarrollo de la integración de sensores. Ruyifa Semiconductor propone utilizar un módulo que combine múltiples sensores como centro de sensores para mejorar las funciones del producto. Toshiba desarrolló un sensor combinado de nivel de oblea y lanzó en marzo de este año un módulo de sensor que puede detectar simultáneamente cuatro signos vitales, como pulso, ECG, temperatura corporal y actividad física, y enviar los datos de forma inalámbrica a un teléfono inteligente o tableta. ¿Sirmi? .
En quinto lugar, la diversificación y los avances en la tecnología de nuevos materiales han acelerado la aparición de varios sensores nuevos. Los nuevos materiales sensibles son la base técnica de los sensores, y la investigación y el desarrollo de tecnología de materiales es un medio importante para mejorar el rendimiento, reducir costos y mejorar la tecnología. Además de los materiales semiconductores tradicionales, fibras ópticas, etc. , Los materiales orgánicos sensibles, los materiales cerámicos, los superconductores, los nanomateriales y los materiales biológicos se han convertido en puntos críticos de investigación y desarrollo, y están surgiendo a un ritmo acelerado nuevos sensores como biosensores, sensores de fibra óptica, sensores de gas y sensores digitales.
Por ejemplo, los sensores de fibra óptica son sensores que utilizan la función sensible de la propia fibra óptica o transmiten ondas de luz a través de la fibra óptica. Tienen las características de alta sensibilidad, fuerte capacidad de interferencia antielectromagnética, resistencia a la corrosión, buen aislamiento y tamaño pequeño. y bajo consumo de energía. Los sensores de fibra óptica utilizados actualmente pueden medir más de 70 cantidades físicas y tienen amplias perspectivas de desarrollo. El sensor de gas puede convertir la concentración de gas medida en una potencia de salida relacionada con ella. Tiene las características de buena estabilidad, buena repetibilidad, buenas características dinámicas, velocidad de respuesta rápida y fácil uso y mantenimiento. , y es ampliamente utilizado. Según BCC Research, se espera que los biosensores y los sensores químicos sean los campos de sensores de más rápido crecimiento. Se espera que la tasa de crecimiento anual compuesta de 2014 a 2019 alcance el 9,7%.
Cuatro áreas que merecen atención en el futuro
Con avances en tecnologías de vanguardia en ciencia de materiales, nanotecnología, microelectrónica y otros campos y las necesidades del desarrollo económico y social, estas cuatro Estas áreas pueden convertirse en el foco del desarrollo futuro de la tecnología de sensores.
La primera son las aplicaciones wearables. Según las previsiones de la empresa estadounidense de investigación ABI, el número de sensores portátiles alcanzará los 65.438+6 mil millones en 2065.438+07. Los dispositivos portátiles representados por Google Glass son la innovación de hardware de la que más se habla. Google Glass tiene más de 10 sensores, incluidos sensores giroscópicos, sensores de aceleración, sensores magnéticos, sensores de aceleración lineal, etc. , realizando algunas funciones que los terminales tradicionales no pueden lograr, como que los usuarios solo necesitan parpadear para tomar fotografías. En la actualidad, los campos de aplicación de los dispositivos portátiles se están expandiendo desde relojes, gafas y zapatos externos a campos más amplios, como las pieles electrónicas. Recientemente, la Universidad de Tokio desarrolló un sensor portátil flexible que se puede adherir a la piel. El sensor tiene forma de película, con un peso por unidad de superficie de sólo 3 g/m2, aproximadamente 1/27 del papel normal y un espesor de sólo 2 micras.
El segundo es la conducción sin conductor. IHS señaló que la aplicación de tecnología de sensores para promover el desarrollo de la conducción autónoma está acelerando los avances. En este ámbito, el desarrollo del proyecto de coche autónomo de Google ha logrado resultados importantes. A través de las cámaras, sensores de radar y telémetros láser instalados en el automóvil, se genera información del tráfico en tiempo real alrededor del automóvil a intervalos de 20 veces por segundo, y se utiliza software de inteligencia artificial para analizar y predecir la tendencia futura de las condiciones relevantes de la carretera. y se combina con Google Maps para la navegación por carretera. Los coches autónomos de Google ya se han ganado el derecho a circular por las carreteras de Nevada, Florida y California. Gigantes automovilísticos mundiales como Audi, Mercedes-Benz, BMW y Ford han comenzado a desarrollar tecnología de conducción autónoma y algunos modelos están cerca de la producción en masa.
