基于熱敏電阻的數(shù)字溫度計

1、單片機(jī)控制技術(shù)期末課程設(shè)計 題 目： 基于熱敏電阻的數(shù)字溫度計專 業(yè)： 新能源科學(xué)與工程 班 級： 成 員： 完成日期：2015年12月26日161 設(shè)計任務(wù)及要求設(shè)計任務(wù)：使用熱敏電阻類的溫度傳感器件利用其感溫效應(yīng)，將隨被測溫度變化的電壓或電流用單片機(jī)采集下來，將被測溫度在顯示器上顯示出來。要求：（1）測量溫度范圍50110。（2）精度誤差小于0.5。（3）LED數(shù)碼直讀顯示。本題目使用鉑熱電阻PT100，其阻值會隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0時阻值為100歐姆，在100時它的阻值約為138.5歐姆。廠家提供有PT100在各溫度下電阻值值的分度表，在此可以近似取電阻變化率為

2、 0.385/。向PT100輸入穩(wěn)恒電流，再通過A/D轉(zhuǎn)換后測PT100兩端電壓，即得到PT100的電阻值，進(jìn)而算出當(dāng)前的溫度值。 采用2.55mA的電流源對PT100進(jìn)行供電，然后用運(yùn)算放大器LM324搭建的同相放大電路將其電壓信號放大10倍后輸入到AD0808中。利用電阻變化率0.385/的特性，計算出當(dāng)前溫度值。我們也考慮到當(dāng)測量溫度低于（或高于）所測溫度時會對該測量裝置造成損壞，所以可以添加一個溫度報警裝置，因?yàn)樵撜n程并無嚴(yán)格要求，所以在下面我們會簡單帶過。2 方案設(shè)計與論證2.1溫度傳感器的選擇方案一：采用熱電偶溫差電路測溫，溫度檢測部分可以使用低溫?zé)崤?，熱電偶由兩個焊接在一起的異金

3、屬導(dǎo)線所組成（熱電偶的構(gòu)成如圖 2-1），熱電偶產(chǎn)生的熱電勢由兩種金屬的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電勢組成。通過將參考結(jié)點(diǎn)保持在已知溫度并測量該電壓，便可推斷出檢測結(jié)點(diǎn)的溫度。數(shù)據(jù)采集部分則使用帶有A/D 通道的單片機(jī)，在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來。熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是工作溫度范圍非常寬，且體積小，但是它們也存在著輸出電壓小、容易遭受來自導(dǎo)線環(huán)路的噪聲影響以及漂移較高的缺點(diǎn)，并且這種設(shè)計需要用到A/D轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。圖 2-1熱電偶電路圖系統(tǒng)主要包括對A/D0808的數(shù)據(jù)采集，自動手動工作方

4、式檢測，溫度的顯示等，這幾項功能的信號通過輸入輸出電路經(jīng)單片機(jī)處理。還有復(fù)位電路，晶振電路，啟動電路等。故現(xiàn)場輸入硬件有手動復(fù)位鍵、A/D 轉(zhuǎn)換芯片，處理芯片為51 芯片，執(zhí)行機(jī)構(gòu)有4 位數(shù)碼管、報警器等。系統(tǒng)框圖如 2-1-2所示：電源模塊圖 2-1-2熱電偶溫差電路測溫系統(tǒng)框圖方案二我們用鉑電阻PT100作為傳感器。熱電阻PT100是最常用的溫度傳感器之一，與其他熱敏電阻相比，它的主要優(yōu)點(diǎn)是測量精度高（可精確到0.1攝氏度），線性度好，測量范圍廣（-200650），性能穩(wěn)定，使用方便，完全滿足設(shè)計要求，所以我最終選擇鉑電阻PT100采用熱敏電阻PT-100測量溫度，輸出信號全數(shù)字化。便于單

