基于熱敏電阻的數(shù)字溫度計設計

1、 目 錄1 課程設計的目的12 課程設計的任務和要求13 設計方案與論證14 電路設計24.1 溫度測量電路34.2 單片機最小系統(tǒng)64.3 LED數(shù)碼顯示電路85 系統(tǒng)軟件設計96 系統(tǒng)調(diào)試97 總結11參考文獻13附錄1：總體電路原理圖14附錄2：元器件清單15附錄3：實物圖16附錄4：源程序171 課程設計的目的 （1）掌握單片機原理及應用課程所學的理論知識；（2）了解使用單片機設計的基本思想和方法，學會科學分析和解決問題；（3）學習單片機仿真、調(diào)試、測試、故障查找和排除的方法、技巧；（4）培養(yǎng)認真嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L和實事求是的工作態(tài)度；（5）鍛煉自己的動手動腦能力，以提高理論聯(lián)系實際的能力

2、。2 課程設計的任務和要求（1）采用LED數(shù)碼管顯示溫度；（2）測量溫度范圍為-10110；（3）測量精度誤差小于0.5。3 設計方案與論證方案一：本方案主要是在溫度檢測部分利用了一款新型的溫度檢測芯片DS18B20，這個芯片大大簡化了溫度檢測模塊的設計，它無需A/D轉換，可直接將測得的溫度值以二進制形式輸出。該方案的原理框圖如圖3-1所示。單片機最小系統(tǒng)數(shù)碼顯示溫度傳感器DS18B20DS18B20是美國達拉斯半導體公司生產(chǎn)的新型溫度檢測器件，它是單片結構，無需外加A/D即可輸出數(shù)字量，通訊采用單線制，同時該通訊線還可兼作電源線，即具有寄生電源模式。它具有體積小、精度易保證、無需標定等特點，

3、特別適合與單片機合用構成智能溫度檢測及控 制系統(tǒng)。 圖3-1 方案一系統(tǒng)框圖方案二：溫度檢測部分采用傳統(tǒng)的熱敏電阻，熱敏電阻的阻值隨環(huán)境溫度變化而變化，將熱敏電阻與固定電阻串聯(lián)后分壓，經(jīng)A/D轉換器將其轉換為單片機可識別得二進制數(shù)字量，然后根據(jù)程序查表得到溫度值，單片機主要控制LED顯示器顯示正確的溫度值，并根據(jù)設置的上下限控制繼電器動作，從而控制外部負載。該方案的原理框圖如圖3-2所示。熱敏電阻A/D轉換器單片機最小系統(tǒng)數(shù)碼顯示圖3-2 方案二系統(tǒng)框圖方案一與方案二的主要區(qū)別在溫度檢測部分，方案一主要利用DS18B20這塊芯片進行溫度檢測，并將采集到的模擬量轉換為單片機識別的二進制數(shù)。方案二

4、是采用熱敏電阻檢測溫度，然后利用A/D轉換器將溫度模擬量轉換為二進制數(shù)供單片機處理。它最大的特點就是它能檢測的溫度范圍很大，熱敏電阻的性能決定了整個設計的所能檢測的溫度范圍。方案一的溫度檢測范圍已經(jīng)由系統(tǒng)中的DS18B20的特性所決定，它能檢測的溫度范圍為-55到120，其溫度檢測范圍很寬，已能足夠滿足一般測量需要，方案一是利用現(xiàn)有的智能溫度傳感芯片DS18B20，無需A/D轉換，直接輸出數(shù)字量，從整體上來看方案二比方案一更具有實際的鍛煉意義，所以本設計采用方案二。4 電路設計系統(tǒng)硬件電路主要包括3個部分： （1）溫度測量電路；（2）單片機最小系統(tǒng)；（3）LED數(shù)碼顯示電路。4.1 溫度測量電