El tercero es el seguimiento médico y de salud. Muchas instituciones de investigación médica nacionales y extranjeras, incluidos gigantes médicos de renombre internacional, han logrado importantes avances en la aplicación de la tecnología de sensores en el campo médico. Por ejemplo, Roma está desarrollando actualmente un sensor de imagen que utiliza luz infrarroja cercana (NIR). El principio es que después de que un LED irradia luz infrarroja cercana, la luz reflejada es fotografiada por un elemento de cámara especial. La imagen se obtiene cambiando la longitud de onda de la luz infrarroja cercana, y luego se presentan más los vasos sanguíneos y similares. vívidamente a través del procesamiento de imágenes. Algunas instituciones de investigación están avanzando en la creación de sensores a partir de materiales que pueden incrustarse o tragarse en el cuerpo. Por ejemplo, Georgia Tech está desarrollando un sensor integrado en el cuerpo con un sensor de presión y un circuito de comunicación inalámbrica. El dispositivo está compuesto de un metal conductor y una película aislante. Puede detectar cambios de presión basándose en los cambios de frecuencia del * * * circuito de vibración constituido y se disolverá en los fluidos corporales después de funcionar.
El cuarto es el control industrial. En 2012, GE propuso en el informe "Internet industrial: Rompiendo el límite entre inteligencia y máquinas" que conectar humanos y máquinas a través de sensores inteligentes, combinados con software y análisis de big data, puede superar las limitaciones de la física y la ciencia de los materiales y cambiar la forma en que opera el mundo. El informe también señaló que al implementar Internet industrial en los Estados Unidos, todas las industrias pueden lograr una mejora de eficiencia del 1%, y la industria energética ahorrará el 1% de combustible (aproximadamente 66 mil millones de dólares) en 2015. En junio de 2013, GE instaló más de 10.000 sensores en un fabricante de baterías en Nueva York para monitorear la temperatura, el consumo de energía, la presión del aire y otros datos durante el proceso de producción. Los gerentes de fábrica pueden obtener estos datos a través de iPads para supervisar la producción.
Además, empresas multinacionales como la holandesa Shell y Fuji Electric también están tomando medidas en este campo.
Tendencias importantes en el desarrollo de la industrialización de sensores
En los últimos años, con la continua profundización de la investigación y el desarrollo tecnológico, la reducción de costes, la mejora del rendimiento y la fiabilidad, y la Internet de las cosas, Internet móvil y Con el rápido desarrollo de la fabricación de equipos de alta gama, el mercado de aplicaciones típicas de sensores se está desarrollando rápidamente. Según un análisis de BCC Research, se espera que el mercado mundial de sensores alcance los 79.500 millones de dólares en 2014 y los 6.100 millones de dólares en 2011, con una tasa de crecimiento anual compuesta del 7,9%.
La región de Asia-Pacífico se convertirá en el mercado con mayor potencial. En la actualidad, Estados Unidos, Japón y los países europeos cuentan con tecnología de sensores avanzada e industrias upstream y downstream maduras, y son los principales fabricantes y los mayores mercados de aplicaciones de productos de sensores de alta gama. Al mismo tiempo, la región de Asia-Pacífico se ha convertido en el mercado con mayor potencial en el futuro. Interroll Consulting señaló que la cuota de mercado de la región Asia-Pacífico seguirá creciendo en los próximos años y se espera que aumente hasta el 38,1% en 2016, mientras que la cuota de mercado de América del Norte y Europa Occidental disminuirá ligeramente.
El transporte, la información y las comunicaciones se han convertido en las áreas del mercado de mayor crecimiento.
Según las previsiones de Interroll Consulting, el mercado mundial de sensores para automóviles alcanzará los 4.197 millones de euros en 2016, lo que representa el 22,8% del mercado mundial. La industria de la información y las comunicaciones alcanzará los 42.160 millones de euros en 2016, representando el 22,9% del mercado mundial, y puede convertirse en el mayor mercado de aplicaciones individuales. Las aplicaciones innovadoras en atención médica, monitoreo ambiental, oleoductos y gasoductos, redes inteligentes y otros campos se convertirán en nuevos puntos calientes y se espera que creen más demanda en el mercado en el futuro.
