畢業(yè)設計（論文）基于NTC熱敏電阻的溫度測量與控制系統(tǒng)設計

1、題目名稱：基于ntc熱敏電阻的溫度測量與控制系統(tǒng)設計 摘要： 本系統(tǒng)由tl431精密基準電壓，ntc熱敏電阻(mf-55)的溫度采集，a/d和d/a轉換，單片機stc89c51為核心的最小控制系統(tǒng)，lcd1602的顯示電路等構成。溫度值的線性轉換通過軟件的插值方法實現(xiàn)。該系統(tǒng)能夠測量范圍為0100，測量精度±1,并且能夠記錄24小時內每間隔30分鐘溫度值，并能夠回調選定時刻的溫度值，能計算并實時顯示24小時內的平均溫度、溫度最大值、最小值、最大溫差，且有越限報警功能。由于采用兩個水泥電阻作為控溫元件，更有效的增加了溫度控制功能。關鍵詞： ntc tl431 溫度 線性轉換abstra

2、ct: the 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 transformatio

3、n by the 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 temperatur

4、e and 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方案設計與論

5、證31.1 整體設計方案比較和選擇32 系統(tǒng)設計52.1 總體設計52.2各單元模塊功能介紹及電路設計52.2.1 學習板電路52.2.2測溫通道電路72.2.3 模數(shù)轉換電路82.3 特殊器件的介紹83 軟件設計93.1 軟件流程圖93.2 線性轉換處理-線性插值104 系統(tǒng)測試114.1 測試方法114.2 測試結果124.3結果分析145 結論14參考文獻14附錄：15附1：元器件明細表15附2：儀器設備清單15附3：電路圖圖紙16附4：程序清單171方案設計與論證1.1 整體設計方案比較和選擇溫度測量和控制系統(tǒng)，基于ntc熱敏電阻的特性進行設計。當外界溫度變化時，可以將溫度值轉換為電壓

6、值。電壓值經過模數(shù)轉換后送入單片機進行處理。當某路傳感器溫度超越設定的溫度上下閥值時，即產生相應的聲光報警信號并顯示該傳感器的溫度值，直至溫度回到門限內（要求具有1的回差）或通過控制鍵解除警報。后向通道通過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)字信號經過d/a轉換，變換為溫度，最終經過lcd1602進行顯示。ntc熱敏電阻特點是在工作溫度范圍內電阻阻值隨溫度的上升而降低，可滿足0100測量范圍，但熱敏電阻精度、重復性、可靠性較差，不適用于檢測小于1的信號；而且線性度很差，不能直接用于a/d轉換，應該用硬件或軟件對其進行線性化補償。該溫度測控系統(tǒng)，需要前向通道（溫度采集器和ad轉

7、換器），單片機控制系統(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，內部提供1.2v的基準電壓）和相電壓跟隨器運放構成（如圖1所示）。方案優(yōu)點：該方案硬件電路簡單，電路電流值較小，焦耳熱損耗很小，溫度測量誤差可以控制在很小的范圍內。方案缺點：因為恒流源要提供毫安數(shù)量級的電流，但受電源變化的影響較大，故要求電源十分穩(wěn)定，同時其輸出精度不高。圖1 方案1系統(tǒng)設計框圖方案2：采用恒壓源、滑動變阻器和同相電壓跟隨器的運放電路構成（如圖2所示）。方案優(yōu)點：原理簡單，電路簡單；方案缺點：恒壓源不能保證絕對的恒壓，從而使溫度測得

8、不穩(wěn)定。圖2 方案2系統(tǒng)設計框圖方案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放電路（如圖3所示）。三運放的放大增益計算公式：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，經過多次測量，所以該處取值都為20k。 圖3 方案3系統(tǒng)設計框圖方案選定：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)設計的要求，所以選擇方案3。其中運放選op07（零點漂移很小，類似于精密放大，雖然帶寬不是很寬，但是在此處已經足夠了），方案3中，r5用滑動變阻器，可

9、以很方便的改變增益。同時又不影響電路的對稱性。 2 系統(tǒng)設計2.1 總體設計 經過tl431精密穩(wěn)壓源輸出2.5v電壓給一個橋式電阻電路，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，后面在接一個三運放電路將電壓放大到所需要的電壓值。輸出的電壓值經過8位a/d轉換器adc0804轉換后，將數(shù)字信號經由單片機stc89c51進行處理，然后將這些值送由lcd1602進行顯示（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計2.2.1 學習板電路 學習板系統(tǒng)總體設計電路圖（如圖5所示）。led數(shù)碼顯示器da轉換器蜂鳴器溫度傳感器eeprom計算機usb通信接口電