5、路溫度測量電路主要由ADC0809、TL431、熱敏電阻和電阻組成。TL431是一個由良好的熱穩(wěn)性能的三端可調(diào)分流基準電壓源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意設置到 2.5V到36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2，在很多應用中可以用它代替齊納二極管，例如數(shù)字電壓表、運放電路、可調(diào)電壓源、開關電源等等。在此電路中，它用于給ADC0809和熱敏電阻提供可調(diào)電壓。電路中的熱敏電阻作為測溫元件，它是利用感溫元件（導體）的電阻隨溫度變化的性質(zhì)，將電阻的變化值用顯示儀表反映出來，從而達到測溫的目的。導體測溫元件，它與熱電阻的溫阻特性剛好相反，即有很大負溫度系數(shù)，也就是說溫度升高時，其阻值降低

6、。它們的關系為 (4-1)式（4-1)中 RT在溫度T(K)時的電阻值；RT0：在溫度T0(K)時的電阻值；E：自然對數(shù)的底數(shù)；B：與熱敏電阻特性有關的系數(shù)；T：被測溫度；T0與熱敏電阻有關的溫度參數(shù)。根據(jù)這一公式，如果能測得熱敏電阻兩端的電壓，并知道參數(shù)T0和B，則可以計算出熱敏電阻的環(huán)境溫度，即：被測溫度，就這樣就把電阻隨溫度的變化關系轉變?yōu)殡妷弘S溫度變化的關系。系統(tǒng)中的A/D轉換電路，負責將的溫度測量電路中輸出的模擬電壓信號轉化為可供單片機識別的數(shù)字信號。主要采用ADC0809串行模數(shù)轉換器，使用開關電容逐次逼近技術完成A/D轉換過程。由于是串行輸入結構，能夠節(jié)省51系列單片機I/O資源

7、；且價格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應用。ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，其管腳圖如圖4-1所示。圖4-1 ADC0809引腳圖引腳功能如下。IN0IN7：8路模擬量輸入端。OUT1OUT8：8位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。START： A/D轉換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復位，下降沿啟動A/D轉換）。EOC： A/D轉換結束信號，輸出，當A/D轉換結束時，此端輸出一個高電平（轉換期間一直為低電平）

8、。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當A/D轉換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLOCK：時鐘脈沖輸入端。REF（+）、REF（-）：基準電壓。VCC：電源，單一+5V。GND：地。ADC0809工作過程：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 A/D轉換，之后EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到A/D轉換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉換結束，結果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數(shù)

9、字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 轉換數(shù)據(jù)的傳送 A/D轉換后得到的數(shù)據(jù)應及時傳送給單片機進行處理。數(shù)據(jù)傳送的關鍵問題是如何確認A/D轉換的完成，因為只有確認完成后，才能進行傳送。為此可采用下述三種方式。（1）定時傳送方式對于一種A/D轉換器來說，轉換時間作為一項技術指標是已知的和固定的。例如ADC0809轉換時間為128s，相當于6MHz的MCS-51單片機共64個機器周期。可據(jù)此設計一個延時子程序，A/D轉換啟動后即調(diào)用此子程序，延遲時間一到，轉換肯定已 經(jīng)完成了，接著就可進行數(shù)據(jù)傳送。（2）查詢方式A/D轉換芯片有表明轉換完成的狀態(tài)信號，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，測試EOC

10、的狀態(tài)，即可確認轉換是否完成，并接著進行數(shù)據(jù)傳送。（3）中斷方式把表明轉換完成的狀態(tài)信號（EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進行數(shù)據(jù)傳送。不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉換完成，即可通過指令進行數(shù)據(jù)傳送。首先，送出出口地址，并且在信號有效時，即OE信號有效，把轉換數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線，供單片機接收。利用熱敏電阻和電阻串聯(lián)，用TL431制作4V電壓用于A/D的參考電壓和熱敏電阻的供電，R7是分壓電阻，R9是可調(diào)電位器，用于調(diào)節(jié)TL431的輸出電壓。當溫度升高時，R8熱敏電阻的阻值變小，串聯(lián)的30k的電阻兩端的電壓就會升高，ADC0809采集到電壓信號經(jīng)過轉換后將數(shù)字量傳輸給單片機。溫度測量電路