5、片機(jī)處理及控制，省去傳統(tǒng)的測溫方法的很多外圍電路。且該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件，此元件線形較好。在0100 攝氏度時，最大線形偏差小于1 攝氏度。當(dāng)PT100在0攝氏度的時候他的阻值為100歐姆，它的阻值會隨著溫度上升而成近似勻速的增長。,測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就比較簡單,體積也不大。采用51單片機(jī)控制，軟件編程的自由度大，可通過編程實(shí)現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制，而且體積小，硬件實(shí)現(xiàn)簡單，安裝方便。該系統(tǒng)利用AT89C51芯片控制溫度傳感器數(shù)碼顯示器進(jìn)行實(shí)時溫度檢測并顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)快速測量環(huán)境溫度，并可以根據(jù)需要設(shè)定上下限報警溫度。該系統(tǒng)擴(kuò)展性非常強(qiáng)，它可以在設(shè)計中加入時鐘芯片

6、DS1302以獲取時間數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理同時顯示時間。系統(tǒng)框圖如圖 2-1-3所示：單 片 機(jī)越線報警中斷控制查詢鍵盤微機(jī)數(shù)學(xué)顯示傳感器放大處理正常工作指標(biāo)A/D變換被測物圖2-1-3溫度測溫系統(tǒng)框圖從以上兩種方案，容易看出方案一的測溫裝置可測溫度范圍寬、體積小，但是線性誤差較大。方案二的測溫裝置電路簡單、精確度較高、實(shí)現(xiàn)方便、軟件設(shè)計也比較簡單，故本次設(shè)計采用了方案二。2.2微處理器ADC0808ADC0808是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的器件（如圖2-2）。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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ADC

7、0808是ADC0809的簡化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真時采用ADC0808進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)際使用時采用ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ADC0808芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如右圖所示。各引腳功能如下：15和2628（IN0IN7）：8路模擬量輸入端。8、14、15和1721：8位數(shù)字量輸出端。22（ALE）：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。6（START）： A/D轉(zhuǎn)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(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。7（EOC）： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間

8、一直為低電平）。9（OE）：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)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。10（CLK）：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。12（VREF（+）和16（VREF（-）：參考電壓輸入端11（Vcc）：主電源輸入端。13（GND）：地。2325（ADDA、ADDB、ADDC）：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路圖2-2微處理器ADC08083系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1 系統(tǒng)時鐘電路設(shè)計圖3-1 時鐘電路系統(tǒng)時鐘電路的設(shè)計如圖3-1。對于時間要求不是很高的系統(tǒng)，只要按圖進(jìn)行設(shè)計就能使系統(tǒng)可靠起振并穩(wěn)定運(yùn)行。但由于圖中的

9、C1、C2電容起著系統(tǒng)時鐘頻率微調(diào)和穩(wěn)定的作用，因此，在本鬧鐘系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中一定要注意正確選擇參數(shù)（30±10 PF），并保證對稱性（盡可能匹配），選用正牌廠家生產(chǎn)的瓷片或云母電容，如果可能的話，溫度系數(shù)要盡可能低。實(shí)驗(yàn)表明，這2個電容元件對鬧鐘的±走時誤差有較大關(guān)系。3.2系統(tǒng)復(fù)位電路 智能系統(tǒng)一般應(yīng)有手動或上電復(fù)位電路。復(fù)位電路的實(shí)現(xiàn)通常有兩種方式：1）RC復(fù)位電路；2）專用µ監(jiān)控電路。前者實(shí)現(xiàn)簡單，成本低，但復(fù)位可靠性相對較低；后者成本較高，但復(fù)位可靠性高，尤其是高可靠重復(fù)復(fù)位。對于復(fù)位要求高、并對電源電壓進(jìn)行監(jiān)視的場合，大多采用這種方式。1) 專用

10、81;監(jiān)控電路專用µ監(jiān)控電路又稱電源監(jiān)視電路，具有上電時可靠產(chǎn)生復(fù)位信號和電源電壓跌落到“門檻值”時可靠產(chǎn)生復(fù)位信號等功能。按有效電平分，有高電平輸出、低電平輸出兩種；按功能分，有簡單的電源監(jiān)視復(fù)位電路、帶“看門狗”定時器（WATCH DOG，又簡稱“WDT”）的監(jiān)控電路、和WDTEEPROM的監(jiān)控電路等多種類型。比較常見的生MAX813L、MAX809、X25043/5等。2) RC復(fù)位電路圖3-2-1 復(fù)位電路本系統(tǒng)采用的是這種復(fù)位方式。RC復(fù)位電路的實(shí)質(zhì)是一階充放電電路，現(xiàn)結(jié)合圖說明這種復(fù)位電路的特點(diǎn)。系統(tǒng)上電時該電路提供有效的復(fù)位信號RST（高電平）直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后撤銷復(fù)位

