多功能温度检测记录仪的设计

摘要：文中针对普通物理实验中温度测量的局限性，提出了多功能温度检测记录仪的设计。该设计集成了温度实时显示、温度定时定次测量、两路温度同时测量和温差实时计算与记录、温度波动的实时监测和自动绘制“温度-时间”变化图等功能，读数方便，反映灵敏，精确度可达到0．01℃，是比较理想的温度检测系统。其可以长时间在无人监控的情况下工作，存储的数据在掉电后不丢失。通过“混合法测固体比热”实验验证，可适用于绝大多数的普通物理实验中的温度测量。
关键词：温度传感器；单片机；温度检测

0 前言
    目前，普通物理实验中的温度测量绝大多数采用水银或酒精温度计和热电偶温度计，但水银温度计的示值常滞后于实际温度且读数不方便；热电偶温度计由于温度与电势差的关系为非线性导致测量温度不精确、读数繁琐、测量时间长、功能比较单一。这两种温度计在测温时精度不高，人为读数误差大，特别是面对定点间隔连续测温、两点同时测温等场合时，所得数据不仅误差较大，而且不易操作。
    针对这种情况我们设计并制作了多功能温度检测记录仪。其除了可以实现高精度的温度实时测量外，还可以实现定点等间隔连续测温、两点同时实时测温、测量数据的自动存储和简单计算处理等功能，这样可以将同学们从繁重的温度记录工作中解脱出来，去关注实验原理、实验数据处理和分析实验数据的意义等更有深度的工作，从而进一步加强普通物理实验对学生综合专业技能的培养。

1 系统设计
1．1 系统总体结构
    多功能温度检测记录仪的系统结构由主控模块、温度检测模块、显示模块、存储模块、键盘控制模块和报警模块组成，如图1所示。系统工作时，主控模块通过液晶屏显示主菜单，然后通过键盘选择相应的功能，系统掉电数据不丢失，方便实验数据的保存。

1．2 硬件电路设计
    系统总体硬件电路图如图2所示。

1．2．1 主控模块电路
    主控模块采用AT89S52单片机作为主控芯片。主控模块主要控制并协调其他模块的工作。它可以读取温度检测模块的实时温度数据并进行简单计算，然后存储并显示；或者根据键盘输入的命令进行相应的操作，完成各种温度检测的功能。
1．2．2 温度检测模块电路
    温度检测模块采用高性能的温度传感器18B20作为核心，它可以及时地将其所处环境温度转换为数字信号存储在其自带的寄存器中。其温度转换效率可达0．2s。这完全满足普通物理实验对于温度转换速率的要求，同时其温度的分辨率可达到0．01℃，这相比于普通的水银或酒精温度计的分辨率要高出许多，完全可以适应普通物理实验中对温度检测的需求。
1．2．3 存储模块电路
    本模块采用AT24C02作为存储芯片。主控模块将读取的温度值处理以后，以一定的格式存入24C02中，在需要的时候可以调出存入其中的数据，一边查看使用。系统再次上电后，仍可通过调用24C02中的数据进行显示。实现了温度的存储和掉电保护功能。
1．2．4 显示模块电路
    由于输出的信息量比较大，包括功能菜单的显示和选项的调节界面，温度的存储与显示，以及最后的自动绘图功能等，显示模块采用LCD12864进行信息的输出显示，它是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置国标GB2312码简体中文字库(16×16点阵)、128个字符(8×16点阵)及64×256点阵显示RAM(GDRAM)，通过使用12864完全可以满足设计要求。
1．2．5 键盘控制模块电路
    考虑到系统体积设计小巧，数据输入较少，我们用小按键自制了独立键盘，操作灵活方便。按键功能如下：
    (1)S1：功能设置键；
    (2)S2：选项上调；
    (3)S3：选项下调；
    (4)S4：确认；
    (5)S5：退出；
    通过五个按键的不同组合可以实现不同温度检测方式。
1．2．6 电源电路
    电源采用自带的电池供给各系统模块使用。这样可以扩大仪器的使用范围，即使是在无外接电源的情况下也可以用电池供电，正常工作。
1．2．7 提示模块电路
    采用有源蜂鸣器来实现对人机操作的指示作用。当数据存储完成时，蜂鸣器鸣响，指示存储完成。当温度超出设定值时，可实现报警功能。
1．3 软件设计
    软件采用keil编译器用C语言编写，程序流程图如图3所示。

    功能菜单分别为：单点测温、两点测温、设置零点测温、温差记录。进入每个功能子菜单都会有两种设置，分别是存储次数的设置和存储间隔时间设置。设置好后，按下“存储”键即可开始存储，系统按照时间依次存储数据，当达到预定存储次数时，即可通过按下“查看”按键，液晶显示存储的数据，并且可以通过系统的自动绘图功能绘制“温度-时间”变化曲线图，显示在屏幕上。程序的编写采用模块化设计。其分为主程序和几个模块子程序。部分源程序如下：
   
   

2 安装与调试
2．1 电路安装
    电路使用万用板焊接而成，LCD12864液晶直接安插在电路板上，两个温度传感器用热胶和热缩管进行包装处理，使其可以在液体中进行正常测温。同时使用了较长的导线将温度计连接在电路板中，这样方便实验时将温度传感器放入其它仪器进行温度的测量。
2．2 功能测试
    由于温度传感器所测的温度与实际温度有一定的偏差，我们通过将温度计放入冰水混合物中进行温度的调较，使其能够得到较准确的温度值。
    通过调节存储次数和存储时间间隔，进行了多次的温度存储实验，验证其是否能够正常存储，结果显示各个功能均能很好地实现。
    在进行多组数据的测量之后，我们使用本系统的自动制表功能将“温度-时间”的关系图标，通过曲线的形式显示在12864图形液晶上。

3 实验验证
    使用传统的酒精温度计，进行混合法测固体比热的实验，记录温度数据如下表：(铜的比热容：0．37*10＾3J／(kg·℃))。

    通过作图得出理想中热量传递得无限快的水的初温和终温约为53℃和49．70℃得出的铜的比热容为：0．42*10＾3J／(kg·℃)。
    使用本设计中的多功能温度监测记录仪，进行混合法测固体比热的实验，记录温度数据如下表：

    通过作图得出理想中热量传递得无限快的水的初温和终温约为53．4℃和50．3℃得出的铜的比热容为：0．39*10＾3J／(kg·℃)。
    在实验过程中，我们分别采用了温度计和多功能温度监测记录仪。记录仪一个非常明显的优势在于它能够在无人观看温度的情况下自行记录温度，可以比较容易地实现温度的定点定次测量，实验者要做的只是在实验完成后直接进行实验数据处理即可，防止了因为误读或温度计精度不够造成实验结果的误差太大。

4 总结
    本设计结构简单，成本低廉，不仅能够实现简单温度测量，而且具备定点定次温度测量功能、存储功能、显示温差功能、温度监测功能、自动制图功能等。能够较好地减少物理实验中对多次高精度测量的繁琐步骤，以及对实验数据的分析操作，方便实验者进行多种跟温度有关的物理实验。