多功能溫度檢測記錄儀的設(shè)計(jì)

摘要：文中針對普通物理實(shí)驗(yàn)中溫度測量的局限性，提出了多功能溫度檢測記錄儀的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)集成了溫度實(shí)時(shí)顯示、溫度定時(shí)定次測量、兩路溫度同時(shí)測量和溫差實(shí)時(shí)計(jì)算與記錄、溫度波動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動(dòng)繪制“溫度-時(shí)間”變化圖等功能，讀數(shù)方便，反映靈敏，精確度可達(dá)到0．01℃，是比較理想的溫度檢測系統(tǒng)。其可以長時(shí)間在無人監(jiān)控的情況下工作，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在掉電后不丟失。通過“混合法測固體比熱”實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可適用于絕大多數(shù)的普通物理實(shí)驗(yàn)中的溫度測量。
關(guān)鍵詞：溫度傳感器；單片機(jī)；溫度檢測

0 前言
    目前，普通物理實(shí)驗(yàn)中的溫度測量絕大多數(shù)采用水銀或酒精溫度計(jì)和熱電偶溫度計(jì)，但水銀溫度計(jì)的示值常滯后于實(shí)際溫度且讀數(shù)不方便；熱電偶溫度計(jì)由于溫度與電勢差的關(guān)系為非線性導(dǎo)致測量溫度不精確、讀數(shù)繁瑣、測量時(shí)間長、功能比較單一。這兩種溫度計(jì)在測溫時(shí)精度不高，人為讀數(shù)誤差大，特別是面對定點(diǎn)間隔連續(xù)測溫、兩點(diǎn)同時(shí)測溫等場合時(shí)，所得數(shù)據(jù)不僅誤差較大，而且不易操作。
    針對這種情況我們設(shè)計(jì)并制作了多功能溫度檢測記錄儀。其除了可以實(shí)現(xiàn)高精度的溫度實(shí)時(shí)測量外，還可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)等間隔連續(xù)測溫、兩點(diǎn)同時(shí)實(shí)時(shí)測溫、測量數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)和簡單計(jì)算處理等功能，這樣可以將同學(xué)們從繁重的溫度記錄工作中解脫出來，去關(guān)注實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的意義等更有深度的工作，從而進(jìn)一步加強(qiáng)普通物理實(shí)驗(yàn)對學(xué)生綜合專業(yè)技能的培養(yǎng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    多功能溫度檢測記錄儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由主控模塊、溫度檢測模塊、顯示模塊、存儲(chǔ)模塊、鍵盤控制模塊和報(bào)警模塊組成，如圖1所示。系統(tǒng)工作時(shí)，主控模塊通過液晶屏顯示主菜單，然后通過鍵盤選擇相應(yīng)的功能，系統(tǒng)掉電數(shù)據(jù)不丟失，方便實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的保存。

1．2 硬件電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)總體硬件電路圖如圖2所示。

1．2．1 主控模塊電路
    主控模塊采用AT89S52單片機(jī)作為主控芯片。主控模塊主要控制并協(xié)調(diào)其他模塊的工作。它可以讀取溫度檢測模塊的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行簡單計(jì)算，然后存儲(chǔ)并顯示；或者根據(jù)鍵盤輸入的命令進(jìn)行相應(yīng)的操作，完成各種溫度檢測的功能。
1．2．2 溫度檢測模塊電路
    溫度檢測模塊采用高性能的溫度傳感器18B20作為核心，它可以及時(shí)地將其所處環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲(chǔ)在其自帶的寄存器中。其溫度轉(zhuǎn)換效率可達(dá)0．2s。這完全滿足普通物理實(shí)驗(yàn)對于溫度轉(zhuǎn)換速率的要求，同時(shí)其溫度的分辨率可達(dá)到0．01℃，這相比于普通的水銀或酒精溫度計(jì)的分辨率要高出許多，完全可以適應(yīng)普通物理實(shí)驗(yàn)中對溫度檢測的需求。
1．2．3 存儲(chǔ)模塊電路
    本模塊采用AT24C02作為存儲(chǔ)芯片。主控模塊將讀取的溫度值處理以后，以一定的格式存入24C02中，在需要的時(shí)候可以調(diào)出存入其中的數(shù)據(jù)，一邊查看使用。系統(tǒng)再次上電后，仍可通過調(diào)用24C02中的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。實(shí)現(xiàn)了溫度的存儲(chǔ)和掉電保護(hù)功能。
1．2．4 顯示模塊電路
    由于輸出的信息量比較大，包括功能菜單的顯示和選項(xiàng)的調(diào)節(jié)界面，溫度的存儲(chǔ)與顯示，以及最后的自動(dòng)繪圖功能等，顯示模塊采用LCD12864進(jìn)行信息的輸出顯示，它是128×64點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置國標(biāo)GB2312碼簡體中文字庫(16×16點(diǎn)陣)、128個(gè)字符(8×16點(diǎn)陣)及64×256點(diǎn)陣顯示RAM(GDRAM)，通過使用12864完全可以滿足設(shè)計(jì)要求。
1．2．5 鍵盤控制模塊電路
    考慮到系統(tǒng)體積設(shè)計(jì)小巧，數(shù)據(jù)輸入較少，我們用小按鍵自制了獨(dú)立鍵盤，操作靈活方便。按鍵功能如下：
    (1)S1：功能設(shè)置鍵；
    (2)S2：選項(xiàng)上調(diào)；
    (3)S3：選項(xiàng)下調(diào)；
    (4)S4：確認(rèn)；
    (5)S5：退出；
    通過五個(gè)按鍵的不同組合可以實(shí)現(xiàn)不同溫度檢測方式。
1．2．6 電源電路
    電源采用自帶的電池供給各系統(tǒng)模塊使用。這樣可以擴(kuò)大儀器的使用范圍，即使是在無外接電源的情況下也可以用電池供電，正常工作。
1．2．7 提示模塊電路
    采用有源蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)對人機(jī)操作的指示作用。當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完成時(shí)，蜂鳴器鳴響，指示存儲(chǔ)完成。當(dāng)溫度超出設(shè)定值時(shí)，可實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。
1．3 軟件設(shè)計(jì)
    軟件采用keil編譯器用C語言編寫，程序流程圖如圖3所示。

