Informe de propuesta de proyecto de graduación sobre sistema de visualización y medición de temperatura con sensor de temperatura digital
Propuesta de proyecto de graduación sobre el sistema de visualización de medición de temperatura con sensor de temperatura digital
(El informe incluye la importancia del tema, el estado de desarrollo nacional e internacional, el contenido de la investigación, los métodos de investigación y los métodos de investigación. de este tema, pasos de investigación y referencias, etc.)
1) Importancia de la investigación del tema
Con el rápido desarrollo de la tecnología de la información moderna y la Transformación gradual de la industria tradicional. Darse cuenta de que los sistemas de detección y visualización de temperatura que pueden funcionar de forma independiente se utilizan en muchos campos, lo que hace que el control de temperatura se utilice ampliamente en la producción y la vida.
La temperatura es una cantidad física más comúnmente 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 utilizar un termómetro para leer la temperatura directamente. Las herramientas más comunes para medir la temperatura son varios termómetros, como los termómetros de vidrio de mercurio y los termómetros de alcohol. A menudo representan la temperatura en forma de escala, y es necesario medir la temperatura leyendo el valor de la escala. Un termómetro electrónico inteligente compuesto por un microcontrolador 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 de temperatura precisa. Su temperatura de salida utiliza una pantalla digital. Se utiliza principalmente en lugares donde la medición de temperatura es más precisa. En los laboratorios de investigación científica, el controlador de diseño utiliza el microcontrolador AT89S51, el sensor de temperatura utiliza DS18B20 y la pantalla de cristal líquido LCD1602 puede cumplir con precisión los requisitos anteriores.
2) Estado de desarrollo en el país y en el extranjero
En la actualidad, los termómetros se están desarrollando rápidamente, desde el termómetro de tubo de vidrio original hasta el termómetro de resistencia térmica actual, el termómetro de termopar, el termómetro digital, termómetro electrónico termómetro, etc. Los principales instrumentos de temperatura, como termopares, resistencias térmicas y termómetros de radiación, están 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 campos de alta tecnología. Por lo tanto, expertos de varios países compiten para desarrollar nuevos sensores de temperatura y tecnologías de medición de temperatura especiales y prácticas. Por ejemplo, se han puesto en práctica nuevos termómetros que utilizan fibra óptica, láser y sensores remotos o tecnologías de almacenamiento.
Desde 2008, el mercado de termómetros y termostatos digitales de China se ha desarrollado rápidamente y la producción de productos ha seguido expandiéndose. Las políticas industriales nacionales alientan a la industria de termómetros y termostatos electrónicos a desarrollarse en la dirección de productos de alta tecnología. Las empresas nacionales han invertido en nuevos proyectos de inversión. Los inversores están prestando cada vez más atención a la industria de los termómetros y termostatos electrónicos, lo que ha aumentado la demanda de desarrollo para la industria de los termómetros y termostatos electrónicos. Este artículo estudia un sistema de control de temperatura basado en una microcomputadora de un solo chip para superar las deficiencias de los métodos tradicionales.
3) Contenido y métodos de la investigación
Los sensores de temperatura digitales se utilizan como dispositivos de detección para realizar una detección de temperatura de un solo punto. El cristal líquido LCD1602 se utiliza para mostrar directamente el valor de la temperatura y el sistema de microcomputadora de un solo chip se utiliza como sistema de control y visualización del termómetro electrónico.
Este sistema considera los siguientes tres aspectos:
(1) Rango de temperatura de detección: 0 ℃ ~ 100 ℃, resolución de detección 0,5 ℃.
(2) Utilice LCD1602 para mostrar el valor de temperatura.
(3) Si se excede el valor de advertencia (definido por usted mismo), se activará una alarma.
Utiliza principalmente la función de detección de temperatura DS18B20 para detectar el valor de temperatura actual y mostrar el valor de temperatura actual a través de la pantalla LCD. Cuando el valor de temperatura detectado excede el rango de temperatura establecido, se emitirá una alarma para lograr una detección precisa. . objetivo.
