1 绪言
本章阐述了温度测量的研究背景、当前现状以及发展方向，明确指出了现今温度测
量所面临的问题。
1.1 课题背景
现在人们的生活水平不断提高，物质文化水平日益提高，先进的高科技技术越来越
凸显出其优势，博得人美的喜爱。高科技的应用也是越来越多，渗透于各行各业，渗透到人们的生活当中。人们对苹果手机的喜爱，可以说到了疯狂的地步。因为苹果手机的高科技硬件与高效人性化的软件设计，使整个系统流畅、完美，大部分中青年都为之痴狂。科技更新，新产品大量更新换代，大量新产品涌现市场，老化产品不停地被淘汰。
单片机的应用也越来越广泛，它带给我们的方便也越来越大[1]。随处可见的电子产品，比如路由器、交换机；电气产品，比如洗衣机、空调、电冰箱；这些在生活中经常出现的设备，其主要就是使用单片机的控制。单片机以其廉价、小体积、程序简单的特点，出现在各大小的产品上面。近些年，市场上的电子产品越来越多，大到大型设备，小到电动玩具，都使用了单片机控制。单片机的控制加入，既增加了产品的智能化，简化电路，又能降低生产成本，所以单片机的流行是必然。
在温度监控方面，近年也开始使用单片机控制，使用小型化、智能化、人性化的移动便携设备。现今的温室大棚，恒温箱，空调等很多设备都是靠控制温度来达到我们想要的效果的。所以基于单片机的温度测量系统就更加具有它的研究意义。单片机在如今的地位堪称举足轻重，没有了单片机，那我们现代的社会将会成为原始社会。
1.2 国内外概况
社会在进步，科技在更新，技术也越来越发达。部分发达国家的科技也是领先于国内的。
在美、日两个科技强国更是有了突出的展现。在仓库管理上，国外早就使用了多路、多点数字式温度采集，当然在性能上也是精度与稳定相结合的[2]。国外很早就已经实现多点多路温度监控系统，其采用计算机的高速、多功能的优点，将环境监控系统搭建起来[2,3]。基于计算机的多点监控系统，其具有电脑的多元化、多功能、计算速度快、实时显示、信息全、功能齐的特点。但是因为有计算机的加入，大大增加了已有的投入成本，使系统的普及得到限制。可是随着MCU（Micro Controller Unit，即微控制器）技术的流行，MCU控制系统开始占据市场，大量的淘汰掉以前的环境监控系统。MCU控制以其低成本、小体积、高速的特点，迅速渗透各行业，将原有的计算机控制系统替换掉。环境监控方面，MCU也因为其小体积、低成本的优点，可以完全满足其系统的需求，而将原来的计算机系统替换下来[4,5]。
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在国内，环境温度监控系统的设计研发上，已经有了较为成熟的技术。在MCU控制系统推进潮流下，国内也赶着这更新换代的时机，设计研发了一些环境温度的监控系统[4]。但是与其他科技强国的对比之下，国内自主研发的的系统，在功能、智能、性能方面都还是稍逊颜色。但是国内近几年在高速的MCU控制上，有了进一步的突破，在高速的控制系统的研发的突破下，似乎也有赶超国外的势头。
1.3 课题研究的目的和意义
研究目的:
温度测量在我们的生活当中随处可见，在各个种类的企业中应用非常广泛。在日益更新的现代化技术当中，温度的测量普遍应用于各行各业当中，最为典型的是现代化工业生产上，在民用上也是相当的普遍的，生活中是随处可见。现代流行的温度测量中最为常见的两种方式分别是：模拟测量与数字式测量。模拟测量的稳定性，受到系统的所处环境干扰或者系统本身的稳定度的影响。数字式的温度测量是较稳定的，相对而言，比模拟温度测量的稳定性要好。所以现代温度测量中，采用的数字式温度测量较为普遍。对数字式的测量系统进行研究，有利于温度测量的普及与实用[6]。而本系统加入了新型的STM32单片机，将系统小型化、快速化、人性化、智能化。
