單片機課設(shè) 熱敏電阻測溫系統(tǒng)

1、燕山大學課程設(shè)計說明書 前言近年來，我國工業(yè)現(xiàn)代化的進程和電子信息產(chǎn)業(yè)連續(xù)的高速增長，帶動了傳感器市場的快速上升。溫度傳感器作為傳感器中的重要一類，占整個傳感器總需求量的40%以上。溫度傳感器是利用NTC的阻值隨溫度變化的特性，將非電學的物理量轉(zhuǎn)換為電學量，從而可以進行溫度精確測量與自動控制的半導體器件。溫度傳感器與被測介質(zhì)的接觸方式分為兩大類：接觸式和非接觸式。接觸式溫度傳感器需要與被測介質(zhì)保持熱接觸，使兩者進行充分的熱交換而達到同一溫度。這一類傳感器主要有電阻式、熱電偶、PN結(jié)溫度傳感器等。非接觸式溫度傳感器無需與被測介質(zhì)接觸，而是通過被測介質(zhì)的熱輻射或?qū)α鱾鞯綔囟葌鞲衅?，以達到測溫的目的

2、。這一類傳感器主要有紅外測溫傳感器。這種測溫方法的主要特點是可以測量運動狀態(tài)物質(zhì)的溫度熱敏電阻是用半導體材料， 大多為負溫度系數(shù)，即阻值隨溫度增加而降低。溫度變化會造成大的阻值改變，因此它是最靈敏的溫度傳感器。但熱敏電阻的線性度極差，并且與生產(chǎn)工藝有很大關(guān)系。制造商給不出標準化的熱敏電阻曲線。熱敏電阻體積非常小，對溫度變化的響應(yīng)也快。但熱敏電阻需要使用電流源，小尺寸也使它對自熱誤差極為敏感。熱敏電阻在兩條線上測量的是絕對溫度， 有較好的精度，但它比熱偶貴， 可測溫度范圍也小于熱偶。一種常用熱敏電阻在25時的阻值為5k，每1的溫度改變造成200的電阻變化。注意10的引線電阻僅造成可忽略的 0.0

3、5誤差。它非常適合需要進行快速和靈敏溫度測量的電流控制應(yīng)用。尺寸小對于有空間要求的應(yīng)用是有利的，但必須注意防止自熱誤差。熱敏電阻還有其自身的測量技巧。熱敏電阻體積小是優(yōu)點，它能很快穩(wěn)定，不會造成熱負載。不過也因此很不結(jié)實，大電流會造成自熱。由于熱敏電阻是一種電阻性器件，任何電流源都會在其上因功率而造成發(fā)熱。功率等于電流平方與電阻的積。因此要使用小的電流源。如果熱敏電阻暴露在高熱中，將導致永久性的損壞。摘要本次設(shè)計為熱敏電阻溫度測量系統(tǒng)的實現(xiàn)，溫度測量顯示系統(tǒng)，以熱敏電阻構(gòu)成溫度測量電橋，當溫度發(fā)生變化時，電橋失去平衡，從而在電橋輸出端有電壓輸出，后經(jīng)過集成放大器放大，將放大后的信號輸入AD轉(zhuǎn)換

4、芯片， 進行A/D轉(zhuǎn)換后，用單片機進行數(shù)據(jù)的處理，通過顯示電路，在LED顯示數(shù)碼管上顯示。具體使用熱敏電阻監(jiān)測溫度變化，與R1，R2，R3電阻構(gòu)成測溫電橋，當溫度變化時，電橋處于不平衡狀態(tài)，兩端輸出不平衡電壓，并將通過運算放大器將微弱電壓信號放大，為測溫提供符合轉(zhuǎn)換條件的模擬電壓。傳感器輸出的模擬電壓經(jīng)一通道輸入ADC0809，經(jīng)內(nèi)部芯片處理，通過逐次逼近把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，實現(xiàn)硬件濾波和AD模數(shù)轉(zhuǎn)換。采用8051單片機，其工作在最小模式下，將AD模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進行處理，計算等操作，對應(yīng)轉(zhuǎn)換表格，來控制LED數(shù)碼管的輸出顯示。根據(jù)單片機處理信號的輸出，來驅(qū)動數(shù)碼管的顯示，利用動態(tài)數(shù)碼管實