Este sistema consta principalmente de cuatro partes:
1) La parte de recopilación de datos del sensor es el módulo de detección de temperatura. Si se utiliza un termistor, puede cumplir con el rango de medición de 40 grados. Celsius a 90 grados Celsius Sin embargo, el termistor tiene poca precisión, repetibilidad y confiabilidad y no es adecuado para detectar señales a 1 grado Celsius. En su lugar, se puede utilizar el sensor de temperatura digital integrado inteligente DS18B20. DS18B20 es un sensor de temperatura digital de una línea producido por DALLAS Company. Tiene un paquete de pequeño volumen TO-92 de 3 pines. El rango de medición de temperatura es de -55 ℃ a 125 ℃ y se puede programar de 9 bits a. Precisión de conversión A/D de 12 bits. La resolución de temperatura puede alcanzar 0,0625 ℃ y la temperatura medida se emite en serie en un formato digital de 16 bits extendido. Su potencia de trabajo se puede introducir de forma remota o generarse mediante energía parásita; Se puede conectar a uno en línea, la CPU solo necesita una línea de puerto para comunicarse con muchos DS18B20, ocupando menos puertos en el microprocesador y ahorrando muchos cables y circuitos lógicos.
2) La parte de visualización de temperatura puede utilizar una pantalla de tubo digital LED o una pantalla de cristal líquido LCD. Este módulo utiliza LCD1602.
3) El módulo de ajuste de alarma de límite superior e inferior establece la temperatura de alarma a través de botones y utiliza un timbre para emitir la alarma.
4) El módulo inteligente en la placa base del microcontrolador se refiere principalmente a la parte del microcontrolador, que completa principalmente la recepción y el procesamiento de las señales del sensor. El diseño de este módulo primero debe seleccionar el tipo de microcontrolador. Teniendo en cuenta el rendimiento y el coste, se selecciona AT89S52.
Todo el sistema funciona bajo el control de AT89S52. El proceso de trabajo es: primero, el botón de temperatura establece el rango de temperatura límite superior e inferior, y luego el sensor de temperatura DS18B20 recopila la señal de temperatura actual. El microcontrolador recibe esta señal y muestra el valor de temperatura actual en el cristal líquido LCD1602 durante el procesamiento. Si la temperatura medida excede el rango establecido, el zumbador enviará 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 el termómetro electrónico parte de procesamiento de señal
(3) Diseñe la parte del controlador principal del termómetro electrónico
(4) Diseñe la parte de visualización y la parte de alarma del termómetro electrónico
(5) Diseño de software relacionado con la redacción y depuración
(6) Construcción de una plataforma experimental
(7) Depuración de toda la máquina
4) Desarrollo futuro tendencias de los sensores globales y las cuatro áreas importantes principales (transferencia)
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 nuevas variedades, Constantemente surgen nuevas estructuras y nuevas aplicaciones. Entre ellas, las "cinco modernizaciones" se han convertido en una tendencia importante en su desarrollo.
La primera es la inteligencia, y las dos trayectorias de desarrollo van de la mano. Una dirección es la integración de múltiples funciones de detección con procesamiento de datos, almacenamiento, comunicación bidireccional, etc., que pueden realizar total o parcialmente la detección de señales, procesamiento de transformación, juicio lógico, cálculo funcional, comunicación bidireccional, así como interna. autoprueba, autocalibración y autocompensación, autodiagnóstico y otras funciones, y tiene las características de recopilación de información, almacenamiento y comunicación de datos, automatización de programación y diversificación funcional de alta precisión y bajo costo. Por ejemplo, el sensor inteligente de la empresa estadounidense Linear Technology está equipado con un procesador de 32 bits basado en la arquitectura ARM. Otra dirección es la tecnología de detección suave, es decir, la combinación de sensores inteligentes e inteligencia artificial. Actualmente, han aparecido y se han utilizado en inteligencia artificial varios sensores altamente inteligentes basados en razonamiento difuso, redes neuronales artificiales, sistemas expertos y otras tecnologías de inteligencia artificial. viviendas y otros aspectos. Por ejemplo, NEC ha desarrollado un nuevo método para simplificar la monitorización de un gran número de sensores (tecnología de análisis invariante) y lo ha puesto en uso para sistemas de infraestructura este año.