11、信號（低電平）。理論上說，51系列單片機(jī)復(fù)位引腳只要外加2個機(jī)器周期的有效信號即可復(fù)位，即只要保證tRC>2M（機(jī)器周期）便可，但實(shí)際設(shè)計中，通常取C1為10µ以上，R1通常取10K左右。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)R1如果取值太小，例如1，則會導(dǎo)致RST信號驅(qū)動能力變差而無法使系統(tǒng)可靠復(fù)位。另外，從圖3-2-2的復(fù)位信號波形圖可以明顯看出，圖32-1中的虛線所接的續(xù)流二極管D1對于改善復(fù)位性能，起到了重要作用，它的作用是在電源電壓瞬間下降時使電容迅速放電，因此一定寬度的電源毛刺（如波形中A點(diǎn)）也可令系統(tǒng)可靠復(fù)位。圖3-2-2為未加二極管和加二極管的復(fù)位信號特性對比。圖3-2-2 加二極管前后的復(fù)

12、位信號特性對比3.3 基于熱敏電阻的溫度計電路設(shè)計測量部分可以采用熱敏電阻，熱電偶及溫度傳感器。由于精度要求不高，故我們通過熱敏電阻實(shí)現(xiàn)溫度的測量功能，同時也是為了按照課題要求采用熱敏電阻。信號放大部分為使信號不失真，就得保證電路的對稱性，所以我們采用單端輸入雙端輸出的差動放大電路進(jìn)行信號的變換，同時用高精度，低漂移的運(yùn)放來代替晶體三極管。A/D轉(zhuǎn)換部分CPU8051通過P0口P0.0-P0.2向A/D發(fā)送模擬的地址編碼信息，并通過地址線P2.0和寫控制線 控制地址編碼信號的鎖存。選通相應(yīng)的模擬輸入通道，然后啟動A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，A/D經(jīng)過EOC發(fā)出標(biāo)志信號，經(jīng)反相后送入80

13、51向8051發(fā)出中斷請求，當(dāng)8051響應(yīng)請求后，通過P2.0的讀控制端 使A/D的OE端變?yōu)楦唠娖?，從而控制轉(zhuǎn)換器的三態(tài)數(shù)據(jù)輸出，鎖存器通過P0口P0.0-P0.7向8051輸出。我們控制器使用單片機(jī)AT89C51,溫度計數(shù)碼顯示部分用74LS164驅(qū)動顯示。，另外我們用一個PNP型的三極管來控制數(shù)碼管的電源，是因?yàn)?64沒有數(shù)據(jù)鎖存端，數(shù)據(jù)在傳送過程中，對輸出端來說是透明的，這樣，數(shù)據(jù)在傳送過程中，數(shù)碼管上有閃動現(xiàn)象，驅(qū)動的位數(shù)越多，閃動現(xiàn)象越明顯。為了消除這種現(xiàn)象，在數(shù)據(jù)傳送過程中，關(guān)閉三極管使數(shù)碼管沒電不顯示，數(shù)據(jù)傳送完后立刻使三極管導(dǎo)通，這樣就實(shí)現(xiàn)鎖存功能。3.4基于熱敏電

14、阻的溫度計系統(tǒng)仿真測試 確定好方案后，用Protues軟件搭建好系統(tǒng)電路，將寫好的程序添加進(jìn)仿真圖中，仿真結(jié)果如圖3-4所示：圖3-4熱敏電阻溫度計的仿真圖3.5參數(shù)計算與元器件清單表3-5熱敏溫度計整機(jī)元器件清單序號元件標(biāo)號型號主要參數(shù)備注1R1AT89C51使其正常工作和采集模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，使用軟件濾除干擾，并對數(shù)字信號進(jìn)行計算，然后輸出顯示。單片機(jī)2R2ADC0808采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。A/D轉(zhuǎn)換3R37SEG-MPX4-CC顯示電路的作用是將測量的溫度實(shí)時顯示出來顯示器4R4CAP電容5R5CRYSTAL產(chǎn)生振蕩頻率晶振6R6LM32