10、源鍵盤ad轉換器lcd顯示器led流水燈mcup2p3p1p0 圖5 學習板系統(tǒng)總體設計圖學習板上獨立按鍵和矩陣按鍵的電路圖（如圖6所示）。 圖6 鍵盤電路stc89c51單片機電路圖（如圖7所示）。 圖7 單片機電路2.2.2 測溫通道電路 下圖為前向通道的電源部分。中間有d1和d2兩個發(fā)光二極管，用來指示電源是否正常供電，此外還加了兩個大小電容的并聯(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，采用兩個水泥電阻，更有效的對ntc熱敏電阻進行控溫操作（如圖9所示）。 圖9 控溫電路2.2.3 報警電路 蜂鳴器電路，當溫度超過限度是起報警作用（圖10 報警電路）。 圖10

11、報警電路2.2.3 模數(shù)轉換電路 前向通道中，當溫度值轉換為電壓后，還需要將電壓值進行a/d轉換，轉換后的值才能送到單片機進行處理。后向通道中進行溫度顯示前應該先經過d/a轉換（如圖11 模數(shù)轉換電路）。圖11 ad以及da轉換原理圖2.3 特殊器件的介紹熱敏電阻器是一種隨（感應）溫度的變化其電阻值呈顯著變化的熱敏感半導體元件。溫度升高時阻值下降的熱敏電阻器，稱為負溫度系數(shù)熱敏電阻器（ntc）。ntc負溫度系數(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系式

12、為：        其中，rt為在溫度t(k)時的ntc熱敏電阻阻值，rn為在額定溫度tn(k)時的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系式為：    3 軟件設計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

13、轉換、鍵盤等電路。學習系統(tǒng)板上主控單片機為stc89c51，所以采用c51編程方便簡單，軟件流程圖如下：圖8 主程序流程圖3.2 線性轉換處理-線性插值在adc進行數(shù)據(jù)采集的過程中不可能每一個數(shù)值都在整溫度所對應的adc數(shù)值上，所以如果在兩個數(shù)據(jù)的中間一段就要對其進行進一步的精確定位。這樣就必須知道采集到的數(shù)據(jù)在表12中的具體位置，因此要對數(shù)據(jù)表進行搜索、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。這樣的插值計算實際上是分段的，用直線段來擬和溫度曲線，因此在處理的過程中分段越細致擬和的曲線就越接近實際溫度

14、曲線。表1 插值表溫度傳感器在0到100輸出0v2.5v，溫度起點為0，滿量程為100。學習系統(tǒng)板子上有8位的a/d轉換器對應輸出的數(shù)字量為00000000b11111111b（0-2.5v），應用以下變換公式進行變換：ax=a0+(am-a0)(nx-n0)/(nm-n0)式中，a0為一次測量儀表的下限。am為一次測量儀表的上限。ax實際測量值。n0儀表下限對應的數(shù)字量。nm儀表上限對應的數(shù)字量。nx測量值對應的數(shù)字量。溫度非線性轉換程序模塊采用折線擬合法進行線性化處理4 系統(tǒng)測試4.1 測試方法 步驟1：先安上元件后，測試電路是否正確連通，待沒有任何問題后將集成芯片安上。以此可以防止集成芯

15、片由于電壓過大而燒壞。 步驟2：將ntc熱敏電阻放入冰水混合物中（0，進行調零操作。此時電壓輸出為0v。 步驟3：將ntc熱敏電阻放入沸水杯子中，進行調滿操作。此時的電壓輸出為最大，即為2.5v。 步驟4：記錄不同溫度時刻對應的溫度轉換值和實際溫度值，進行ntc溫度特性曲線的繪制。4.2 測試結果 對于電橋溫度的取值會影響后面測試溫度的精度，所以在電橋平衡電阻(r1,r2)分別在200k和6.8k和20k時，對溫度進行了測量。 具體情況如下圖表格和圖所示：、表2 第一次溫度曲線實際測量數(shù)據(jù)表3 第二次溫度曲線實際測量數(shù)據(jù) 表3 最終溫度測量數(shù)據(jù)4.3結果分析 又圖上特性曲線可以看出，溫度變化從

16、0度開始到100°時，變化規(guī)律為先慢接著較快后很慢；5 結論由于系統(tǒng)架構設計合理，功能電路實現(xiàn)較好，系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定，較好地達到了題目要求的各項指標?；趯W習板小系統(tǒng)進行軟件調試很容易。在采集溫度部分有調零和滿刻度調整電路，在三運放的放大部分有滑動變阻器，可以很容易改變增益。在實現(xiàn)溫度轉換時，利用插值法，在提高測量精度是變得更容易。此外，在后面的控溫部分可以采用tec半導體制冷片。因為采用三極管放大電路必須考慮三極管所允許的最大允許電流，否則會造成三極管燒壞。參考文獻 1 陳武凡.小波分析及其在圖像處理中的應用.科學出版社，2002.01.2 高吉祥主編 . 高頻電子線路 . 北京