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 la escalabilidad de la red de sensores, la tolerancia a fallas y otros requisitos. 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 Tecnológico de Massachusetts (MIT). La investigación y el desarrollo actuales se centran principalmente 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 la 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 VoltreePower LLC, una empresa independiente del MIT, que instalara sensores de temperatura en los bosques montañosos 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. A medida que la tecnología de mecanizado de microelectrónica integrada se vuelve cada vez más madura, los sensores MEMS han introducido procesos de procesamiento de semiconductores (como oxidación, fotolitografía, difusión, deposición y grabado, etc.) en la fabricación de sensores, logrando una producción a gran escala y allanando el camino para el desarrollo de sensores. Miniaturización. Proporcionó un importante soporte técnico. En los últimos años, Japón, Estados Unidos, la Unión Europea, etc. han realizado investigaciones sobre dispositivos semiconductores, microsistemas y microestructuras, medición de velocidad, métodos/equipos de procesamiento de microsistemas, micrófonos/altavoces, nivelación/alcance/giroscopios, procesos de fabricación de placas de fotolitografía y determinación de propiedades de materiales./Análisis y otras áreas técnicas han logrado avances importantes. 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 (4) desarrollo y óptica; Nuevos sensores que están integrados de forma 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).
El cuarto es la integración. Los sensores integrados multifuncionales han recibido una amplia atención. La integración de sensores incluye dos categorías: una es la integración de múltiples sensores del mismo tipo, es decir, múltiples elementos sensores con la misma función se organizan en el mismo plano mediante un proceso de integración para formar un sensor lineal (como un sensor de imagen CCD). ). El otro es la integración multifuncional. Por ejemplo, se fabrican varios componentes sensibles diferentes en el mismo chip de silicio para formar un sensor multifuncional integrado. Tiene alta integración, tamaño pequeño y es fácil de realizar compensación y corrección. El sensor integrado actual es la principal dirección de desarrollo. Ruyifa Semiconductor propuso utilizar un módulo que combina múltiples sensores como un centro de sensores para mejorar las funciones del producto; Toshiba desarrolló un sensor combinado a nivel de oblea y lo lanzó en marzo de este año que puede detectar simultáneamente pulso, ECG, temperatura corporal y actividad física. espera 4 tipos de información de signos vitales y envía los datos de forma inalámbrica al módulo sensor Silmee, como un teléfono inteligente o una tableta.
El quinto es la diversificación. Los avances en la tecnología de nuevos materiales han acelerado la aparición de una variedad de nuevos sensores. 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 actualizar la tecnología. Además de los materiales semiconductores tradicionales, fibras ópticas, etc., los materiales orgánicos sensibles, los materiales cerámicos, los superconductores, los materiales nanométricos y biológicos se han convertido en puntos críticos de investigación y desarrollo, y nuevos sensores como biosensores, sensores de fibra óptica, sensores sensibles a gases y Los sensores digitales están surgiendo a un ritmo acelerado. Por ejemplo, los sensores de fibra óptica son sensores que utilizan la función sensible de la propia fibra o utilizan la fibra para transmitir ondas de luz. 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, actualmente se han utilizado sensores de fibra óptica. Hay más de 70 cantidades físicas mensurables y las perspectivas de desarrollo son amplias para que el sensor de gas pueda convertir la concentración de gas medida en una potencia relacionada con ella. tiene buena estabilidad, buena repetibilidad, buenas características dinámicas, respuesta rápida y fácil uso y mantenimiento. Conveniente y otras características, los campos de aplicación son muy amplios. Según BCC Research, se espera que los biosensores y los sensores químicos se conviertan en los segmentos de sensores de más rápido crecimiento, con una tasa de crecimiento anual compuesta esperada de 9,7 entre 2014 y 2019.
