基于熱敏電阻的數(shù)字溫度計(jì)課程設(shè)計(jì)

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1、目錄 1 緒論1 2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3 2.1 測(cè)溫電橋電路3 2.2 信號(hào)放大電路………...………………………………................................6 2.3 AD轉(zhuǎn)換電路………………………………………..…………….....................7 2.4 控制電路………………………………………..………................................9 2.5 聲光報(bào)警電路………………………………………………………………………10 2.6 顯示電路…………………………………………………………………

2、……………11 2.7 電源電路………………………………………………………………………………12 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 15 4 總結(jié)與展望…………………………………………………………………………16 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………..……………………………..17  1概述 隨著以知識(shí)經(jīng)濟(jì)為特征的信息化時(shí)代的到來(lái)人們對(duì)儀器儀表的認(rèn)識(shí)更加深入，溫度作為一個(gè)重要的物理量，是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最普遍，最重要的工藝參數(shù)之一。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)溫度的測(cè)量的要求也越來(lái)越高，而且測(cè)量的范圍也越來(lái)越廣，對(duì)溫度的檢測(cè)技術(shù)的要求也越來(lái)越高，因此，溫度測(cè)量及其測(cè)量

3、技術(shù)的研究也是一個(gè)很重要的課題。 目前溫度計(jì)按測(cè)使用的溫度計(jì)種類繁多，應(yīng)用范圍也比較廣泛，大致可以包括以下幾種方法： 1， 利用物體熱脹冷縮原理制成的溫度計(jì) 2， 利用熱電效應(yīng)技術(shù)制成的溫度檢測(cè)元件 3， 利用熱阻效應(yīng)技術(shù)制成的溫度計(jì) 4， 利用熱輻射原理制成的高溫計(jì) 5， 利用聲學(xué)原理進(jìn)行溫度測(cè)量 本系統(tǒng)的溫度測(cè)量采用的就是熱阻效應(yīng)。溫度測(cè)量模塊主要為溫度測(cè)量電橋，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，電橋失去平衡，從而在電橋輸出端有電壓輸出，但該電壓很小。將輸出的微弱電壓信號(hào)通過(guò)OP07放大，將放大后的信號(hào)輸入AD轉(zhuǎn)換芯片， 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

4、以將被測(cè)溫度顯示出來(lái)。 系統(tǒng)硬件原理圖如圖1—1 單 片 機(jī) 聲光 報(bào)警 模塊 AD 轉(zhuǎn) 換 模 塊 測(cè) 溫 模 塊 信號(hào) 放大 模塊 顯示 模 塊 電 源 模 塊 圖1—1系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)硬件原理圖如圖1—1所示，由熱電阻傳感器測(cè)的外界溫度，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大，然后送給模數(shù)轉(zhuǎn)換，將原有的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以貝單片機(jī)識(shí)別和運(yùn)算的數(shù)字信號(hào)，然后在通過(guò)軟件編

5、程通過(guò)顯示電路顯示出來(lái)當(dāng)前所測(cè)得的溫度。 它的各部分電路說(shuō)明如下： （1）.測(cè)溫模塊： 該部分電路主要使用測(cè)溫電橋，當(dāng)溫度變化時(shí)，電橋處于不平衡狀態(tài)，從而輸出不平衡電壓，為測(cè)溫的基礎(chǔ)。 (2).信號(hào)處理部分： 該部分電路包括電壓信號(hào)的放大和AD轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模數(shù)變換，以及硬件濾波。 (3).單片機(jī)部分： AT89C51 單片機(jī)系統(tǒng)是數(shù)字霍爾電流表的核心部分，主要任務(wù)有：控制TLC2543，為其提供合適的時(shí)序，使其正常工作和采集模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，使用軟件濾除干擾，并對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，然后輸出顯示。 (4).電源電路部分： 該部分電路負(fù)責(zé)將輸入的9V~12V直流電，分別轉(zhuǎn)換為穩(wěn)

