基于熱敏電阻的數(shù)字溫度計課程設計

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1、目錄 1 緒論1 2 系統(tǒng)硬件電路設計3 2.1 測溫電橋電路3 2.2 信號放大電路………...………………………………................................6 2.3 AD轉換電路………………………………………..…………….....................7 2.4 控制電路………………………………………..………................................9 2.5 聲光報警電路………………………………………………………………………10 2.6 顯示電路…………………………………………………………………

2、……………11 2.7 電源電路………………………………………………………………………………12 3 系統(tǒng)軟件設計 15 4 總結與展望…………………………………………………………………………16 參考文獻……………………………………………………………..……………………………..17  1概述 隨著以知識經濟為特征的信息化時代的到來人們對儀器儀表的認識更加深入，溫度作為一個重要的物理量，是工業(yè)生產過程中最普遍，最重要的工藝參數(shù)之一。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，對溫度的測量的要求也越來越高，而且測量的范圍也越來越廣，對溫度的檢測技術的要求也越來越高，因此，溫度測量及其測量

3、技術的研究也是一個很重要的課題。 目前溫度計按測使用的溫度計種類繁多，應用范圍也比較廣泛，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 2， 利用熱電效應技術制成的溫度檢測元件 3， 利用熱阻效應技術制成的溫度計 4， 利用熱輻射原理制成的高溫計 5， 利用聲學原理進行溫度測量 本系統(tǒng)的溫度測量采用的就是熱阻效應。溫度測量模塊主要為溫度測量電橋，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，但該電壓很小。將輸出的微弱電壓信號通過OP07放大，將放大后的信號輸入AD轉換芯片， 進行A/D轉換后，就可以用單片機進行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可

4、以將被測溫度顯示出來。 系統(tǒng)硬件原理圖如圖1—1 單 片 機 聲光 報警 模塊 AD 轉 換 模 塊 測 溫 模 塊 信號 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，由熱電阻傳感器測的外界溫度，經過信號放大，然后送給模數(shù)轉換，將原有的模擬信號轉換為可以貝單片機識別和運算的數(shù)字信號，然后在通過軟件編

5、程通過顯示電路顯示出來當前所測得的溫度。 它的各部分電路說明如下： （1）.測溫模塊： 該部分電路主要使用測溫電橋，當溫度變化時，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。 (2).信號處理部分： 該部分電路包括電壓信號的放大和AD轉換，實現(xiàn)模數(shù)變換，以及硬件濾波。 (3).單片機部分： AT89C51 單片機系統(tǒng)是數(shù)字霍爾電流表的核心部分，主要任務有：控制TLC2543，為其提供合適的時序，使其正常工作和采集模數(shù)轉換后的數(shù)字信號，使用軟件濾除干擾，并對數(shù)字信號進行計算，然后輸出顯示。 (4).電源電路部分： 該部分電路負責將輸入的9V~12V直流電，分別轉換為穩(wěn)

6、定的9V、5V、-9V直流電，給傳感器，放大電路，單片機，TLC2543等供電。 (5).顯示電路，聲光報警電路： 顯示電路的作用是將測量的溫度實時顯示出來，當測量溫度超過限定值時報警電路將發(fā)出聲光進行報警。 2 數(shù)字溫度計系統(tǒng)硬件電路設計 系統(tǒng)由五大部分組成：（1）測溫電橋溫量電路；（2）數(shù)據(jù)采集，濾波，放大，AD轉換電路；（3）單片機AT89C51控制及數(shù)據(jù)計算電路；（4）電源電路；（5）溫度實時顯示電路和聲光報警電路。 2.1測溫電橋電路 本次課程設計的測溫電路為測溫電橋，測

7、溫電橋的主要部分是熱敏電阻。 熱敏電阻的主要特點是：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℃（目前最高可達到2000℃），低溫器件適用于-273℃～55℃；③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易加工成復雜的形狀，可大批量生產；⑥穩(wěn)定性好、過載能力強。 本次設計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)點是測量精度高（可精確到