11、圖如圖4-2所示。圖4-2 溫度測量電路4.2 單片機最小系統(tǒng)STC89C51是一種低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有4K可編程Flash，其引腳如圖4-3所示。 圖4-3 STC89C51的引腳圖單片機的最小系統(tǒng)由時鐘電路和復位電路組成。時鐘電路：此系統(tǒng)的時鐘電路設計是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。STC89C51內(nèi)部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器。引腳X1和X2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C2和C3構成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。時鐘電路圖如圖4-4所示。 圖4-

12、4 時鐘電路復位電路：STC89C51的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。片內(nèi)復位電路是復位引腳RST通過一個施密特觸發(fā)器與復位電路相連，施密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個機器周期的S5P2，由復位電路采樣一次。復位電路通常采用上電自動復位和按鍵復位兩種方式， 此電路系統(tǒng)采用的是上電與按鈕復位電路。復位電路圖如圖4-5所示。圖4-5 復位電路4. 3 LED數(shù)碼顯示電路該電路選用的數(shù)碼管是四位八段共陽極的，數(shù)碼管的掃描方式分為靜態(tài)掃描和動態(tài)掃描兩種，由于單片機資源有限，這里采用的是動態(tài)掃描的方法。在該接法中，用到單片機的P0和P1口，其中P0作為輸出口；電路中利用三極管驅動數(shù)碼管，用電阻起

13、到限流作用，使得數(shù)碼管亮度適中，其電路圖如圖4-6所示。圖4-6 LED數(shù)碼顯示電路圖5 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)程序主要包括初始化、溫度采集、數(shù)據(jù)處理和顯示溫度四部分。該電路設計的程序流程圖如圖5-1所示。 開始 初始化 采集溫度 數(shù)據(jù)處理 顯示溫度 圖5-1 程序流程圖溫度采集和數(shù)據(jù)處理部分主要由熱敏電阻、數(shù)模轉換器ADC0809、單片機及四位共陽數(shù)碼管組成。通過測得熱敏電阻阻值，利用熱敏電阻阻值與電壓的對應關系，將熱敏電阻阻值轉化為輸出電壓，ADC0809采集輸出的電壓信號，并將采集的電壓信號轉換為數(shù)字信號，傳送給單片機，由單片機P0口輸出，最后由四位共陽數(shù)碼管采用動態(tài)掃描方式顯示溫度。6 系統(tǒng)

14、調(diào)試在整個調(diào)試過程中首先應注意各個模塊的供電問題，其中單片機和A/D等芯片使用5V電壓供電。由熱敏電阻構成的測溫部分和A/D的參考電壓輸入端則使用+4V電壓供電，表6-1為系統(tǒng)的調(diào)試數(shù)據(jù)。表6-1 系統(tǒng)調(diào)試數(shù)據(jù)熱敏電阻輸出電壓理論測量溫度實際測量溫度3.23V-6-73.67V-3-33.8V1818調(diào)試結果如圖6-1、圖6-2、圖6-3所示。圖6-1 調(diào)試結果一圖6-2 調(diào)試結果二圖6-3 調(diào)試結果三7 總結經(jīng)過一周的課程設計，通過對熱敏電阻的數(shù)字溫度計系統(tǒng)的設計過程及計算得出如下結論。設計電路關鍵在于對設計要求的理解分析以及對基本電路相關知識的熟練掌握。設計電路時，將總體的功能分成若干個部

15、分來實現(xiàn)，是簡化電路設計思路的很好方法；且搞清各個模塊的功能與實現(xiàn)要求操作的具體方法，對電路故障的檢查也是很有幫助。通過這次設計，學到了很多東西，如查找資料，設計比較，從各種圖中提取所需。焊接時學到了好多，如如何在一定大小的板子上正確擺放好芯片，如何布線等等，調(diào)試時也是，知道了用工具如萬用表來檢查、修復故障。本設計對有限溫度范圍內(nèi)的溫度測量具有較高的精度，在這過程中，感謝老師和同學對我們的幫助，程序經(jīng)過無數(shù)次地調(diào)試，實現(xiàn)了測量溫度顯示。在做實物的過程中，我們在焊接時還是謹小慎微，但是由于焊接時引腳短路的問題導致實物沒出來現(xiàn)象。學會了用Proteus軟件的應用。在以后的學習中更加地完善自己，努力