6、定的9V、5V、-9V直流電，給傳感器，放大電路，單片機(jī)，TLC2543等供電。 (5).顯示電路，聲光報(bào)警電路： 顯示電路的作用是將測(cè)量的溫度實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，當(dāng)測(cè)量溫度超過(guò)限定值時(shí)報(bào)警電路將發(fā)出聲光進(jìn)行報(bào)警。 2 數(shù)字溫度計(jì)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)由五大部分組成：（1）測(cè)溫電橋溫量電路；（2）數(shù)據(jù)采集，濾波，放大，AD轉(zhuǎn)換電路；（3）單片機(jī)AT89C51控制及數(shù)據(jù)計(jì)算電路；（4）電源電路；（5）溫度實(shí)時(shí)顯示電路和聲光報(bào)警電路。 2.1測(cè)溫電橋電路 本次課程設(shè)計(jì)的測(cè)溫電路為測(cè)溫電橋，測(cè)

7、溫電橋的主要部分是熱敏電阻。 熱敏電阻的主要特點(diǎn)是：①靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10～100倍以上，能檢測(cè)出10-6℃的溫度變化；②工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55℃～315℃，高溫器件適用溫度高于315℃（目前最高可達(dá)到2000℃），低溫器件適用于-273℃～55℃；③體積小，能夠測(cè)量其他溫度計(jì)無(wú)法測(cè)量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度；④使用方便，電阻值可在0.1～100kΩ間任意選擇；⑤易加工成復(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；⑥穩(wěn)定性好、過(guò)載能力強(qiáng)。 本次設(shè)計(jì)采用的是正溫度系數(shù)的熱電阻PT100，它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(cè)量精度高（可精確到

8、0.1攝氏度），線性度好，測(cè)量范圍廣（-200℃～650℃），性能穩(wěn)定，使用方便，完全滿足設(shè)計(jì)要求，所以我最終選擇鉑電阻PT100作為傳感器。PT100溫度傳感器屬于正電阻系數(shù)，其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示： 在0～650℃范圍內(nèi)： Rt =R0 (1+At+Bt2) 在-200～0℃范圍內(nèi)： Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3) 式中A、B、C 為常數(shù)，其中 A=3.9684710-3； B=-5.84710-7；C=-4.2210-12； 圖2-2 電阻溫度曲線圖 由于它的電阻—溫度關(guān)系

9、的線性度非常好，電阻溫度曲線如圖2-2 所示，因此在測(cè)量較小范圍內(nèi)其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下：R=Ro(1+αT) 其中α=0.00392, Ro為100Ω(在0℃的電阻值),T為華氏溫度。 Pt100是電阻式溫度傳感器，測(cè)溫的本質(zhì)其實(shí)是測(cè)量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號(hào)，然后再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由處理器換算出相應(yīng)溫度。 測(cè)溫電路原理圖如下圖所示： 圖3.2 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(gè)測(cè)溫電橋，在溫度為20度時(shí)，調(diào)節(jié)R2使電橋達(dá)到平衡。當(dāng)溫度升高時(shí)，熱敏電阻的阻值變大，電橋失去平衡，電橋輸出

10、的不平衡電壓，經(jīng)過(guò)濾波后，輸入運(yùn)算放大器，進(jìn)行放大處理。 電橋的分析： 電橋原理圖： 電橋靈敏度的分析： 當(dāng)各橋臂發(fā)生微小變化時(shí)，電橋失去平衡，其輸出為： 2.2信號(hào)放大電路 本次課程設(shè)計(jì)，放大模塊采用的是OP07放大集成電路。OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP07A 最大為25μV ，所以 OP07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為2nA） 和開環(huán)增益高（對(duì)于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性

