基于NTC熱敏電阻的溫度測(cè)量與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、題目名稱：基于NTC熱敏電阻的溫度測(cè)量與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要： 本系統(tǒng)由TL431精密基準(zhǔn)電壓，NTC熱敏電阻(MF-55)的溫度采集，A/D和D/A轉(zhuǎn)換，單片機(jī)STC89C51為核心的最小控制系統(tǒng)，LCD1602的顯示電路等構(gòu)成。溫度值的線性轉(zhuǎn)換通過(guò)軟件的插值方法實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)能夠測(cè)量范圍為0100，測(cè)量精度1,并且能夠記錄24小時(shí)內(nèi)每間隔30分鐘溫度值，并能夠回調(diào)選定時(shí)刻的溫度值，能計(jì)算并實(shí)時(shí)顯示24小時(shí)內(nèi)的平均溫度、溫度最大值、最小值、最大溫差，且有越限報(bào)警功能。由于采用兩個(gè)水泥電阻作為控溫元件，更有效的增加了溫度控制功能。關(guān)鍵詞： NTC TL431 溫度 線性轉(zhuǎn)換Abstract: Th

2、e system is composed of TL431 as precise voltage,the temperature acauisition circuit with NTC thermistors (MF-55), the transform circuit of A/D and D/A, the core of the minimum control system with STC89C51, 1the display circuit usingLCD1602, etc. Get the temperature of the linear transformation by t

3、he software method. The range of the measure system is 0 100 , measurement accuracy + 1 .It can record 24 hours of each interval temperature by per 30 minutes selected of temperature.The time can be calculated and real-time display within 24 hours of the average temperature, maximum temperature and

4、minimum temperature, maximum value, and each temperature sensor has more all the way limit alarm function. Due to the two cement resistance as temperature control components, the more effective increase the temperature control function.Keyword: NTC TL431 temperature linear conversion目 錄1方案設(shè)計(jì)與論證31.1

5、整體設(shè)計(jì)方案比較和選擇32 系統(tǒng)設(shè)計(jì)52.1 總體設(shè)計(jì)52.2各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì)52.2.1 學(xué)習(xí)板電路52.2.2測(cè)溫通道電路72.2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路82.3 特殊器件的介紹83 軟件設(shè)計(jì)93.1 軟件流程圖93.2 線性轉(zhuǎn)換處理-線性插值104 系統(tǒng)測(cè)試114.1 測(cè)試方法114.2 測(cè)試結(jié)果124.3結(jié)果分析145 結(jié)論14參考文獻(xiàn)14附錄：15附1：元器件明細(xì)表15附2：儀器設(shè)備清單15附3：電路圖圖紙16附4：程序清單171方案設(shè)計(jì)與論證1.1 整體設(shè)計(jì)方案比較和選擇溫度測(cè)量和控制系統(tǒng)，基于NTC熱敏電阻的特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)外界溫度變化時(shí)，可以將溫度值轉(zhuǎn)換為電壓值。電壓值經(jīng)

6、過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)進(jìn)行處理。當(dāng)某路傳感器溫度超越設(shè)定的溫度上下閥值時(shí)，即產(chǎn)生相應(yīng)的聲光報(bào)警信號(hào)并顯示該傳感器的溫度值，直至溫度回到門限內(nèi)（要求具有1的回差）或通過(guò)控制鍵解除警報(bào)。后向通道通過(guò)水泥電阻作為控溫元件，增加溫度控制功能。最后將輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，變換為溫度，最終經(jīng)過(guò)LCD1602進(jìn)行顯示。NTC熱敏電阻特點(diǎn)是在工作溫度范圍內(nèi)電阻阻值隨溫度的上升而降低，可滿足0100測(cè)量范圍，但熱敏電阻精度、重復(fù)性、可靠性較差，不適用于檢測(cè)小于1的信號(hào)；而且線性度很差，不能直接用于A/D轉(zhuǎn)換，應(yīng)該用硬件或軟件對(duì)其進(jìn)行線性化補(bǔ)償。該溫度測(cè)控系統(tǒng)，需要前向通道（溫度采集器和AD轉(zhuǎn)換器），單片

