基于熱敏電阻的數(shù)字溫度計

1、電子信息工程學(xué)院電子設(shè)計應(yīng)用軟件訓(xùn)練任務(wù)【訓(xùn)練任務(wù)】：1、熟練掌握PROTEUS軟件的使用； 2、按照設(shè)計要求繪制電路原理圖； 3、能夠按要求對所設(shè)計的電路進行仿真；【基本要求及說明】: 1、按照設(shè)計要求自行定義電路圖紙尺寸； 2、設(shè)計任務(wù)如下：基于熱敏電阻的數(shù)字溫度計設(shè)計要求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采集下來，將被測溫度在顯示器上顯示出來：l 測量溫度范圍50110。l 精度誤差小于0.5。l 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

2、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 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，進而算出當(dāng)前的溫度值。采用2.55mA的電流源對PT100進行供電，然后用運算放大器LM324搭建的同相放大電路將其電壓信號放大10倍后輸入到AD0804中。利用電阻變化率0.385/的特性，計算出當(dāng)前溫度值。3、按照設(shè)計任務(wù)在Proteus 6 Professional中繪制電路原理圖； 4、根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求編寫程序，在Proteus下進行仿真，實現(xiàn)相應(yīng)功能?！景凑找笞珜懣偨Y(jié)報告】成績：1、

3、 任務(wù)說明 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采集下來，將被測溫度在顯示器上顯示出來：l 測量溫度范圍50110。l 精度誤差小于0.5。l 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 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，進而算出當(dāng)前的溫度值。采用2.55mA的電流源對PT100進行供電

4、，然后用運算放大器LM324搭建的同相放大電路將其電壓信號放大10倍后輸入到AD0804中。利用電阻變化率0.385/的特性，計算出當(dāng)前溫度值。二、元器件簡介1、 AT89C51簡介 AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS，8位微處理器，俗稱單片機。AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。其引腳圖如圖一所示。圖一 AT89C51引腳圖VCC: 電源GND: 地P0 口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I

5、/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。 P1口：P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P1 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX）。P2口：P2口是一個具有內(nèi)部上拉電

6、阻的8位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR）時，P2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。P3口：P3口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，對P3 端口寫“1”時，

7、內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為AT89C51特殊功能（第二功能）使用，如表一所示。表一 AT89C51引腳號第二功能P3.0 RXD（串行輸入）P3.1 TXD（串行輸出）P3.2 INT0（外部中斷0）P3.3 INT0（外部中斷0）P3.4 T0（定時器0外部輸入）P3.5 T1（定時器1外部輸入）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）RST:復(fù)位輸入，晶振工作時，RST腳持續(xù)2個機器周期高電平將使單片機復(fù)位。ALE/PROG：地址鎖存控制信號（ALE

8、）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8 位地址的輸出脈沖。XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器配置為片內(nèi)振蕩器時，石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。2、 ADC0804 ADC0804是屬于連續(xù)漸進式（SuccessiveApproximationMethod）的A/D轉(zhuǎn)換器，這類型的A/D轉(zhuǎn)換器除了轉(zhuǎn)換速度快（幾十至幾百us）、分辨率高外，還有價錢便宜的優(yōu)點，普遍被應(yīng)用于微電腦的接口設(shè)計上，其引腳圖如圖二所示。圖二 ADC0804引腳圖 芯片參數(shù)： 工作電壓： 5V，即VCC= 5V。 模擬輸入電壓范圍：0 5V，即0Vin 5V。 分辨率：8位，即分辨率為1/2=1/25