8、0.1攝氏度），線性度好，測量范圍廣（-200℃～650℃），性能穩(wěn)定，使用方便，完全滿足設計要求，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系可以近似用下式表示： 在0～650℃范圍內： Rt =R0 (1+At+Bt2) 在-200～0℃范圍內： 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，因此在測量較小范圍內其電阻和溫度變化的關系式如下：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，測溫的本質其實是測量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉換成電壓或電流等模擬信號，然后再將模擬信號轉換成數(shù)字信號，再由處理器換算出相應溫度。 測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組成一個測溫電橋，在溫度為20度時，調節(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

10、的不平衡電壓，經過濾波后，輸入運算放大器，進行放大處理。 電橋的分析： 電橋原理圖： 電橋靈敏度的分析： 當各橋臂發(fā)生微小變化時，電橋失去平衡，其輸出為： 2.2信號放大電路 本次課程設計，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)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調電壓（對于OP07A 最大為25μV ，所以 OP07在很多應用場合不需要額外的調零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為2nA） 和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調、高開環(huán)增益的特性

11、使得 OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。 OP07具有以下特點： 超低偏移： 150μV最大 。 低輸入偏置電流： 1.8nA 。 低失調電壓漂移： 0.5μV/℃ 。 超穩(wěn)定，時間： 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芯片引腳功能說明： 1和8為偏置平衡(調零端)，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轉換電路 此次課程設計的AD轉換電路，負責將放大后的模擬電壓信號轉化為可供單片機識別的數(shù)字信號。主要采用TLC2543. TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉換器，使用開關電容逐次逼近技術完成A/D轉換過程。由于是串行輸入結構，能夠節(jié)省51系列單片機I/O資源；且價格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應用。 2TLC2543的特點： （1）12位分辯率A/D轉換器； （2）在工作溫度范圍內10μs轉換時間； （3）11個模擬輸入通道； （4）3路內置自測試方式； （5）采樣率為66kbps； （6）線

13、性誤差1LSBmax； （7）有轉換結束輸出EOC； （8）具有單、雙極性輸出； （9）可編程的MSB或LSB前導； （10）可編程輸出數(shù)據(jù)長度。 TLC2543的引腳分布如下圖所示： 引腳說明 （1）電源引腳 Vcc ,20腳:正電源端,一般接+5V。GND,10腳:地。 REF+,14腳:正基準電壓端,一般接+5V。 REF-,13腳:負基準電壓端,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:轉換結束端,向外部輸出。 I/O CLOCK,18腳:控制輸入輸出的時鐘,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)轉換數(shù)據(jù)輸出引腳 DATA OUT ,16腳:A/ D 轉換結果輸出的3態(tài)串行輸出端。 TLC2543在本設計的電路原理圖如下所示： 2.4 控制電路 AT89C51單片機最小系統(tǒng)由AT89C51單片機及其外圍電路組成，是數(shù)字溫度計系統(tǒng)的核心。 AT89C51單片機在高溫環(huán)境中穩(wěn)定性好，支持在線編程ISP，無需專用的編程器，方便調試.AT

15、89C51單片機對很多嵌入式控制應用提供了一個高靈活有效的解決方案。它的作用是控制TLC2543進行模數(shù)轉換、形成必要的時序、進行數(shù)據(jù)計算以及控制數(shù)碼管顯示。AT89C51單片機各個引腳分布如圖所示： 圖1 圖2 圖3 圖1為單片機的晶振電路，圖2為單片機的復位電路，圖3為單片機的引腳分布及各引腳的接口，單片機采用5V供電。D1為單片機上電電源指示燈，P2.7為報警指示燈的接口，P2.6為報警蜂鳴器的接口，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為單片機的復位端口，與復位電路相連。 2.5 聲光報警電路 當測量的溫度超過限定值時，聲光電路將進行聲光報警，提醒操作人員及時進行處理，避免系統(tǒng)長時間工作在高溫情況下，影響系統(tǒng)的性能和使用壽命。聲光報警電路由一個發(fā)紅色光LED燈和蜂鳴器構成。 電路原理圖如下所示： 聲光報警電路 2.6顯示電路 顯示電路由8位鎖存器74HC373，4個八段數(shù)碼管構成，74HC373