7、機(jī)控制系統(tǒng)和后向通道（溫度控制系統(tǒng)）三部分組成。其中溫度采集器部分有以下三種方案：方案1：采用NTC熱敏電阻，恒流源（采用LM317L，內(nèi)部提供1.2V的基準(zhǔn)電壓）和相電壓跟隨器運(yùn)放構(gòu)成（如圖1所示）。方案優(yōu)點(diǎn)：該方案硬件電路簡(jiǎn)單，電路電流值較小，焦耳熱損耗很小，溫度測(cè)量誤差可以控制在很小的范圍內(nèi)。方案缺點(diǎn)：因?yàn)楹懔髟匆峁┖涟矓?shù)量級(jí)的電流，但受電源變化的影響較大，故要求電源十分穩(wěn)定，同時(shí)其輸出精度不高。圖1 方案1系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖方案2：采用恒壓源、滑動(dòng)變阻器和同相電壓跟隨器的運(yùn)放電路構(gòu)成（如圖2所示）。方案優(yōu)點(diǎn)：原理簡(jiǎn)單，電路簡(jiǎn)單；方案缺點(diǎn)：恒壓源不能保證絕對(duì)的恒壓，從而使溫度測(cè)得不穩(wěn)定。圖2

8、 方案2系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖方案3： 基于緊密穩(wěn)壓電源TL431作為恒壓源，后接電橋電阻電路和三運(yùn)放電路（如圖3所示）。三運(yùn)放的放大增益計(jì)算公式：由于：=30K;=20K;=1K所以：最大可以放大約60倍。電橋中和的取值決定了輸出電壓的精確度，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，所以該處取值都為20K。 圖3 方案3系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖方案選定：方案3方案論證：綜上所述前面采用電橋方法可以減小由于恒壓源輸出電壓的波動(dòng)感的影響。后面采用差分放大，從而輸出很穩(wěn)定，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，所以選擇方案3。其中運(yùn)放選OP07（零點(diǎn)漂移很小，類似于精密放大，雖然帶寬不是很寬，但是在此處已經(jīng)足夠了），方案3中，R5用滑動(dòng)變阻器，可以很方便的改

9、變?cè)鲆?。同時(shí)又不影響電路的對(duì)稱性。 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 總體設(shè)計(jì) 經(jīng)過(guò)TL431精密穩(wěn)壓源輸出2.5V電壓給一個(gè)橋式電阻電路，由于NTC熱敏電阻的特性，所以隨著溫度的變化，電阻值減少了，后面在接一個(gè)三運(yùn)放電路將電壓放大到所需要的電壓值。輸出的電壓值經(jīng)過(guò)8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字信號(hào)經(jīng)由單片機(jī)STC89C51進(jìn)行處理，然后將這些值送由LCD1602進(jìn)行顯示（如圖4所示）。 圖4 系統(tǒng)總體方案 2.2 各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì)2.2.1 學(xué)習(xí)板電路 學(xué)習(xí)板系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)電路圖（如圖5所示）。LED數(shù)碼顯示器DA轉(zhuǎn)換器蜂鳴器溫度傳感器EEPROM計(jì)算機(jī)USB通信接口電源鍵盤AD轉(zhuǎn)