Cuatro áreas principales que merecen atención en el futuro
Con avances en tecnologías de vanguardia en ciencia de materiales, nanotecnología, microelectrónica y otros campos, así como las necesidades económicas y sociales desarrollo, los cuatro campos principales pueden convertirse en sensores El foco del desarrollo futuro de la tecnología.
La primera son las aplicaciones wearables. Según las previsiones de la empresa estadounidense de investigación ABI, el número de sensores portátiles alcanzará los 160 millones en 2017. 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 integrados, entre ellos sensores giroscópicos, sensores de aceleración, sensores magnéticos, sensores de aceleración lineal, etc., que habilitan algunas funciones que los terminales tradicionales no pueden lograr, por ejemplo, los usuarios pueden tomar fotografías con solo un parpadeo. un ojo. Actualmente, los campos de aplicación de los dispositivos portátiles se están expandiendo desde relojes externos, gafas, zapatos, etc. a campos más amplios, como la piel electrónica. Recientemente, la Universidad de Tokio ha desarrollado 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. La empresa estadounidense IHS señaló que la aplicación de la tecnología de sensores para promover el desarrollo de la conducción autónoma está acelerando los avances. En este campo, el proyecto de vehículos autónomos de Google ha logrado resultados importantes. A través de cámaras, sensores de radar y telémetros láser instalados en el automóvil, se genera información de tráfico en tiempo real sobre el área alrededor del automóvil a intervalos de 20 veces por segundo. Utiliza software de inteligencia artificial para analizar y predecir las tendencias futuras de las condiciones relevantes de la carretera y lo combina con Google Maps para la navegación por carretera. Los vehículos autónomos de Google ya han sido aprobados para su uso en las carreteras de Nevada, Florida y California. Gigantes automovilísticos mundiales como Audi, Mercedes-Benz, BMW y Ford han iniciado la investigación y el desarrollo de tecnología de conducción autónoma, y algunos modelos están cerca de la producción en masa.
El tercero es la atención médica y el seguimiento de la salud. Muchas instituciones de investigación médica nacionales y extranjeras, incluidos gigantes de la industria médica de renombre internacional, han logrado importantes avances en la aplicación de la tecnología de sensores en el campo médico. Por ejemplo, Rohm está desarrollando actualmente un sensor de imagen que utiliza luz infrarroja cercana (NIR). El principio es irradiar luz LED infrarroja cercana, usar un elemento de cámara especial para capturar la luz reflejada y obtener la imagen cambiando la longitud de onda. la luz infrarroja cercana y luego usar el procesamiento de imágenes hace que los vasos sanguíneos y otras cosas aparezcan más vívidamente. Algunas instituciones de investigación han avanzado en la creación de sensores a partir de materiales que pueden incrustarse o tragarse en el cuerpo. Por ejemplo, el Instituto de Tecnología de Georgia en los Estados Unidos está desarrollando sensores integrados en el cuerpo con sensores de presión y circuitos de comunicación inalámbricos. El dispositivo está compuesto de metal conductor y una película aislante, y puede detectar cambios de presión en función de los cambios de frecuencia. El circuito de oscilación formado, después de completar su función, se disolverá en los fluidos corporales.
El cuarto es el control industrial. En 2012, GE propuso en el informe "Internet industrial: Rompiendo los límites de la inteligencia y las 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 modo de funcionamiento. El informe también señala que al implementar la Internet industrial, varias industrias en los Estados Unidos pueden lograr mejoras de eficiencia del 1%, y la industria energética ahorrará el 1% de combustible (aproximadamente 66 mil millones de dólares) en 15 años. En enero de 2013, GE instaló más de 10.000 sensores en una empresa de fabricación de baterías en Nueva York para monitorear datos como la temperatura, el consumo de energía y la presión del aire durante la producción. Los gerentes de fábrica pueden obtener estos datos a través de iPads.