9、6，轉(zhuǎn)換值介于0255之間。 轉(zhuǎn)換時間：100us（fCK=640KHz時）。 轉(zhuǎn)換誤差：1LSB。 參考電壓：2.5V，即Vref=2.5V。 各個管腳的作用： D0-D7：數(shù)字量輸出端，輸出結(jié)果為八位二進制結(jié)果； CLK：為芯片工作提供工作脈沖，時鐘電路如圖所示，時鐘頻率計算方式是： FCK=1/(1.1RC） CS：片選信號； WR：寫信號輸入端； RD：讀信號輸入端； INTR：轉(zhuǎn)換完畢中斷提供端； 其他管腳連接如圖，是供電和提供參考電壓的管腳輸入端。3、鉑熱電阻PT100鉑熱電阻PT100，它的阻值跟溫度的變化成正比。PT100的阻值與溫度變化關(guān)系為:當(dāng)PT100溫度為0時它的阻值為

10、100歐姆，在100時它的阻值約為138.5歐姆。它的工業(yè)原理: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勻速增長的。在高溫下其物理、化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定，因此它具有精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠的特點。它的電阻溫度關(guān)系的線性度非常好,在-200650溫度范圍內(nèi)線性度已經(jīng)非常接近直線，電阻與溫度的關(guān)系：R=T+100。4、 LM324 LM324系列器件帶有差動輸入的四運算放大器。它采用14腳雙列直插塑料封裝。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流

11、為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。引腳圖如圖三所示。圖三 LM324引腳圖三、方案論證 本次設(shè)計以AT89C51和ADC0804為核心，利用熱敏電阻的熱敏效應(yīng)，把溫度變化轉(zhuǎn)換成阻值變化，進而電壓變化，把轉(zhuǎn)換過來的模擬電壓輸送給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC0804，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再將數(shù)字量輸送給單片機，單片機進行數(shù)據(jù)處理，處理的結(jié)果是，使輸出的數(shù)據(jù)給數(shù)碼管，數(shù)碼管能夠顯示當(dāng)前溫度。其各個元器件的主要職能如下：鉑熱電阻PT100：溫度傳感器，將非直接測量的溫度轉(zhuǎn)換成可測量可用的模擬電壓電壓信號。LM324：由于測溫電路輸出的電壓信號很微小，如果直接輸送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器將會造成很大的誤差，LM324主要

12、用來放大測溫電路的輸出電壓，使其輸出的電壓能夠進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADC0804：模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將LM324輸送來的模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并輸送給單片機進行數(shù)據(jù)處理。AT89C51單片機：對ADC0804輸送過來的數(shù)字信號，進行數(shù)據(jù)處理，處理結(jié)果送給數(shù)碼管，使其能夠顯示當(dāng)前的溫度。另外，他還控制著ADC0804模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)如控制著模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選通、開啟、轉(zhuǎn)換和完成輸出等。 數(shù)碼管：顯示當(dāng)前的溫度值。 其設(shè)計思路如圖四所示。ADC0804模數(shù)轉(zhuǎn)換電路ATC80C51數(shù)據(jù)處理LM324放大電路 數(shù)碼管 顯示 PT100 溫度 傳感器 圖四 設(shè)計方框圖四、電路設(shè)計1、 PT100測溫電路鉑熱電阻PT

13、100采用恒流源測量電路，其測量電路如圖五所示。圖五 PT100測溫電路PT100溫度與電阻值的對應(yīng)關(guān)系如表二所示。溫度/-50-30-1001020阻值/80.3188.2296.09100.00103.90107.79溫度/30507090100110阻值/111.67119.40130.90134.71138.51142.29表二 PT100溫度與電阻值的對應(yīng)關(guān)系當(dāng)溫度的變化范圍是-50-110，則電阻由80.31變化到142.29。根據(jù)U=IR可得，則電壓變化范圍為0.2048v0.3628v，電壓變化為0.1580v。2、 ADC0804模數(shù)轉(zhuǎn)換器的連接 CS：芯片片選信號，低電平有