10、換器LCD顯示器LED流水燈MCUP2P3P1P0 圖5 學(xué)習(xí)板系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖學(xué)習(xí)板上獨(dú)立按鍵和矩陣按鍵的電路圖（如圖6所示）。 圖6 鍵盤電路STC89C51單片機(jī)電路圖（如圖7所示）。 圖7 單片機(jī)電路2.2.2 測(cè)溫通道電路 下圖為前向通道的電源部分。中間有D1和D2兩個(gè)發(fā)光二極管，用來(lái)指示電源是否正常供電，此外還加了兩個(gè)大小電容的并聯(lián)電路，起濾波作用（如圖8所示）。 圖8 前向通道電源電路控溫電路，采用兩個(gè)水泥電阻，更有效的對(duì)NTC熱敏電阻進(jìn)行控溫操作（如圖9所示）。 圖9 控溫電路2.2.3 報(bào)警電路 蜂鳴器電路，當(dāng)溫度超過(guò)限度是起報(bào)警作用（圖10 報(bào)警電路）。 圖10 報(bào)警電路2.

11、2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 前向通道中，當(dāng)溫度值轉(zhuǎn)換為電壓后，還需要將電壓值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的值才能送到單片機(jī)進(jìn)行處理。后向通道中進(jìn)行溫度顯示前應(yīng)該先經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換（如圖11 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路）。圖11 AD以及DA轉(zhuǎn)換原理圖2.3 特殊器件的介紹熱敏電阻器是一種隨（感應(yīng)）溫度的變化其電阻值呈顯著變化的熱敏感半導(dǎo)體元件。溫度升高時(shí)阻值下降的熱敏電阻器，稱為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）。NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻R-T特性如下圖12所示：圖12 B 值相同，阻值不同的 R-T 特性曲線示意圖 電阻值和溫度變化的關(guān)系式為： 其中，RT為在溫度T(K)時(shí)的NTC熱敏電阻阻值，RN為在額定溫度TN(K)時(shí)

12、的NTC熱敏電阻阻值。(TN取25，RN=120 k)，T為規(guī)定溫度(K)，B為NTC熱敏電阻的材料常數(shù)，又叫熱敏指數(shù)。而且， 通過(guò)公式(1)、(2)以及表1，可求得B=3 900 K，從而可以得出電阻值和溫度變化的關(guān)系式為：3 軟件設(shè)計(jì)3.1 軟件流程圖該程序基于小系統(tǒng)板,小系統(tǒng)板上有顯示、ADC轉(zhuǎn)換、鍵盤等電路。學(xué)習(xí)系統(tǒng)板上主控單片機(jī)為STC89C51，所以采用c51編程方便簡(jiǎn)單，軟件流程圖如下：圖8 主程序流程圖3.2 線性轉(zhuǎn)換處理-線性插值在ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中不可能每一個(gè)數(shù)值都在整溫度所對(duì)應(yīng)的ADC數(shù)值上，所以如果在兩個(gè)數(shù)據(jù)的中間一段就要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的精確定位。這樣就必須知道

13、采集到的數(shù)據(jù)在表12中的具體位置，因此要對(duì)數(shù)據(jù)表進(jìn)行搜索、查找。線性表的查找（也稱檢索），可以有比較常見的順序查找、折半查找及分塊查找等方法，分析線性表12可以得到折半查找的算法是比較高效的。這樣的插值計(jì)算實(shí)際上是分段的，用直線段來(lái)擬和溫度曲線，因此在處理的過(guò)程中分段越細(xì)致擬和的曲線就越接近實(shí)際溫度曲線。表1 插值表溫度傳感器在0到100輸出0V2.5V，溫度起點(diǎn)為0，滿量程為100。學(xué)習(xí)系統(tǒng)板子上有8位的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)應(yīng)輸出的數(shù)字量為BB（0-2.5V），應(yīng)用以下變換公式進(jìn)行變換：AX=A0+(AM-A0)(NX-N0)/(NM-N0)式中，A0為一次測(cè)量?jī)x表的下限。AM為一次測(cè)量?jī)x表的上限