17、：電子工業(yè)出版社，20033 易波 . 通信原理 . 長沙：國防科技大學出版社出版，19984 何立民.單片機應用系統(tǒng)設計系統(tǒng)配置與接口技術m.北京：北京航空航天大學，1990.5 李曉荃.單片機原理與應用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：國防工業(yè)出版社,2001 .7 全國大學生電子設計設計競賽組委員會.全國大學生電子設計競賽訓練教程m.北京 電子工業(yè)出版社，2005.8 俞俊民.自制恒流源j.沈陽電力高等?？茖W校學報，1997.9 朱傳奇.簡易使用的直流電流源j.山東電力技術，1999.10 馬云峰.單片機控制的直流電流源設計j.濰坊高等?？茖W校

18、學報，1999.11 richard c .dorf.modern conctrol systermm.beijing:science publishing house，2002.12 donald a. neamen. electronic circuit analysis and designm.tsinghua university press and springer verlag.2002.附錄： 附1：元器件明細表1. 基準穩(wěn)壓集成芯片tl431 2. adc08043. dac08324. 單片機stc89c515. 三極管80506. 液晶lcd1602附2：儀器設備清單1、數(shù)

19、字信號發(fā)生器 2、數(shù)字萬用表 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 學習板小系統(tǒng)原理圖 前后向通道pcb圖 附4：程序清單* 課題：測溫 * 創(chuàng)建時間：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,mima1,0x80); /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(); x

20、ianshi(16,deng1,0x80); /顯示“please wait”字樣 while(remember<=50); init(); xianshi(6,wendu1,0x80); while(1) du_key1();du_key2();chunshu();lvbo();if(adjust1=1) flag=flag+1; if(flag=1) init(); xianshi(8,look_shi,0x80); write_command(0x80+9); write_date(shuadjust2); else if(adjust1=2) flag=flag+1; if(fl

21、ag=1) init(); xianshi(7,look_ge,0x80); c=adjust3/10; d=adjust3%10; write_command(0x80+8); write_date(shuc); write_command(0x80+9); write_date(shud); else if(adjust1=3) flag=flag+1; if(flag=1) init();xianshi(9,look,0xc0); look_for(); deep_chuli(wendu); write_command(0xc0+10); write_date(ad_buffer0);

22、write_command(0xc0+11); write_date(ad_buffer1); write_command(0xc0+12); write_date('.'); write_command(0xc0+13); write_date(ad_buffer2);else if(adjust1=4) flag=flag+1; if(flag=1) init(); xianshi(9,day_aver,0xc0); day_average(); deep_chuli(wendu); write_command(0xc0+10); write_date(ad_buffer0

23、); write_command(0xc0+11); write_date(ad_buffer1); write_command(0xc0+12); write_date('.'); write_command(0xc0+13); write_date(ad_buffer2);else if(adjust1=5) flag=flag+1; if(flag=1) init(); xianshi(5,pwm_1,0xc0); write_command(0xc0+5); write_date(shutiao/10); write_command(0xc0+6); write_dat

24、e(shutiao%10); else if(adjust1=6) flag=flag+1; if(flag=1) init(); xianshi(5,pwm_2,0xc0); write_command(0xc0+5); write_date(shutiao/10); write_command(0xc0+6); write_date(shutiao%10); else if(adjust1=7) flag=flag+1; if(flag=1) init(); xianshi(7,cha,0xc0); e=max-min2; deep_chuli(e); write_command(0xc0

25、+8); write_date(ad_buffer0); write_command(0xc0+9); write_date(ad_buffer1); write_command(0xc0+10); write_date('.'); write_command(0xc0+11); write_date(ad_buffer2); else flag=flag+1;if(flag=1)xianshi(6,wendu1,0x80);xianshi(4,max1,0xc0);xianshi(4,min1,0xc0+8);line_processer(15,average);if(fla

26、g1=1) min2=wendu; max=wendu; flag1=0;if(wendu>max) max=wendu;else if(wendu<min2) min2=wendu; deep_chuli(wendu);baojin();write_command(0x80+6);write_date(ad_buffer0);write_command(0x80+7);write_date(ad_buffer1);write_command(0x80+8);write_date('.');write_command(0x80+9);write_date(ad_bu

27、ffer2);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(ad_buffer2);deep_chuli(min2);write_command(0xc0+12);write_date(ad_buffer0); write_command(0xc0+13);write_da

28、te(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 _nop_(); wr1=1; delay1(); ad_data=0xff; rd1=0; ad_bufferx=ad_data; rd1=1; wr1=0; void chunshu() /數(shù)據(jù)存儲 uchar i; for(i=0;i<16;i+) ad

29、_caiji(i); /* 濾波模塊數(shù)據(jù)濾波去掉最大，最小值后求均值*/void lvbo() uchar x,y; uint buff; for(x=15;x>0;x-) for(y=x;y>0;y-) if(ad_buffery>ad_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;x>0;x-) buff=buff+ad_bufferx; average=buff/14; /*鍵盤查詢*/ void delay1()uchar g,h; for(g=100;g>0;g-) for(h=100;h>0;h-); void du_key1() key1=1; if(key1=0) delay1(); if(key1