5、時顯示出環(huán)境溫度。關(guān)鍵字： 熱敏電阻 A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換 單片機 LED數(shù)碼管 動態(tài)顯示目 錄第一章 設(shè)計方案與原理········································

6、3;61.1 設(shè)計目的及要求············································61.2 設(shè)計思路及分析·

7、3;··········································6第二章 熱敏電阻溫度傳感器原理·····

8、····························72.1 熱敏電阻特性····················&

9、#183;·························72.2 測溫電橋及信號放大電路·····················

10、83;··············72.3 電橋輸出電壓分析·································&#

11、183;········82.4 放大電路········································

12、;··········9第三章 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器·····································

13、103.1 ADC0809基本特性·········································103.2 ADC0890工作過程···&#

14、183;·····································11第四章 LED顯示器原理··········

15、······························124.1 LED數(shù)碼管簡介·················

16、3;·························124.2 數(shù)碼管控制方式······················

17、83;····················12第五章 AT89C51單片機介紹··························

18、83;··········13第六章 設(shè)計流程及硬件連線····································146.1

19、硬件電路接線·············································146.2 設(shè)計流程··&#

20、183;··············································16第七章 匯編程序設(shè)計·&#

21、183;········································16總結(jié)········

22、3;················································20參考文獻

23、3;·················································

24、3;··21燕山大學評審意見表···········································22第一章：設(shè)計方案與原理1.1

25、設(shè)計目的及要求;1.1.1 設(shè)計目的：溫度傳感器作為傳感器中的重要一類，占整個傳感器總需求量的40%以上。熱敏電阻溫度測量系統(tǒng)是利用NTC的阻值隨溫度變化的特性，將非電學的物理量轉(zhuǎn)換為電學量，具有體積非常小，對溫度變化的響應(yīng)也快的優(yōu)點。1.1.2 設(shè)計要求：設(shè)計一個采用熱敏電阻為敏感元件的溫度測量顯示系統(tǒng)，溫度顯示范圍為0-100，顯示分辨率0.1。依據(jù)系統(tǒng)要求，具體設(shè)計熱敏電阻檢測電路與單片機的接口電路、4位LED顯示電路；編制相應(yīng)的程序。1.2設(shè)計思路及分析1.2.1設(shè)計思路：該溫度測量顯示系統(tǒng)，以熱敏電阻構(gòu)成溫度測量電橋，當溫度發(fā)生變化時，電橋失去平衡，從而在電橋輸出端有電壓輸出，后經(jīng)過

26、集成放大器放大，將放大后的信號輸入AD轉(zhuǎn)換芯片， 進行A/D轉(zhuǎn)換后，用單片機進行數(shù)據(jù)的處理，通過顯示電路，在LED顯示數(shù)碼管上顯示出被測量的環(huán)境溫度。外部環(huán)境變化ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換LED顯示數(shù)碼管8051單片機熱敏電阻電橋轉(zhuǎn)換處理監(jiān)測放大熱敏電阻溫度測量顯示系統(tǒng)原理圖1.2.2 各模塊分析：1 熱敏電阻模塊：使用熱敏電阻監(jiān)測溫度變化，與R1，R2，R3電阻構(gòu)成測溫電橋，當溫度變化時，電橋處于不平衡狀態(tài)，兩端輸出不平衡電壓，并將通過運算放大器將微弱電壓信號放大，為測溫提供符合轉(zhuǎn)換條件的模擬電壓。2 ADC0809數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊：傳感器輸出的模擬電壓經(jīng)一通道輸入ADC0809，經(jīng)內(nèi)部芯片處理，通過逐次

27、逼近把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，實現(xiàn)硬件濾波和AD模數(shù)轉(zhuǎn)換。3 AT89C51單片機模塊：采用8051單片機，其工作在最小模式下，將AD模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進行處理，計算等操作，對應(yīng)轉(zhuǎn)換表格，來控制LED數(shù)碼管的輸出顯示。4 LED數(shù)碼管顯示模塊：根據(jù)單片機處理信號的輸出，來驅(qū)動數(shù)碼管的顯示，利用動態(tài)數(shù)碼管實時顯示出環(huán)境溫度。5 電源電路模塊：實現(xiàn)溫度的精確測量與顯示跟一個合適的穩(wěn)定的電源是密不可分的，由系統(tǒng)組成可知，系統(tǒng)要正常工作需要一個穩(wěn)定的+5V電源，用來給測溫電橋，單片機，顯示模塊，AD模塊供電，要實現(xiàn)信號的放大還需要給放大模塊提供穩(wěn)定的+9V ,-9V電源，使其穩(wěn)定正常工作。第二章：熱敏電阻