14、。AX實(shí)際測(cè)量值。N0儀表下限對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。NM儀表上限對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。NX測(cè)量值對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。溫度非線性轉(zhuǎn)換程序模塊采用折線擬合法進(jìn)行線性化處理4 系統(tǒng)測(cè)試4.1 測(cè)試方法 步驟1：先安上元件后，測(cè)試電路是否正確連通，待沒(méi)有任何問(wèn)題后將集成芯片安上。以此可以防止集成芯片由于電壓過(guò)大而燒壞。 步驟2：將NTC熱敏電阻放入冰水混合物中（0，進(jìn)行調(diào)零操作。此時(shí)電壓輸出為0V。 步驟3：將NTC熱敏電阻放入沸水杯子中，進(jìn)行調(diào)滿操作。此時(shí)的電壓輸出為最大，即為2.5V。 步驟4：記錄不同溫度時(shí)刻對(duì)應(yīng)的溫度轉(zhuǎn)換值和實(shí)際溫度值，進(jìn)行NTC溫度特性曲線的繪制。4.2 測(cè)試結(jié)果 對(duì)于電橋溫度的取值會(huì)影響后面測(cè)試

15、溫度的精度，所以在電橋平衡電阻(R1,R2)分別在200K和6.8K和20K時(shí)，對(duì)溫度進(jìn)行了測(cè)量。 具體情況如下圖表格和圖所示：、表2 第一次溫度曲線實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)表3 第二次溫度曲線實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù) 表3 最終溫度測(cè)量數(shù)據(jù)4.3結(jié)果分析 又圖上特性曲線可以看出，溫度變化從0度開始到100時(shí)，變化規(guī)律為先慢接著較快后很慢；5 結(jié)論由于系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，功能電路實(shí)現(xiàn)較好，系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定，較好地達(dá)到了題目要求的各項(xiàng)指標(biāo)?；趯W(xué)習(xí)板小系統(tǒng)進(jìn)行軟件調(diào)試很容易。在采集溫度部分有調(diào)零和滿刻度調(diào)整電路，在三運(yùn)放的放大部分有滑動(dòng)變阻器，可以很容易改變?cè)鲆?。在?shí)現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換時(shí)，利用插值法，在提高測(cè)量精度是變得更容易

16、。此外，在后面的控溫部分可以采用TEC半導(dǎo)體制冷片。因?yàn)椴捎萌龢O管放大電路必須考慮三極管所允許的最大允許電流，否則會(huì)造成三極管燒壞。參考文獻(xiàn) 1 陳武凡.小波分析及其在圖像處理中的應(yīng)用.科學(xué)出版社，2002.01.2 高吉祥主編 . 高頻電子線路 . 北京：電子工業(yè)出版社，20033 易波 . 通信原理 . 長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社出版，19984 何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置與接口技術(shù)M.北京：北京航空航天大學(xué)，1990.5 李曉荃.單片機(jī)原理與應(yīng)用M. 北京:電子工業(yè)出版社，2000.6 樊昌信.通信原理(第五版)M.北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2001 .7 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)競(jìng)賽組

17、委員會(huì).全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽訓(xùn)練教程M.北京 電子工業(yè)出版社，2005.8 俞俊民.自制恒流源J.沈陽(yáng)電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，1997.9 朱傳奇.簡(jiǎn)易使用的直流電流源J.山東電力技術(shù)，1999.10 馬云峰.單片機(jī)控制的直流電流源設(shè)計(jì)J.濰坊高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，1999.11 Richard c .Dorf.modern conctrol systermM.BEIJING:Science Publishing House，2002.12 Donald A. Neamen. Electronic circuit analysis and designM.Tsinghua University P