15、4是低成本的四路運(yùn)算放大器，具有真正的差分輸入。該四路放大器可以工作于低至3.0 V或高達(dá)32 V的電源電壓。四通道運(yùn)算放大器7R7RES保護(hù)電路電阻8R8RTD-PT100當(dāng)溫度變化時，電橋處于不平衡狀態(tài)，從而輸出不平衡電壓，為測溫的基礎(chǔ)。熱敏電阻4 軟件設(shè)計4.1 主程序流程圖傳感器信號放大電路單片機(jī)系統(tǒng)數(shù)碼管顯示A/D轉(zhuǎn)換電路 圖 4-1主程序流程圖4.2基于熱敏電阻溫度計的簡單報警器框圖有參數(shù)報警嗎?返回報警裝置運(yùn)行C>MAX?C<MIN?報警器取讀出溫度值C清楚報警為標(biāo)志位置上限報警裝置置下限報警裝置YNY圖 4-2 報警模塊子程序流程圖4.3 C語言實(shí)現(xiàn)#include

16、<reg52.h>#include<math.h> #define uchar unsigned char sbit STAR=P24; sbit EOC=P26; sbit CLOCK=P25; sbit OE =P27; sbit P20=P20; sbit P21=P21; sbit P22=P22; sbit P23=P23; uchar dispbuf6; uchar code table1=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f; uchar code table2=0xbf,0x86,0xdb,0

17、xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xdf; void TimeInitial() TMOD=0x10; TH1=(65536-200)/256; TL1=(65536-200)%256; EA=1; ET1=1; TR1=1; void Delay(uchar i) unsigned int j; for(;i>0;i-) for(j=0;j<125;j+) ; void t1(void) interrupt 3 using 0 TH1=(65536-200)/256; TL1=(65536-200)%256; CLOCK=CLOCK; void Disp

18、lay()/ P0=table1dispbuf1; P20=0; P21=1; P22=1; P23=1; Delay(10); P0=0x00; P0=table2dispbuf2; P20=1; P21=0; P22=1; P23=1; Delay(10); P0=0x00; P0=table1dispbuf1; P20=1; P21=1; P22=0; P23=1; Delay(10); P0=0x00; P0=table1dispbuf0; P20=1; P21=1; P22=1; P23=0; Delay(10); P0=0x00; void main()/主函數(shù) uchar get

19、data,temp; uchar count=0; uchar i=0; TimeInitial(); while(1) STAR=0;/關(guān)閉轉(zhuǎn)換 OE=0;/關(guān)閉輸出 STAR=1;/開啟轉(zhuǎn)換 STAR=0;/關(guān)閉轉(zhuǎn)換 while(EOC=0) OE=1;/開啟數(shù)據(jù)輸出允許 Delay(10); getdata=P1; OE=0; temp=getdata*1.0/255*500; dispbuf0=temp%10; dispbuf1=temp/10%10; dispbuf2=temp/100%10; Display(); 5 組裝調(diào)試5.1 單片機(jī)測試判斷單片機(jī)芯片及時鐘系統(tǒng)是否正常工作有

20、一個簡單的辦法，就是用萬用表測量單片機(jī)晶振引腳（18、19腳）的對地電壓，以正常工作的單片機(jī)用數(shù)字萬用表測量為例：18腳對地約2.24V，19腳對地約2.09V。對于懷疑是復(fù)位電路故障而不能正常工作的單片機(jī)也可以采用模擬復(fù)位的方法來判斷，單片機(jī)正常工作時第9腳對地電壓為零，可以用導(dǎo)線短時間和5V連接一下，模擬一下上電復(fù)位，如果單片機(jī)能正常工作了，說明這個復(fù)位電路有問題。5.2硬件及軟件調(diào)試硬件調(diào)試：第一步是目測，在印好電路板之后，先檢查印制線是否有斷線、是否有毛刺、是否與其它線或焊盤粘連、焊盤是否有脫落、過孔是否有未金屬化現(xiàn)象。而在目測的過程中，我們發(fā)現(xiàn)有一條印制線斷開，因此我們用焊錫使這條斷