Las fusiones y adquisiciones son cada vez más activas. Las grandes empresas de sensores en los Estados Unidos, Alemania, Japón y otros países tienen una sólida base de investigación y desarrollo tecnológico. Cada empresa ha formado sus propias ventajas técnicas y el patrón general de competencia en el mercado se ha establecido inicialmente (tabla adjunta). Cabe señalar que las grandes empresas controlan las normas técnicas y las patentes mediante fusiones y adquisiciones. ¿Alto, elegante, elegante? Los sensores y los nuevos sensores van formando poco a poco un monopolio en el mercado. Bajo la presión competitiva de las grandes empresas, ¿están cambiando las pequeñas y medianas empresas? ¿Pequeño (mediano) pero fino, pequeño y especializado? Dirección de desarrollo, desarrollo de tecnologías propias y posicionamiento de productos en segmentos de mercado específicos. Según las estadísticas, entre julio de 2010 y septiembre de 2011, se produjeron más de 20 transacciones de fusiones y adquisiciones a gran escala en la industria de los sensores. Por ejemplo, la firma estadounidense de capital privado Veritas Capital III adquirió el negocio de soluciones de iluminación y detección (IDS) de Perkin Elmer por 500 millones de dólares en efectivo. La británica Spike adquirió el negocio de fabricación de equipos de medición y temperatura de la estadounidense Omega Engineering Company por 475 millones de dólares. Actualmente, se están produciendo cada vez más transacciones de fusiones y adquisiciones en países de mercados emergentes.
5) Referencias
[1], Yao. Tutorial de diseño y simulación de circuitos Protel 99 SE. Beijing: Machinery Industry Press, 2005.
[2]Qiang Fu. Sensor[M]. Prensa de la industria de maquinaria de Beijing 2004
[3] Kang·. Simulación básica de tecnología electrónica. Beijing: Prensa de Educación Superior, 1998.
[4]Kang·. La parte digital básica de la tecnología electrónica. Beijing: Prensa de Educación Superior, 1998.
[5]Liu Shouyi. Tecnología de aplicación de microcontroladores[M]. Xi'an: Prensa de la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de Xi'an, 2002.
[6]Li Guangdi. Conceptos básicos del microcontrolador. Prensa de la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Beijing, 1994
[7] Sun Huanming Explicación detallada de 51 ejemplos de aplicaciones de programas en lenguaje C de microcontroladores. Beijing: Beihang University Press, 2011
Tema de diseño
Resumen: (El contenido es Song Zi No. 4)
Con el desarrollo de la tecnología de la información moderna Con el El rápido desarrollo y la realización gradual de la transformación industrial tradicional, los sistemas automáticos de detección y visualización de temperatura se han utilizado ampliamente en muchos campos. La gente tiene cada vez mayores exigencias en cuanto a precisión, comodidad y rapidez en la detección de la temperatura. Sin embargo, los sensores de temperatura tradicionales ya no pueden satisfacer las necesidades de las personas y son reemplazados gradualmente por nuevos sensores de temperatura.
Este artículo diseña y produce un termómetro sencillo. Este diseño utiliza un microcontrolador AT89S52 y un sensor de temperatura DS18B20 para formar un sistema automático de medición y control de temperatura. El valor de la temperatura se puede configurar de forma arbitraria y controlarse automáticamente según las necesidades reales. Este diseño utiliza el microcontrolador AT89S52 como dispositivo de control principal y DS18B20 como sensor de temperatura. Transmite datos a través del puerto serie del tubo digital LCD para realizar la visualización de la temperatura. A través de DS18B20, el valor de temperatura medido se puede leer directamente y convertir los datos, y también se pueden configurar los límites de temperatura superior e inferior para configurar la temperatura de alarma. Y cuando se alcanza la temperatura de alarma, el sistema emitirá una alarma automáticamente.
Este artículo analiza y explica el diseño desde los aspectos del circuito de medición de temperatura, circuito de control principal y circuito de alarma. El dispositivo puede transmitir señales digitales directamente al microcontrolador para facilitar el procesamiento y control por parte del microcontrolador. Además, el termómetro también puede medir la temperatura directamente mediante un dispositivo de medición de temperatura. Esto simplifica la transferencia y el procesamiento de datos. Las ventajas de este diseño se reflejan principalmente en su gran operatividad, base estructural simple y gran espacio de expansión.
Palabras clave: microcontrolador; sensor de temperatura; alarma;