18、ress and Springer Verlag.2002.附錄： 附1：元器件明細(xì)表1. 基準(zhǔn)穩(wěn)壓集成芯片TL431 2. ADC08043. DAC08324. 單片機(jī)STC89C515. 三極管80506. 液晶LCD1602附2：儀器設(shè)備清單1、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器 2、數(shù)字萬(wàn)用表 3、模擬示波器4、穩(wěn)壓電源附3：電路圖圖紙 前后向通道電路圖 學(xué)習(xí)板小系統(tǒng)原理圖 前后向通道PCB圖 附4：程序清單* 課題：測(cè)溫 * 創(chuàng)建時(shí)間：年月日 */* 主函數(shù)部分*/ void main() uchar b=0,c,d; float e; init(); /液晶初始化 xianshi(7,mima1,0

19、x80); /顯示密碼字樣 do du_key1(); /掃描鍵盤 du_key2(); if(adjust1=4&adjust4=3) b=1; adjust1=0; adjust4=0; while(b=0); Timer_start(); xianshi(16,deng1,0x80); /顯示“please wait”字樣 while(remembermax) max=wendu;else if(wendumin2) min2=wendu; deep_chuli(wendu);baojin();write_command(0x80+6);write_date(AD_buffer0);wr

20、ite_command(0x80+7);write_date(AD_buffer1);write_command(0x80+8);write_date(.);write_command(0x80+9);write_date(AD_buffer2);deep_chuli(max);write_command(0xc0+4);write_date(AD_buffer0); write_command(0xc0+5);write_date(AD_buffer1);write_command(0xc0+6);write_date(.);write_command(0xc0+7);write_date(

21、AD_buffer2);deep_chuli(min2);write_command(0xc0+12);write_date(AD_buffer0); write_command(0xc0+13);write_date(AD_buffer1);write_command(0xc0+14);write_date(.);write_command(0xc0+15);write_date(AD_buffer2); /*子程序部分*/ /*采集*/void AD_caiji(uchar x) csad=0; WR1=0; /啟動(dòng) _nop_(); WR1=1; delay1(); AD_data=0x

22、ff; RD1=0; AD_bufferx=AD_data; RD1=1; WR1=0; void chunshu() /數(shù)據(jù)存儲(chǔ) uchar i; for(i=0;i0;x-) for(y=x;y0;y-) if(AD_bufferyAD_buffery-1)/大小排序（從大到?。?buff=AD_buffery-1; AD_buffery-1=AD_buffery; AD_buffery=buff; buff=AD_buffer0; AD_buffer0=AD_bufferx; AD_bufferx=buff; buff=0; for(x=14;x0;x-) buff=buff+AD_bu

23、fferx; average=buff/14; /*鍵盤查詢*/ void delay1()uchar g,h; for(g=100;g0;g-) for(h=100;h0;h-); void du_key1() key1=1; if(key1=0) delay1(); if(key1=0) flag=0; adjust1=adjust1+1; if(adjust1=8) adjust1=0; while(key1=0); void du_key2() key2=1; if(key2=0) delay1(); if(key2=0) if(adjust1=1) adjust2=adjust2+1

24、; if(adjust2=5) / 十位 adjust2=0; else if(adjust1=2) adjust3=adjust3+1; / 個(gè)位 if(adjust3=10) adjust3=0; else if(adjust1=4) adjust4=adjust4+1; / 密碼else if(adjust1=5) /調(diào)節(jié)pwm的占空比 增加 tiao=tiao+1; if(tiao=101) tiao=0; else if(adjust1=6)/調(diào)節(jié)pwm的占空比 減少 tiao=tiao-1; if(tiao=0) tiao=100; while(key2=0); /*溫度線性處理模

25、塊*/ void line_processer(uchar x,uchar f) uchar y,z=0; for(y=0;y=Fen_duany0&fFen_duany1) z=y; wendu=(f-Fen_duanz0)/slopez+Fen_duanz2; void deep_chuli(float y) int x; x=y*10; AD_buffer0=shux/100; AD_buffer1=shu(x-(x/100)*100)/10; AD_buffer2=shux%10; /*一天的平均溫度*/ void day_average() uchar x;float y=0; for(x=0;x=35|wendu=10) beep=0; else if(wendu=11) beep=1; tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R