17、的8個輸出口分別與各個數(shù)碼的8個段選端口相連。經過單片機P0輸出的8位數(shù)據(jù)，進入74HC373中，先鎖存，再通過單片機的P2.0-P2.3口來選擇要顯示的位，即控制數(shù)碼管的位選，通過以上所述來達到實時顯示溫度的目的。 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)輸出結構，1引腳為輸出使能控制信號端，當1引腳為低電平時，8個輸出三態(tài)門導通；當其為高電平時，輸出三態(tài)門為高阻態(tài)。74HC373內部集成有8位D型鎖存器，1D，2D，```````8D是8個數(shù)據(jù)輸入端，CP是鎖存控制信號。在輸出使能信號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之前時刻各相應數(shù)據(jù)輸入端的電平上，當CS=1時，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)也可以進入，因而輸出使能信號CS不影響內部鎖存功能。 2.7電源電路 電源是整套系統(tǒng)工作的基礎，要實現(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。 電源模塊的電路原理圖如下所示：

19、由原理圖可知，220V交流電經過變壓，整流，濾波后分成兩個支路，一路經過濾波后輸入LM7809，另一路進過濾波后輸入LM7909（C1、C7分別為7809和7909的輸入濾波電容），兩路的輸出經過濾波（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LM7809的支路，輸出后又經LM7805穩(wěn)壓輸出+5V電源，通過上述的電壓變化可以達到電路的需求。 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 的標準封裝，也有9013樣子的TO-92封裝。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的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 　在實際應用中，應在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當然小功率的條件下不用）。當穩(wěn)壓管溫

21、度過高時，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)字溫度計系統(tǒng)軟件設計 3.1軟件總體流程設計 軟件設計采用c語言編程，運用模塊化程序設計思想，對不同功能模塊的程序進行分別編程，以便移植或調用，這樣使軟件層次結構清晰，有利于軟件的調試修改。

22、 3.2系統(tǒng)程序構建 數(shù)字溫度計系統(tǒng)軟件部分采用模塊化設計思想，將系統(tǒng)分為主程序、初始化處理模塊、中斷檢測模塊、延時處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊，其軟件系統(tǒng)的主程序實現(xiàn)流程如下圖所示： 開始 調用初始化模塊 采集中斷子程序中獲得的AD轉換后的數(shù)據(jù) 調用數(shù)據(jù)處理子程序 超過限定溫度了嗎？ 聲光報警 YES YYESES NO 調用顯示子程序 結束 4 總結與展望 數(shù)字溫度計是為了測溫而設計開發(fā)的。在單片機技術與熱敏電阻的巧妙結合下，可以有效測出溫度，

23、并實時數(shù)字顯示，當溫度超過限定值時會及時發(fā)出報警，提高了操作的安全性，同時為測量人員提供了方便。 本文設計應用中，主要進行了以下幾方面的工作: (1) 本文在前半部分詳細敘述了利用熱敏電阻，組成測溫電橋的測溫的原理及為何選用PT100，使我更加了解本設計的設計目的及要求。 (2) 在了解熱阻效應和PT100的工作原理的基礎上研究和分析了系統(tǒng)設計方案，并對系統(tǒng)中遇到的不同的場景進行了分析； (3) 完成了數(shù)字溫度計系統(tǒng)的硬件選型和電路設計； (4) 完成了系統(tǒng)的軟件流程圖設計； 本文通過對數(shù)字溫度計系統(tǒng)的設計過程及計算得出如下結論: 本系統(tǒng)對有限溫度范圍內的溫度測量具有較高的精度，實現(xiàn)了測量溫度顯示和超出限定溫度報警功能，其主要技術指標達到了系統(tǒng)設計要求； 本文關于數(shù)字溫度計的設計，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一步深入研究: (１) 需要對熱敏電阻的線性度和系統(tǒng)電路設計的可靠性進行進一步的研究； (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) 本次課程設計的數(shù)字溫度計的測量范圍具有很大的局限性，只是在理論上通過了，在實際電路中必將遇到很多問題，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。