28、溫度傳感器原理2.1 熱敏電阻特性：熱敏電阻的主要特點是：靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10100倍以上，能檢測出10-6的溫度變化；工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55315，高溫器件適用溫度高于315（目前最高可達到2000），低溫器件適用于-27355；體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度；使用方便，電阻值可在0.1100k間任意選擇；易加工成復雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；穩(wěn)定性好、過載能力強。溫度是表征物體冷熱程度的物理量，常見的溫度傳感器有熱電阻傳感器、 熱敏電阻傳感器、 熱電偶溫度 傳感器、 集成溫度傳感器。熱敏電阻本身是一個利用其電阻值隨溫度變化而

29、 變化的溫度傳感元件， 而且其靈敏度高、 體積小、 使用方便、 結(jié)構(gòu)簡單等 優(yōu)點， 因此利用熱敏電阻制成的溫度計廣泛應(yīng)用于航空、 醫(yī)學、 工業(yè)及 家用電器等方面做測溫、 控制、 溫度補償、 流速測量、 液面指示等。采用 以單片機為核心的熱敏電阻溫度計能很容易地減小上述影響，并且讀 數(shù)方便， 精確度高， 更顯數(shù)字化。2.2 測溫電橋及信號放大電路 測溫電橋及信號放大電路上圖是一個比較常用的溫度測量電路，大致分為電源，電阻電橋，運放，輸出部分。電源由R4，R6，C1，U1B組成，R4，R6為分壓電路，C1主要濾除VCC中紋波，U1B為LM324運算放大器，工作于電壓跟隨器方式，其特點是具有高輸入阻

30、抗低輸出阻抗，為后級電橋提供較穩(wěn)定的電流。電橋由R1，R2，R3，R13及熱敏電阻組成，通過調(diào)節(jié)R13使電橋平衡，當溫度發(fā)生變化時，熱敏電阻變化，電橋產(chǎn)生電壓差。運放電路由R7，R8，R9，R10及U1A組成，調(diào)節(jié)R14可以調(diào)節(jié)輸出電壓幅值。D1主要用于防止輸出負電壓，保護后級A/D電路。具體測溫電橋如下： 熱敏電阻測溫傳感器測溫電橋如上圖所示，熱敏電阻RT和RA1，RB1，RC1，以及可變電阻R2組成一個測溫電橋，在溫度為20度時，調(diào)節(jié)R2使電橋達到平衡。當溫度升高時，熱敏電阻的阻值變大，電橋失去平衡，電橋輸出的不平衡電壓，經(jīng)過濾波后，輸入運算放大器，進行放大處理。2.3 電橋輸出電壓分析

31、電橋原理圖(1)電橋輸出電壓： （2）電橋平衡條件： 當各橋臂發(fā)生微小變化時，電橋失去平衡，其輸出為： 一般R很小，即R<<R，又電橋開始平衡，即 所以 實際使用中，為了簡化橋路設(shè)計，同時也為了得到電橋的最大靈敏度，往往取橋臂電阻相等。2.4 放大電路最后經(jīng)過放大部分，如圖，為傳感器的微弱電壓輸出的放大電路。分析它是一個差分放大電路,其放大倍數(shù)為,那么放大后的電壓值為,因為和溫度T有一定的線性關(guān)系，A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓為5v,因此對應(yīng)A/D輸出的電壓，與熱敏電阻感知的外界溫度具有一定的線性關(guān)系。放大電路電路圖第三章 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器3.1 ADC0809基本特性：AD

32、C0809是CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換，是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片。主要特性：1.8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位2.具有轉(zhuǎn)換啟停控制端3.轉(zhuǎn)換時間為100us(時鐘為640kHZ時），130us(時鐘為500KHZ時）4.它由單一+5V電源供電，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬多路開關(guān)，ADC0809可對0V5V的雙極性模擬信號進行轉(zhuǎn)換。5.引腳圖如圖所示。各引腳功能說明如下：8位數(shù)字量輸出引腳，由最低引腳到最高引腳。IN0IN7:8路模擬量輸