人们为了改善生活环境或者对其他环境进行监视，无线环境监控系统开始流行。对环境的无线监控，可以方便管理者对环境的了解，也方便管理者对其的管理。对环境温度的监测研究，可以给环境监控系统提供支持。 研究意义：
温度的意义当然是不言而喻的，对温度的引用也是越来越广泛，合理使用温度测量，可以提高系统的有机协调性。基于现在发展的各种问题，多点温度监控系统正朝着以下几个方向发展：
（1）系统不仅要实现实时监测，而且在软件技术上应研究开发根据被监测环境地点的参数进行有效的判别、分析和提出专家决策方案,同时系统应用软件应向网络化发展，按统一的格式向外提供监测数据[7]。
（2）针对测量的温度超限的问题，根据报警装置能够尽快发现地方并寻找一种解决报警的途径，这对促进温度监控技术发展和系统的推广应用均具有十分重要的意义[8]。
（3）研制高性能的温度传感器。 （4）进一步加强现场管理和维护水平。
对温度监控系统的建立，可以帮助环境监控大系统的完成。近几年，环境监控系统成为研究的热点，但其多是基于理论的研究，在实际应用上，还是与国外存在明显的差距。温度监控是环境监控系统的一部分，实现温度监控可以发现整个环境监控上出现的问题，设计环境监控时，也可以借鉴温度监控的方案。
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1.4 课题的主要研究工作
单片机是一种类似于电脑CPU的器件，相对于电脑来说，它更加小巧方便，不需要更多的外围电路就可以应用在很多地方。在21世纪，单片机的应用十分广泛，不论是在工业控制或者产品系统监视控制方面，单片机都以它简约独特的优点展示出他的实用性。本次设计就是用单片机来控制温度采集的，在这个设计中，我主要的研究工作是以下几点：
（1）怎样提高温度测量的精度； （2）怎样扩宽温度测量的范围； （3）怎样提高温度采集的稳定性； （4）怎样提高整个系统的稳定性。
就以上四个问题的解决方法，主要是正确选择温度传感器，因此我采用了DS18B20温度传感器来完成此次设计。多路温度采集系统是利用温度传感器DS18B20来达到检测温度的目的，并由单片机处理显示。本设计利用STM32单片机为微处理器，再加上基本的外围电路来完成，再通过实物连接与驱动程序一起调试，系统能稳定的工作。正确外围电路的设计，可以增加整个系统的稳定性，也就是说，系统在不同的环境下，不容易受到外界的干扰。其实在软件设计上，更是尤为重要，一个系统是否能够有机的结合，发挥电路各自的优势，主要在于程序上的优化。一个优化的程序可以使整个系统，如行云流水般的在硬件上运行；而一个不灵活的程序，也可以让一个设计完美的电路如死水一样，没有生机。
硬件与软件的结合，能让整个系统的性能提升，甚至超过我们的预期目标，超标实现设计。
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2 系统设计方案的研究
2.1 方案选择
１、本设计硬件主要包括五个模块： 1）主控模块
方案一：采用51单片机。
51单片机是Atmel公司生产的8位8031指令系统微控制器，IO口无需寄存器设置即可双向通信，芯片内部外设较少，网络上资料齐全，程序简单易懂，外围电路简单，成本低，最高时钟频率为24MHz，程序运行速度慢，并且稳定性不高，容易受到各种干扰。 方案一：AVR单片机
AVR单片机也是Atmel公司生产的8/16位精简指令微控制器，网络上资料比较齐全，程序比较复杂，但是其最高时钟频率为32MHz，程序运行速度比51单片机快，稳定性高，不容易受到各种干扰。
方案三：采用STM32F103ZET6的MCU(微控制器)。