11、使得 OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。 OP07具有以下特點(diǎn)： 超低偏移： 150μV最大 。 低輸入偏置電流： 1.8nA 。 低失調(diào)電壓漂移： 0.5μV/℃ 。 超穩(wěn)定，時(shí)間： 2μV/month 最大 高電源電壓范圍： 3V至22V OP07的引腳分布如下圖所示： OP07芯片引腳功能說(shuō)明： 1和8為偏置平衡(調(diào)零端)，2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接地，5空腳 6為輸出，7接電源+。 OP07放大電路的電路原理圖如下所示： 如上圖所示，將測(cè)溫電橋的輸出用差分的方式輸入OP07，放大60倍

12、以獲得合適的AD輸入電壓。 2.3 AD轉(zhuǎn)換電路 此次課程設(shè)計(jì)的AD轉(zhuǎn)換電路，負(fù)責(zé)將放大后的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為可供單片機(jī)識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。主要采用TLC2543. TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省51系列單片機(jī)I/O資源；且價(jià)格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應(yīng)用。 2TLC2543的特點(diǎn)： （1）12位分辯率A/D轉(zhuǎn)換器； （2）在工作溫度范圍內(nèi)10μs轉(zhuǎn)換時(shí)間； （3）11個(gè)模擬輸入通道； （4）3路內(nèi)置自測(cè)試方式； （5）采樣率為66kbps； （6）線

13、性誤差1LSBmax； （7）有轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出EOC； （8）具有單、雙極性輸出； （9）可編程的MSB或LSB前導(dǎo)； （10）可編程輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。 TLC2543的引腳分布如下圖所示： 引腳說(shuō)明 （1）電源引腳 Vcc ,20腳:正電源端,一般接+5V。GND,10腳:地。 REF+,14腳:正基準(zhǔn)電壓端,一般接+5V。 REF-,13腳:負(fù)基準(zhǔn)電壓端,一般接地。 (2)控制引腳 CS,15腳:片選端,由高到低有效,由外部輸入。 EOC,19腳:轉(zhuǎn)換結(jié)束端,向外部輸出。 I/O CLOCK,18腳:控制輸入輸出的時(shí)鐘,由外部輸入。 (3)模

14、擬輸入引腳 AIN0～AIN10 ,1～9腳、11～12腳:11路模擬輸入端,輸入電壓范圍:0.3V～Vcc+0.3V。 (4)控制字輸入引腳 DATA TN PUT,17腳:控制字輸入端,選擇通道及輸出數(shù)據(jù)格式的控制字由此輸入。 (5)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出引腳 DATA OUT ,16腳:A/ D 轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出的3態(tài)串行輸出端。 TLC2543在本設(shè)計(jì)的電路原理圖如下所示： 2.4 控制電路 AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)由AT89C51單片機(jī)及其外圍電路組成，是數(shù)字溫度計(jì)系統(tǒng)的核心。 AT89C51單片機(jī)在高溫環(huán)境中穩(wěn)定性好，支持在線編程ISP，無(wú)需專用的編程器，方便調(diào)試.AT

15、89C51單片機(jī)對(duì)很多嵌入式控制應(yīng)用提供了一個(gè)高靈活有效的解決方案。它的作用是控制TLC2543進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、形成必要的時(shí)序、進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算以及控制數(shù)碼管顯示。AT89C51單片機(jī)各個(gè)引腳分布如圖所示： 圖1 圖2 圖3 圖1為單片機(jī)的晶振電路，圖2為單片機(jī)的復(fù)位電路，圖3為單片機(jī)的引腳分布及各引腳的接口，單片機(jī)采用5V供電。D1為單片機(jī)上電電源指示燈，P2.7為報(bào)警指示燈的接口，P2.6為報(bào)警蜂鳴器的接口，P0.0-P0.7為74HC373的