Además, empresas multinacionales como la holandesa Shell y Fuji Electric también han tomado 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 y la mejora del rendimiento y la fiabilidad, en Internet de las cosas, Internet móvil e Impulsado por 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 116.100 millones de dólares en 2019, con una tasa de crecimiento anual compuesta de 7,9.
La región de Asia-Pacífico se convertirá en el mercado más prometedor. En la actualidad, Estados Unidos, Japón y los países europeos cuentan con tecnología de sensores avanzada e instalaciones maduras de apoyo a la industria upstream y downstream. Son los principales productores y los mayores mercados de aplicaciones de productos de sensores de gama media a alta. Al mismo tiempo, la región de Asia y el Pacífico se ha convertido en el mercado futuro más prometedor. Intech Consulting señaló que la cuota de mercado en la región de Asia y el Pacífico seguirá creciendo en los próximos años y se espera que aumente a 38,1 en 2016, mientras que la cuota de mercado en América del Norte y Europa Occidental disminuirá ligeramente.
El transporte y las comunicaciones de la información se han convertido en las áreas de más rápido crecimiento en el mercado. Según las previsiones de Intech Consulting, el mercado mundial de sensores para automóviles alcanzará los 41.970 millones de euros en 2016, lo que representa el 22,8% del mercado mundial; la industria de la información y las comunicaciones también alcanzará los 42.160 millones de euros en 2016, lo que representa el 22,9% del mercado mundial; , y es probable que se convierta 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 corporativas 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 a través de fusiones y reorganizaciones, las grandes empresas controlan las normas técnicas y las patentes, y gradualmente forman un monopolio en el mercado de sensores y nuevos sensores de alta gama, precisión y vanguardia. Bajo la presión competitiva de las grandes empresas, las pequeñas y medianas empresas se están desarrollando hacia "pequeñas (medianas) y sofisticadas, pequeñas y especializadas", desarrollando tecnologías propias y posicionando productos en segmentos de mercado específicos. Según las estadísticas, entre julio de 2010 y septiembre de 2011 se produjeron más de 20 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 PerkinElmer por 500 millones de dólares en efectivo; la empresa británica Spectris 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 realizando cada vez más transacciones de fusiones y adquisiciones en países de mercados emergentes.
5) Referencias
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Título del diseño
Resumen: (El contenido es. en tamaño de fuente de la canción 4)
Con el rápido desarrollo de la tecnología de la información moderna y tradicional. Con la realización gradual de la transformación industrial, los sistemas automáticos de visualización y detección de temperatura se han utilizado ampliamente en muchos campos. La gente tiene requisitos cada vez mayores en cuanto a precisión, conveniencia y velocidad de detección de temperatura. El sensor de temperatura tradicional ya no puede satisfacer las necesidades de las personas y es reemplazado gradualmente por nuevos sensores de temperatura.
En este artículo se diseña y fabrica un termómetro sencillo. Este diseño utiliza el microcontrolador AT89S52 y el sensor de temperatura DS18B20 para formar un sistema automático de medición y control de temperatura. El valor de la temperatura se puede configurar arbitrariamente según las necesidades reales y controlarse automáticamente. En este diseño, el microcontrolador AT89S52 se utiliza como dispositivo de control principal y el DS18B20 se utiliza como sensor de temperatura para transmitir datos a través del puerto serie del tubo digital LCD para realizar la visualización de la temperatura.
Lea directamente el valor de temperatura medido a través de DS18B20, realice la conversión de datos y establezca los límites de temperatura superior e inferior para configurar la temperatura de alarma. Y después de alcanzar la temperatura de alarma, el sistema emitirá una alarma automáticamente.
El diseño de este artículo se analiza y explica desde varios aspectos como el circuito de medición de temperatura, el circuito de control principal y el circuito de alarma. Este dispositivo puede transmitir señales digitales directamente al microcontrolador para facilitar el procesamiento y control por parte del microcontrolador. Además, el termómetro también puede utilizar directamente dispositivos de medición de temperatura para medir la temperatura. Esto simplifica el proceso de transmisión y 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;