14、效，高電平時芯片不工作。RD：啟動ADC0804進行ADC采樣，該信號低電平有效，即信號由低電平變成高電平時，觸發(fā)一次ADC轉(zhuǎn)換。WR：低電平有效，即=0時，DAC0804把轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)加載到DB口，可以通過數(shù)據(jù)端口DB0DB7讀出本次的采樣結(jié)果。INTR:轉(zhuǎn)換完成輸出端，輸出低電平。CLK IN和CLK R：外接RC振蕩電路產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換器所需的時鐘信號，VREF/2：參考電壓接入引腳，該引腳可外接電壓也可懸空，若外接電壓，則ADC的參考電壓為該外界電壓的兩倍，如不外接，則VREF與Vcc共用電源電壓，此時ADC的參考電壓即為電源電壓Vcc的值。其連接電路如圖六所示。圖六 ADC0804的電

15、路連接3、 AT89C51單片機的連接電路 單片機作為控制中心和數(shù)據(jù)處理中心，他連接著ADC0804模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)碼管顯示電路，其中P0.0P0.3分別連接四個數(shù)碼管，作為數(shù)碼管的選通控制端，P3的八個輸出端口作為數(shù)碼管的數(shù)據(jù)輸入端，P2.5P2.7四個端口連接ADC0804控制著模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選通、轉(zhuǎn)換、輸出等等，P1口連接著ADC0804的八位輸出端口。其他端口的功能：RST:復(fù)位輸入，晶振工作時，RST腳持續(xù)2個機器周期高電平將使單片機復(fù)位。ALE/PROG：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8 位地址的輸出脈沖。XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該

16、反向放大器配置為片內(nèi)振蕩器時，石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。其連接電路如圖七所示。圖七 ATC89C51的連接電路五、PROTEUS設(shè)計1、創(chuàng)建新工程 雙擊Proteus 8 Professional圖標(biāo)，點擊File(文件)中New Project項，新建一個工程項目,在Name項輸入項目名，在Path項中選擇保存路徑，點擊New project,再點擊Next設(shè)置完成，如圖八所示。圖八 創(chuàng)建新工程2、 設(shè)置原理圖 在原理圖設(shè)計Schematic design對話框中選擇創(chuàng)建原理圖（Create a Schematic from the selected template），如果不需要繪制原理

17、圖，可直接選擇Do not create a schematic。在此選擇創(chuàng)建原理圖，原理圖大小可以根據(jù)需要選擇，本次選擇默認（DEFAULT)，如圖九所示。圖九 創(chuàng)建原理圖4、創(chuàng)建PCB設(shè)計 本次設(shè)計不需要PCB板，可以直接選擇（Do not create a PCB layout），如果需要可以選擇（Create a PCB layout from the selected template），如圖十所示。圖十 創(chuàng)建PCB設(shè)計5、選擇芯片 在Create Firmware Project界面中，設(shè)置Family（系列）-8051，Contoller控制器-AT89C51，Compiler（

18、編譯器）-ASEM-51，也就是在此設(shè)計外部代碼編譯器。如果不需要進行仿真，則可直接選擇No Firmware Project即可。按下Next，設(shè)置完成，如圖十一所示。圖十一 選擇芯片6、所有設(shè)置完之后，進入Protues原理圖繪制界面，中間大部分網(wǎng)格區(qū)域是原理圖繪制區(qū)，左側(cè)為工具欄，各種元器件、各種儀表等等，可以在此工具欄中查找。原理圖繪制界面如圖十二所示。圖十二 原理圖繪制界面7、 添加元器件 點擊工具欄中的P按鈕，將會彈出元器件搜索界面(Pick Divce)，在Keyword一欄中輸入將要查找的元器件的關(guān)鍵詞，在搜索界面將會出現(xiàn)有關(guān)的元器件，選擇想要的元器件，按下OK則添加成功，如圖

19、十三所示。圖十三 添加元器件8、 布局布線選中元器件，將元器件放進原理圖繪制界面，雙擊放下，所有元器件都放進之后，并進行布局布線，原理圖繪制結(jié)果如圖十四所示。圖十四 電路原理圖六、程序流程圖軟件設(shè)計采用C語言編程，運用模塊化程序設(shè)計思想，對整個程序分為四個模塊，分別是初始化單片機、定時器、顯示器模塊，獲得AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊，對不同功能模塊的程序進行分別編程，其流程圖如圖十五所示。 開始 結(jié)束調(diào)用顯示子程序調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序調(diào)用中斷子程序中獲得的A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)調(diào)用初始化模塊子程序，初始化AT89C51，初始化顯示器，定時器T0賦初值 圖十五 程序流程圖在初始化AT89C