    功能菜單分別為：單點(diǎn)測溫、兩點(diǎn)測溫、設(shè)置零點(diǎn)測溫、溫差記錄。進(jìn)入每個(gè)功能子菜單都會(huì)有兩種設(shè)置，分別是存儲(chǔ)次數(shù)的設(shè)置和存儲(chǔ)間隔時(shí)間設(shè)置。設(shè)置好后，按下“存儲(chǔ)”鍵即可開始存儲(chǔ)，系統(tǒng)按照時(shí)間依次存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，當(dāng)達(dá)到預(yù)定存儲(chǔ)次數(shù)時(shí)，即可通過按下“查看”按鍵，液晶顯示存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，并且可以通過系統(tǒng)的自動(dòng)繪圖功能繪制“溫度-時(shí)間”變化曲線圖，顯示在屏幕上。程序的編寫采用模塊化設(shè)計(jì)。其分為主程序和幾個(gè)模塊子程序。部分源程序如下：
   
   

2 安裝與調(diào)試
2．1 電路安裝
    電路使用萬用板焊接而成，LCD12864液晶直接安插在電路板上，兩個(gè)溫度傳感器用熱膠和熱縮管進(jìn)行包裝處理，使其可以在液體中進(jìn)行正常測溫。同時(shí)使用了較長的導(dǎo)線將溫度計(jì)連接在電路板中，這樣方便實(shí)驗(yàn)時(shí)將溫度傳感器放入其它儀器進(jìn)行溫度的測量。
2．2 功能測試
    由于溫度傳感器所測的溫度與實(shí)際溫度有一定的偏差，我們通過將溫度計(jì)放入冰水混合物中進(jìn)行溫度的調(diào)較，使其能夠得到較準(zhǔn)確的溫度值。
    通過調(diào)節(jié)存儲(chǔ)次數(shù)和存儲(chǔ)時(shí)間間隔，進(jìn)行了多次的溫度存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其是否能夠正常存儲(chǔ)，結(jié)果顯示各個(gè)功能均能很好地實(shí)現(xiàn)。
    在進(jìn)行多組數(shù)據(jù)的測量之后，我們使用本系統(tǒng)的自動(dòng)制表功能將“溫度-時(shí)間”的關(guān)系圖標(biāo)，通過曲線的形式顯示在12864圖形液晶上。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    使用傳統(tǒng)的酒精溫度計(jì)，進(jìn)行混合法測固體比熱的實(shí)驗(yàn)，記錄溫度數(shù)據(jù)如下表：(銅的比熱容：0．37*10＾3J／(kg·℃))。

    通過作圖得出理想中熱量傳遞得無限快的水的初溫和終溫約為53℃和49．70℃得出的銅的比熱容為：0．42*10＾3J／(kg·℃)。
    使用本設(shè)計(jì)中的多功能溫度監(jiān)測記錄儀，進(jìn)行混合法測固體比熱的實(shí)驗(yàn)，記錄溫度數(shù)據(jù)如下表：

    通過作圖得出理想中熱量傳遞得無限快的水的初溫和終溫約為53．4℃和50．3℃得出的銅的比熱容為：0．39*10＾3J／(kg·℃)。
    在實(shí)驗(yàn)過程中，我們分別采用了溫度計(jì)和多功能溫度監(jiān)測記錄儀。記錄儀一個(gè)非常明顯的優(yōu)勢在于它能夠在無人觀看溫度的情況下自行記錄溫度，可以比較容易地實(shí)現(xiàn)溫度的定點(diǎn)定次測量，實(shí)驗(yàn)者要做的只是在實(shí)驗(yàn)完成后直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理即可，防止了因?yàn)檎`讀或溫度計(jì)精度不夠造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差太大。

4 總結(jié)
    本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)簡單溫度測量，而且具備定點(diǎn)定次溫度測量功能、存儲(chǔ)功能、顯示溫差功能、溫度監(jiān)測功能、自動(dòng)制圖功能等。能夠較好地減少物理實(shí)驗(yàn)中對多次高精度測量的繁瑣步驟，以及對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析操作，方便實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行多種跟溫度有關(guān)的物理實(shí)驗(yàn)。