16、8位數(shù)據(jù)接口，X1，X2為晶振電路的接口，與晶振電路相連。P1.0-P1.3為TLC2543的控制端口，P2.0-P2.3為顯示數(shù)碼管的為位選控制端口，RST為單片機(jī)的復(fù)位端口，與復(fù)位電路相連。 2.5 聲光報(bào)警電路 當(dāng)測(cè)量的溫度超過(guò)限定值時(shí)，聲光電路將進(jìn)行聲光報(bào)警，提醒操作人員及時(shí)進(jìn)行處理，避免系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作在高溫情況下，影響系統(tǒng)的性能和使用壽命。聲光報(bào)警電路由一個(gè)發(fā)紅色光LED燈和蜂鳴器構(gòu)成。 電路原理圖如下所示： 聲光報(bào)警電路 2.6顯示電路 顯示電路由8位鎖存器74HC373，4個(gè)八段數(shù)碼管構(gòu)成，74HC373

17、的8個(gè)輸出口分別與各個(gè)數(shù)碼的8個(gè)段選端口相連。經(jīng)過(guò)單片機(jī)P0輸出的8位數(shù)據(jù)，進(jìn)入74HC373中，先鎖存，再通過(guò)單片機(jī)的P2.0-P2.3口來(lái)選擇要顯示的位，即控制數(shù)碼管的位選，通過(guò)以上所述來(lái)達(dá)到實(shí)時(shí)顯示溫度的目的。 顯示電路原理圖如下所示： 74HC373是八位D型鎖存器，其的邏輯圖和引腳排列圖如下： 由圖可見它是三態(tài)輸出結(jié)構(gòu)，1引腳為輸出使能控制信號(hào)端，當(dāng)1引腳為低電平時(shí)，8個(gè)輸出三態(tài)門導(dǎo)通；當(dāng)其為高電平時(shí)，輸出三態(tài)門為高阻態(tài)。74HC373內(nèi)部集成有8位D型鎖存器，1D，2D，```````8D是8個(gè)數(shù)據(jù)輸入端，CP是鎖存控制信號(hào)。在輸出使能信號(hào)CS=0情況下，

18、若CP為高電平，輸出Q跟隨輸入數(shù)據(jù)D變化而變化，即D=0，Q=0，D=1，Q=1，若CP為低電平，輸出Q的狀態(tài)被鎖存在CP變0之前時(shí)刻各相應(yīng)數(shù)據(jù)輸入端的電平上，當(dāng)CS=1時(shí)，輸出雖然為高阻態(tài)，已有的鎖存數(shù)據(jù)仍然保留，新的數(shù)據(jù)也可以進(jìn)入，因而輸出使能信號(hào)CS不影響內(nèi)部鎖存功能。 2.7電源電路 電源是整套系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，要實(shí)現(xiàn)溫度的精確測(cè)量與顯示跟一個(gè)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(gè)穩(wěn)定的+5V電源，用來(lái)給測(cè)溫電橋，單片機(jī)，顯示模塊，AD模塊供電，要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大還需要給放大模塊提供穩(wěn)定的+9V ,-9V電源。 電源模塊的電路原理圖如下所示：

19、由原理圖可知，220V交流電經(jīng)過(guò)變壓，整流，濾波后分成兩個(gè)支路，一路經(jīng)過(guò)濾波后輸入LM7809，另一路進(jìn)過(guò)濾波后輸入LM7909（C1、C7分別為7809和7909的輸入濾波電容），兩路的輸出經(jīng)過(guò)濾波（C2和C8分別為濾波電容），去高頻耦合（C5和C10為去耦電容）后分別提供+9V，-9V穩(wěn)定電壓，其中路經(jīng)LM7809的支路，輸出后又經(jīng)LM7805穩(wěn)壓輸出+5V電源，通過(guò)上述的電壓變化可以達(dá)到電路的需求。 常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78 系列和負(fù)電壓輸出的79系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管，

20、TO- 220 的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有9013樣子的TO-92封裝。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負(fù)9V。 7805和7809的封裝與管腳圖如圖1所示，7909的封裝與管腳圖如圖2所示 圖1 圖2 　在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當(dāng)然小功率的條件下不用）。當(dāng)穩(wěn)壓管溫