STM32F103ZET6单片机是ST(意法半导体)生产的，基于ARM内核的32位 RISC指令微控制器。网络上资料较齐全，程序简单易懂，但是其最高时钟频率为72MHz，程序运行速度快，功耗低，并且稳定性高，不容易受到各种干扰，不过增强型的STM32单片机的成本较高，略低于高性能的AVR单片机。STM32F103ZET6属于STM32单片机系列增强型，其内部外设多，应用起来方便[9]。STM32单片机的每一I/O口都可以设置为中断输入口，按键输入就不在需要外加电路，不管接在哪个口上，其都可以设置为中断输入，不再需要电路上接与逻辑门或者作出其他改变，可以简化硬件电路的设计。
考虑系统温度采集口的数量上的可增加性，即在增加数个或者数十个传感器的情况下，系统还能够正常的运行，系统就必须使用超高速的控制器。在高速高性能的控制器上加入，能使整个系统的性能受到影响，低速的控制器可能是系统出现死机、采集周期过长等不良现象。所以综合考虑个方面的原因，本设计最终选择STM32F103ZET6微控制器来作为主控制器。
2）温度采集模块
方案一：采用PT100铂电阻温度传感器
此传感器属于电阻式传感器，它的电阻随着温度的变化而变化。这种温度传感器有零度电阻值和电阻变化率，它性能比较稳定，测量范围达到
[10]
-200℃~850℃，但是使用它要复杂的转换关系，要清楚的知道电阻和温度之间
的关系。其采集电路主要采用的是电阻分压网络，在电阻分压网络的设计上，由
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于定值电阻随着测量环境温度变化时，其阻值会有所变化，这就会给系统带来误差，使系统采集的温度值产生偏差，并且其电压值要进行AD转换，增加了系统的复杂程度。PT100自身体积较大，温度变化时，反应速度会优先减慢，如果环境变化温度较快时，将会有部分的中间温度会被直接过滤掉，使实时温度信息不准，实时性较差。 方案二：采用AD590
AD590是现在温度测量较为常见的温度传感器，测量精度高、温度范围宽，但是成本很高，一般的廉价应用上不会使用。AD590是电流型温度传感器，在检测温度变化时，其两端的输出电流会有相应的改变。应用方法，一般是采用在输出端接一个定值电阻(当然这也要温漂较低的电阻)，在测量电阻两端的电压（电压值=AD590输出电流×定值电阻阻值），这与PT100的测量方式相同，使用AD转换器，将模拟电压值转换为数字量。当然AD590的体积也稍大，也会有高速温度变化时产生出滤波效果，实时性降低。 方案三：采用DS18B20
DS18B20是数字式的温度传感器，测量的温度范围较广，精度高，成本低，稳定性较好[11]。DS18B20采用单总线通信，减少了I/O的占用数量，减少了外围电路，通信简单[11,12]。DS18B20的集成度高，体积较小[12]。因为其体积小，可以测量到的温度值变化快，实时性就好。
考虑到电路的复杂程度与系统转换的速度与性能，我选择方案三：DS18B20温度传感器。在温度采集系统中我们经常用到集成型温度传感器，集成型传感器可以达到较高的精度，DS18B20就属于这一类传感器。本设计用四只DS18B20同时采集4路温度，直接与单片机I/O连接，不需要任何外围电路。
3）显示模块
方案一：采用LED数码管
LED数码管是在一定形状的绝缘材料上，利用单只led组合排列成“8”字型的数码管，分别引出它们的电极，点亮相应的点划来显示出0-9的数字[13]。LED数码显示有动态扫描法和静态显示法，在单片机中，多采用动态扫描法，这样可以节约单片机的资源。数码管是简单的显示设备，只能显示阿拉伯数字与几个字母，在简单的装置或者不需要显示大量信息的设备上面适用，显示的信息量极少，但是成本很低，驱动简单，功耗低。 方案二：采用12864液晶屏
12864液晶屏分辨率较低，内置8192个16×16点阵，冷光显示，效果不佳，可视广角小，显示指令较少，能显示小量的信息，驱动比数码管难，成本较低。在较低廉的系统应用上较多，因为其简单廉价，是不可替代的。 方案二：采用TFT-LCD显示屏
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