16、提升自己。參考文獻1 楊素行模擬電子技術基礎第3版北京：高等教育出版社，20062 閻石數(shù)字電子技術基礎第5版北京：高等教育出版社，20063 趙茂泰智能儀器原理及應用第3版北京：電子工業(yè)出版社，20094 郭天祥51單片機C語言教程北京：電子工業(yè)出版社，20065 張忠梅單片機的C語言應用程序設計第4版北京：北京航空航天大學出版社，20066 李朝青單片機原理及接口技術第3版北京：北京航空航天大學出版社，20067 孫有才新型AT89S51系列單片機及其應用北京：清華大學出版社，20018 姚福安電子電路設計與實踐濟南：山東科學技術出版社，20099 李青電路與電子技術基礎杭州：浙江科學技術

17、出版社，2004附錄1：總體電路原理圖附錄2：元器件清單序號名稱型號規(guī)格數(shù)量1單片機STC89C5112模數(shù)轉換器ADC080913數(shù)碼管4位共陽14三極管 901245晶振12MHZ1 6排阻10K1 7 電阻22012.2K410K130K1 8 瓷片電容30pF2100nF19電解電容10uF110電位器10K111可調(diào)分流基準電壓源TL431112導線若干13焊錫若干附錄3：實物圖附錄4：源程序/程序頭函數(shù)#include /宏定義#define uint unsigned int #define uchar unsigned char#define Data_ADC0809 P1 /

18、管腳聲明/ADC0809sbit ST=P33;sbit EOC=P34;sbit OE=P32;/顯示數(shù)組0-9 H, L, -uchar Data_=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x76,0x38,0x40;uchar code Data_T=/AD數(shù)值對應的溫度0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,/*0-11*/此范圍內(nèi)為無效值，讀到的數(shù)據(jù)為-70x89,0x88,0x87,0x86,0x85,0x84,0x83,0x82,0x81,

19、/*12-20*/此范圍內(nèi)為負溫度值-9-10,1,2,3,4,5,6,6,7,8, /*21-30*/以下為正溫度0-1119,9,10,11,11,12,13,13,14,15, /*31-40*/15,16,17,17,18,18,19,19,20,21,/*41-50*/21,22,22,23,23,24,24,25,25,26, /*51-60*/26,27,27,28,28,29,29,30,30,30, /*61-70*/31,31,32,32,33,33,33,34,34,35, /*71-80*/35,36,36,36,37,37,38,38,39,39, /*81-90*/

20、39,40,40,41,41,42,42,42,43,43, /*91-100*/44,44,44,45,45,46,46,47,47,47, /*101-110*/48,48,49,49,49,50,50,51,51,51, /*111-120*/52,52,53,53,54,54,54,55,55,56, /*121-130*/56,57,57,57,58,58,59,59,60,60, /*131-140*/60,61,61,62,62,63,63,64,64,65, /*141-150*/65,65,66,66,67,67,68,68,69,69, /*151-160*/70,70,7

21、1,71,72,72,73,73,74,74, /*161-170*/75,75,76,76,77,78,78,79,79,80, /*171-180*/80,81,82,82,83,83,84,85,85,86, /*181-190*/87,87,88,89,89,90,91,91,92,93, /*191-200*/94,94,95,96,97,98,99,99,100,101,/*201-210*/102,103,104,105,106,107,108,109,110,111/*211-220*/;sbit Wei1 = P27;sbit Wei2 = P26;sbit Wei3 = P

22、25;sbit Wei4 = P24;/函數(shù)聲明void Display(uchar Data);uint temp,temp1;uchar p;/ADC0809讀取信息uchar ADC0809()uchar temp_=0x00;/初始化高阻太OE=0;/轉化初始化ST=0;/開始轉換ST=1;ST=0;/外部中斷等待AD轉換結束while(EOC=0);/讀取轉換的AD值OE=1;temp_=Data_ADC0809;OE=0;return temp_;/延時void delay(uint t)uint i,j;for(i=0;it;i+)for(j=0;j10;j+);void main()uchar i;uint pp;while(1)for(i=0;i50;i+)temp=ADC0809();pp=pp+temp;Display(temp1);t