33、入引腳。：+5V工作電壓。GND：地。REF（+）：參考電壓正端。REF（）：參考電壓負端。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。ALE：地址鎖存允許信號輸入端。以上兩個信號用于啟動A/D轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳。開始轉(zhuǎn)換時為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平。OE：輸出允許控制端。用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。CLK：時鐘信號輸入端。ADDA、ADDB、ADDC：地址輸入線。經(jīng)譯碼后可選通IN0IN7 8個通道的一個通道進行轉(zhuǎn)換。ADC0809各引腳圖3.2 ADC0890工作過程ADC0809的工作過程如下：首先用指令選擇ADC0809的一個模擬輸入通道，當執(zhí)行MOVX DPTR,A時，產(chǎn)

34、生一個啟動信號給START引腳送入脈沖，開始對選中通道轉(zhuǎn)換。當轉(zhuǎn)換結(jié)束后發(fā)出結(jié)束信號，置EOC引腳信號為高電平，該信號可以作為中斷申請信號，當讀允許信號到，OE端有高電平，則可以讀出轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，利用MOVX A,DPTR把該通道轉(zhuǎn)換結(jié)果讀到累加器A中。轉(zhuǎn)換電壓為05V，調(diào)節(jié)橋路中的電位器，使其輸出電壓為05V，可以在較小范圍內(nèi)波動，當滿量程輸出時對應(yīng)八個1的輸出，由于前邊計算的電壓變化和電阻變化成正比關(guān)系，而且電阻變化和應(yīng)變成正比，進而得出的壓力和電壓是成正比的。第四章：LED顯示器原理4.1 LED數(shù)碼管簡介LED數(shù)碼管實際上是由七個發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點就是8個。這些段分別由

35、字母a,b,c,d,e,f,g,h來表示。當數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的2個8數(shù)碼管字樣了。其原理圖如圖所示LED顯示器有共陰極和共陽極兩種，以共陰極為例，要顯示數(shù)字0，需要滿足兩個條件，一是公共端子COM接地，二是a、b、c、d、e、f段亮，g段不亮，即a、b、c、d、e、f段加高電平1，g段加低電平0。7段LED顯示器顯示的數(shù)字、字符和對應(yīng)的字型碼如表所示，本設(shè)計采用共陰極顯示數(shù)字1234共陰極字符碼06H5BH4FH66H顯示數(shù)字5678共陰極字符碼6DH7DH07H7FH顯示數(shù)字90AB共陰極字符碼6FH3FH77H7CH顯示數(shù)字CDEF共陰極字

36、符碼39H5EH79H71H4.2 數(shù)碼管控制方式（1）靜態(tài)顯示當顯示器顯示某一個字符時，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的地導通或截止。例如，7段LED顯示器顯示數(shù)字0時，a、b、c、d、e、f段恒定導通，g段恒定截止。這種顯示方式每一位都需要一個8位輸出口控制。靜態(tài)顯示主要的優(yōu)點是顯示穩(wěn)定，在發(fā)光二極管導通電流一定的情況下顯示器的亮度大，系統(tǒng)運行過程中，在需要更新顯示內(nèi)容時，CPU才去執(zhí)行顯示更新子程序，這樣既節(jié)約了CPU的時間，又提高了CPU的工作效率。其不足之處是占用硬件資源較多，每個LED數(shù)碼管需要獨占8條輸出線。隨著顯示器位數(shù)的增加，需要的I/O口線也將增加。（2）動態(tài)顯示當為數(shù)較多時，用靜態(tài)

37、顯示所需的I/O口太多，不太經(jīng)濟，一般采用動態(tài)顯示方法，即用掃描的方法一位一位輪流點亮顯示器的各個位，對于顯示器的每一位來說，每隔一段時間點亮一次，利用人眼的視覺暫留效應(yīng)可以看到整個動態(tài)顯示，但必須保證掃描速度足夠快，字符才不閃爍。顯示器的亮度既與導通電流有關(guān)，也與點亮時間和間隔時間的比值有關(guān)。調(diào)整電流和時間參數(shù)，可以得到亮度較高且較穩(wěn)定的顯示。在動態(tài)顯示方式中，若顯示器的位數(shù)不大于8位，則控制顯示器各位公共極的電位使他們輪流點亮只需一個I/O口（稱為掃描口）；傳送顯示器的各位所顯示的段選碼也需一個8位I/O口（稱為段數(shù)據(jù)口）。由于8031I/O口有限，所以本次設(shè)計采用動態(tài)顯示方式。第五章：A