20、51，初始化顯示器，定時器T0時，首先進行函數(shù)說明和管腳定義，例如定義P1口作為AD的數(shù)據(jù)口，定義P2.4、P2.5、P2.6和P2.7口作為AD的控制端口等等。初始化話程序完成后，將是數(shù)據(jù)采集裝換程序，其流程圖如圖十六所示。啟動AD轉(zhuǎn)換器是否轉(zhuǎn)換完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 否將數(shù)字信號保存到單片機 是圖十六 AD數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號保存在了單片機，單片機將對保存的數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理的結(jié)果輸送給數(shù)碼管，使數(shù)碼管顯示當(dāng)前溫度值，其流程圖如圖十七所示。從存儲單元取數(shù)據(jù)T=614.422-7.811*ad_data數(shù)據(jù)是否小于79 YT=7.990*ad_data-628.491數(shù)據(jù)是否小

21、于204 N Y T=8.124*ad_data-655.742 N數(shù)碼管顯示圖十七 數(shù)據(jù)處理流程圖七、生成.Hex文件啟動Keil軟件，編譯源文件，并對源文件進行編譯，如果有錯誤，從錯誤的第一條開始改正，直到編譯沒有錯誤，編譯完成后，會產(chǎn)生.Hex文件，其源文件編譯如圖十八所示。圖十八 源文件編譯八、Proteus仿真 1、導(dǎo)入.Hex文件 雙擊原理圖中的單片機，將會彈出編輯元器件對話框，在對話框中的Program file中導(dǎo)入生成的.Hex文件，點擊OK，導(dǎo)入成功，如圖十九所示。圖十九 導(dǎo)入.Hex文件2、 電路仿真 點擊繪制原理圖界面左下角中的小三角仿真開始按鈕，電路開始工作，數(shù)碼管顯

22、示示數(shù)，改動PT100的溫度，數(shù)碼管的溫度也隨之改變，并且誤差在+0.5，符合設(shè)計要求，仿真結(jié)果如圖二十所示。圖二十 仿真結(jié)果九、總結(jié)本次課設(shè)我學(xué)會了Protues軟件的基本應(yīng)用，首先創(chuàng)建新工程，創(chuàng)建原理圖，選擇芯片，添加元器件，布局連線，向單片機導(dǎo)入.Hex文件，最后對電路進行仿真。除此之外，通過這次課設(shè)，我懂得了數(shù)字溫度計的工作原理，了解了各個部分電路的職能作用，同時也加深了我對單片機、數(shù)電和模電的學(xué)習(xí)，同時我也發(fā)現(xiàn)了自己的不足，在軟件編程發(fā)面存在一些不足的知識，以后要加強這方面的學(xué)習(xí)。十、參考文獻【1】張毅剛，劉杰.MCS-51單片機原理及應(yīng)用.M哈爾濱工藝大學(xué)出版社，2004年.【2】

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24、fine uint unsigned int#define ad0_7 P1 sbit cs=P24; sbit rd=P27; sbit wr=P26; sbit intr=P25; uchar i;uchar led11= 0x3F, /0 0x06, /1 0x5B, /2 0x4F, /3 0x66, /4 0x6D, /5 0x7D, /6 0x07, /7 0x7F, /8 0x6F, /9 0x40, /-;uchar dat_AD4=0;void start_ad(void) /啟動AD cs=0; wr=0; _nop_(); wr=1; while(intr); cs=1; read_ad() uint ad_data; ad0_7=0xff; cs=0; rd=0; _nop_(); ad_data=ad0_7; rd=1;cs=1; retur