21、度過(guò)高時(shí)，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。散熱片總是和接地腳相連。這樣在78**系列中，散熱片和②腳連接，而在79**系列中，散熱片卻和①腳連接。 78**系列的穩(wěn)壓集成塊的極限輸入電壓是36V，最低輸入電壓比輸出電壓高3-4V。還要考慮輸出與輸入間壓差帶來(lái)的功率損耗，所以一般輸入為9-15V之間。 7909的參數(shù)如下圖所示： 3 數(shù)字溫度計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 3.1軟件總體流程設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)采用c語(yǔ)言編程，運(yùn)用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，對(duì)不同功能模塊的程序進(jìn)行分別編程，以便移植或調(diào)用，這樣使軟件層次結(jié)構(gòu)清晰，有利于軟件的調(diào)試修改。

22、 3.2系統(tǒng)程序構(gòu)建 數(shù)字溫度計(jì)系統(tǒng)軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將系統(tǒng)分為主程序、初始化處理模塊、中斷檢測(cè)模塊、延時(shí)處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊，其軟件系統(tǒng)的主程序?qū)崿F(xiàn)流程如下圖所示： 開始 調(diào)用初始化模塊 采集中斷子程序中獲得的AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù) 調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序 超過(guò)限定溫度了嗎？ 聲光報(bào)警 YES YYESES NO 調(diào)用顯示子程序 結(jié)束 4 總結(jié)與展望 數(shù)字溫度計(jì)是為了測(cè)溫而設(shè)計(jì)開發(fā)的。在單片機(jī)技術(shù)與熱敏電阻的巧妙結(jié)合下，可以有效測(cè)出溫度，

23、并實(shí)時(shí)數(shù)字顯示，當(dāng)溫度超過(guò)限定值時(shí)會(huì)及時(shí)發(fā)出報(bào)警，提高了操作的安全性，同時(shí)為測(cè)量人員提供了方便。 本文設(shè)計(jì)應(yīng)用中，主要進(jìn)行了以下幾方面的工作: (1) 本文在前半部分詳細(xì)敘述了利用熱敏電阻，組成測(cè)溫電橋的測(cè)溫的原理及為何選用PT100，使我更加了解本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目的及要求。 (2) 在了解熱阻效應(yīng)和PT100的工作原理的基礎(chǔ)上研究和分析了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)系統(tǒng)中遇到的不同的場(chǎng)景進(jìn)行了分析； (3) 完成了數(shù)字溫度計(jì)系統(tǒng)的硬件選型和電路設(shè)計(jì)； (4) 完成了系統(tǒng)的軟件流程圖設(shè)計(jì)； 本文通過(guò)對(duì)數(shù)字溫度計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程及計(jì)算得出如下結(jié)論: 本系統(tǒng)對(duì)有限溫度范圍內(nèi)的溫度測(cè)量具有較高的精度，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量溫度顯示和超出限定溫度報(bào)警功能，其主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求； 本文關(guān)于數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)，雖然可以滿足廣大普通客戶的需求，也做了一些嘗試性的探索工作，但是還存在很多不完善的地方，仍有許多方面有待進(jìn)一步深入研究: (１) 需要對(duì)熱敏電阻的線性度和系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的可靠性進(jìn)行進(jìn)一步的研究； (２) 本文在系統(tǒng)的精度方面研究非常局限，并沒(méi)有做到非常精確，這就要求以后在這方面還有更近一步研究。 (３) 本次課程設(shè)計(jì)的數(shù)字溫度計(jì)的測(cè)量范圍具有很大的局限性，只是在理論上通過(guò)了，在實(shí)際電路中必將遇到很多問(wèn)題，在硬件電路中如電源的穩(wěn)定輸出，濾波等方面有待很大的改善。