38、T89C51單片機介紹采用8051單片機，其管腳圖如下： 80C51的引腳圖1.電源 （1）VCC - 芯片電源，接+5V； （2）VSS - 接地端； 2.時鐘XTAL1、XTAL2 - 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。 3.控制線（4根）（1）ALE/PROG:地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖。 ALE功能：用來鎖存P0口送出的低8位地址。 PROG功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。 （2）PSEN:外ROM讀選通信號。（3）RST/VPD:復位/備用電源。 RST（Reset）功能：復位信號輸入端。 VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源。（

39、4）EA/Vpp:內(nèi)外ROM選擇/片內(nèi)EPROM編程電源。 EA功能：內(nèi)外ROM選擇端。 Vpp功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源Vpp。 4.I/O線 80C51共有4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳。P3口還有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。第六章：設(shè)計流程及硬件接線6.1 設(shè)計流程：熱敏電阻檢測電路與單片機的接口電路（ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換電路）和LED顯示電路總體程序流程圖如下：讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)報警5位是否完成？指向下一個顯示數(shù)據(jù)位選通數(shù)據(jù)移位延時段選通輸出數(shù)據(jù)位選通輸出數(shù)據(jù)是否大于30度？讀取處理后的數(shù)據(jù)啟

40、動ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換ADC轉(zhuǎn)換是否完成？數(shù)據(jù)處理：取反，十進制調(diào)整關(guān)閉所有數(shù)碼管顯示開 始YNYNY輸出顯示返回啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換總流程圖6.2硬件電路接線1.WAVE2000試驗箱地址插孔及地址：譯碼插孔地址范圍CS008000H08FFFHCS109000H09FFFHCS20A000H0AFFFHCS30B000H0BFFFHCS40C000H0CFFFHCS50D000H0DFFFHCS60E000H0EFFFHCS70F000H0FFFFH地址碼插孔及對應(yīng)地址范圍2.本次設(shè)計硬件接線：連線連接孔1連接孔21IN0溫度傳感器輸出2KEY/LED_CSCS03AD_CSCS14蜂鳴接孔P1.1 硬

41、件接線框圖 第七章：匯編程序設(shè)計ADC EQU 09000H ; ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器地址LEDBUF EQU 60H ; LED顯示緩沖單元地址RESULT EQU 76H ; ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲單元 ORG 0000H LJMP MAINTABLE: ; 數(shù)碼管顯示碼表格 DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H, DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FHDELAY: ; 延時模塊 MOV R6,#20DELAY11: MOV R7,#30 DJNZ R7,$ DJNZ R6,DELAY11 RETREAD: ;讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果并存儲模塊 MOV DPTR,#ADC MOV A,#0

42、 MOVX DPTR,A ;啟動 A/D轉(zhuǎn)換 CALL DELAY MOVX A,DPTR MOV RESULT,A ;讀取數(shù)據(jù)，存儲到RESULT單元 RETSEARCHTABLE: ;查找數(shù)字顯示表格模塊 ANL A,#0FH MOV DPTR,#TABLE MOVC A,A+DPTR RETLEDRESULT: ;結(jié)果輸出模塊 MOV A,RESULT CPL A MOV B,#22H MUL AB PUSH A MOV A,B PUSH A CALL BAOJING POP A MOV B,#100 DIV AB CALL SEARCHTABLE MOV LEDBUF,A ;輸出百位數(shù)字 MOV A,B MOV B,#10 DIV AB CALL SEARCHTABLE MOV LEDBUF+1,A ;輸出十位數(shù)字 MOV A,B CALL SEARCHTABLE ORL A,#80H MOV LEDBUF+2,A ;輸出個位數(shù)字 POP A MOV B,#10 MUL AB MOV A,B CALL SEARCHTABLE MOV LEDBUF+3,A ;輸出十分位數(shù)字 MOV LEDBUF+4,#39H ;輸出攝氏度代表符號 MOV R4,#300 RETDIS