21、線連在一起。第二步是用萬用表測量。在目測完之后，利用萬用表來測量連線和接點(diǎn)，檢查它們的通斷狀態(tài)是否和設(shè)計一樣。再檢查各種電源線和地線是否有短路現(xiàn)象，在檢查的過程中，發(fā)現(xiàn)不管是連線還是接點(diǎn)都符合設(shè)計規(guī)定，電源和地線也沒有短路現(xiàn)象。第三步是加電檢查。給印制板加電時，我們檢查到的器件的電源端符合要求的電壓值+5V，同時接地端的電壓為0。第四步是聯(lián)機(jī)檢查。利用系統(tǒng)和單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)用仿真電纜連接起來，發(fā)現(xiàn)聯(lián)機(jī)檢查完后以上是連接都正確、暢通、可靠。軟件調(diào)試：第一步是在具有匯編軟件的主機(jī)上和用戶系統(tǒng)連接起來，進(jìn)行調(diào)試準(zhǔn)備。第二步是單步運(yùn)行。第三步是系統(tǒng)連調(diào)，即進(jìn)行軟件和硬件聯(lián)合調(diào)試。經(jīng)調(diào)試，軟件運(yùn)行良好。5

22、.3整機(jī)的調(diào)試與測試首先是測試顯示電路的正確性，根據(jù)硬件寫好一段顯示程序，寫入單片機(jī)中。安裝好硬件，上電，顯示正常，達(dá)到預(yù)期效果。證明顯示電路正常。按下復(fù)位按鍵，LED無顯示，松開，顯示正常，證明復(fù)位電路正常。然后測試得到溫度程序，將初始化程序，熱敏電阻正常工作的初始化程序、寫熱敏電阻程序、讀熱敏電阻程序，得到溫度子程序，溫度轉(zhuǎn)換子程序，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序，顯示子程序正確編排后寫入單片機(jī)中，上電，顯示不正常。重新讀取源程序，經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)問題在于熱敏電阻初始化程序有錯，修改后重新編譯并寫入單片機(jī)。上電后，顯示當(dāng)前溫度。證明溫度傳感器熱敏電阻工作正常，各部分子程序運(yùn)行正常。最后是按鍵子程序及報警子程序

23、的調(diào)試，將按鍵子程序及報警子程序及上述程序正確編排后，寫入單片機(jī)中，上電后，各個部分工作正常，在測得當(dāng)前溫度超出設(shè)定溫度上下限后，蜂鳴器發(fā)出報警聲，調(diào)試基本成功。但后來發(fā)現(xiàn)，按鍵要在按下1S后才反應(yīng)，再次研讀程序發(fā)現(xiàn)原因在于按鍵程序采用掃描方式，程序每執(zhí)行一遍才掃描按鍵一次。進(jìn)而到考慮采用中斷方式解決此問題，但因?yàn)闊崦綦娮枵９ぷ饔袊?yán)格的時序限制，否則不能正常工作，而中斷則在很大可能上會影響到熱敏電阻正常工作。在嘗試并采用中斷方式卻失敗后，決定仍采用掃描方式。后來仔細(xì)排查發(fā)現(xiàn)按鍵反應(yīng)遲緩是由于顯示程序占用時間過長造成的，修改顯示程序并且在主程序和按鍵子程序中增加調(diào)用顯示程序的次數(shù)，問題得以解決。至此，此次設(shè)計的調(diào)試部分完成。設(shè)計的所有功能全部得以實(shí)現(xiàn)6 結(jié)論與心得 本設(shè)計利用AT89C51 芯片控制溫度傳感器熱敏電阻，再輔之以部分外圍電路實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度的測控，性能穩(wěn)定，精度教高，而且擴(kuò)展性能很強(qiáng)大?？梢约尤?302 時鐘芯片實(shí)現(xiàn)對時間進(jìn)行顯示，加之AT89C51存儲芯片來實(shí)現(xiàn)對時間和溫度數(shù)據(jù)的記錄，利用MAX232芯片和計算機(jī)實(shí)現(xiàn)串口通訊，這樣就可以方便的統(tǒng)計出特定時間內(nèi)的需要的時間和溫度數(shù)據(jù)。由于測量精度只有±1 度，往往很多場合需要更加精確的溫度，在所測溫度精度不變的基礎(chǔ)上必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。不過,其誤差在時間和外部環(huán)境變化的條件下,保持相當(dāng)高的穩(wěn)定性。針